🥇 Az IoT hálózati és üzenetküldési protokolljainak áttekintése

Sziasztok Habrovszk lakosai! Oroszország első online tanfolyama IoT fejlesztő októberben indul az OTUS-on. A kurzusra való jelentkezés most indul, ezért továbbra is hasznos anyagokat osztunk meg veletek.

A dolgok internete (IoT) a meglévő hálózati infrastruktúrára, az otthonokban/irodákban és az interneten jelenleg használt technológiákra és protokollokra fog épülni, és sokkal többet kínál majd.

Ennek az útmutatónak az a célja, hogy rövid áttekintést nyújtson az IoT hálózati és alkalmazási protokolljairól.

Jegyzet. Tudással kell rendelkezned a hálózati technológiák alapjai.

IoT-hálózatok

Az IoT a meglévő TCP/IP-hálózatokon fog működni.

A TCP/IP négyrétegű modellt használ, minden rétegben meghatározott protokollokkal. Cm. a TCP/IP 4 rétegmodell megértése (a négyrétegű TCP/IP modellt értjük).

Az alábbi diagram a jelenleg használt és az IoT-hez legvalószínűbb protokollok összehasonlítását mutatja.

Megjegyzések a diagramhoz:

A betűméret a protokoll népszerűségét tükrözi. Például a bal oldalon több az IPv4, mivel sokkal népszerűbb a modern interneten. A jobb oldalon azonban kisebb, mivel az IPv6 várhatóan népszerűbbé válik az IoT területén.
Nem minden protokoll jelenik meg.
A legtöbb változás a csatorna (1. és 2. szint) és az alkalmazási szinteken (4. szint) történik.
A hálózati és szállítási rétegek valószínűleg változatlanok maradnak.

Linkréteg protokollok

Az adatkapcsolati rétegben eszközöket kell csatlakoztatnia egymáshoz. Elhelyezkedhetnek a közelben, például a helyi hálózatokban, vagy egymástól nagy távolságra: nagyvárosi hálózatokban és nagy kiterjedésű hálózatokban.

Jelenleg ezen a szinten az otthoni és irodai hálózatok (LAN) Ethernetet és Wi-Fi-t, a mobilhálózatok (WAN) pedig 3G/4G-t használnak. Sok IoT-eszköz azonban alacsony fogyasztású, például érzékelők, és csak akkumulátorról táplálkoznak. Ezekben az esetekben az Ethernet nem megfelelő, de alacsony fogyasztású Wi-Fi és alacsony fogyasztású Bluetooth használható.

Bár a meglévő vezeték nélküli technológiákat (Wi-Fi, Bluetooth, 3G/4G) továbbra is használni fogják ezeknek az eszközöknek a csatlakoztatására, érdemes megnézni a kifejezetten az IoT-alkalmazásokhoz tervezett új technológiákat is, amelyek népszerűsége valószínűleg növekedni fog.

Közülük:

BLE – Bluetooth Low Energy
LoRaWAN – Long Range WAN
SigFox
LTE-M

A cikkben részletesebben ismertetjük őket. Az IOT vezeték nélküli technológiák áttekintése (a vezeték nélküli IoT technológiák áttekintése).

Hálózati réteg

Hálózati szinten (Networking) hosszú távon a protokoll dominál IPv6. Nem valószínű, hogy az IPv4-et használni fogják, de a kezdeti szakaszban szerepet játszhat. A legtöbb otthoni IoT-eszköz, például az intelligens izzók jelenleg IPv4-et használnak.

Szállítási réteg

A TCP uralja a szállítási réteget az interneten és a weben. A HTTP-ben és sok más népszerű internetes protokollban is használják (SMTP, POP3, IMAP4 stb.).

Az MQTT, amely várhatóan az egyik fő alkalmazási réteg protokoll lesz az üzenetkezelésben, jelenleg TCP-t használ.

A jövőben azonban az alacsonyabb rezsi miatt arra számítok, hogy az UDP népszerűbb lesz az IoT számára. Valószínűleg egyre elterjedtebb lesz MQTT-SN, amely az UDP tetején fut. Lásd az összehasonlító cikket TCP vs UDP .

Alkalmazási réteg és üzenetküldési protokollok

Az IoT protokollok fontos jellemzői:

Sebesség - a másodpercenként átvitt adatmennyiség.
A késleltetés az üzenet továbbításához szükséges idő.
Teljesítményfelvétel
Biztonság.
A szoftver elérhetősége.

Jelenleg két fő protokollt használnak aktívan ezen a szinten: a HTTP és az MQTT.

A HTTP valószínűleg a legismertebb protokoll ezen a szinten, amely a Web (WWW) hátterében áll. Továbbra is fontos lesz az IoT számára, mert a REST API-khoz használják, amelyek a webalkalmazások és -szolgáltatások interakciójának alapvető mechanizmusa. Magas terhelése miatt azonban nem valószínű, hogy a HTTP lesz az elsődleges IoT-protokoll, bár továbbra is széles körben használják majd az interneten.

Az MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) az IoT domináns üzenetkezelési protokolljává vált könnyűsége és egyszerű használhatósága miatt. Lásd a cikket Bevezetés az MQTT-be kezdőknek (Bevezetés az MQTT-be kezdőknek).

A HTTP és az MQTT összehasonlítása az IoT-hez

Az MQTT gyorsan az IoT-alkalmazások de facto szabványává válik. Ez a HTTP-hez képest könnyűségének és sebességének köszönhető, valamint annak, hogy egy-a-többhöz protokollról van szó, nem pedig egy-egy protokollról (HTTP).

Sok modern webalkalmazás boldogan használta volna az MQTT-t a HTTP helyett, ha az elérhető lett volna a fejlesztésük idején.

Jó példa erre az információ küldése több ügyfélnek, például vonat/busz/repülő érkezéséről és indulásáról. Ebben a forgatókönyvben az egy az egyhez protokollnak, például a HTTP-nek magas a többletterhelése, és nagy terhelést jelent a webszerverekre. Ezeknek a webszervereknek a méretezése nehéz lehet. Az MQTT segítségével az ügyfelek egy brókerhez csatlakoznak, amely könnyen hozzáadható a terheléselosztáshoz. Nézze meg ezt az oktatóanyagot videóval HTML-adatok újbóli közzététele az MQTT-n keresztül (repülés érkezési példája) és cikk MQTT vs HTTP az IOT számára.

Egyéb üzenetküldési protokollok

A HTTP-t nem az IoT-alkalmazásokhoz tervezték, de mint már említettük, a széles körben elterjedt alkalmazása miatt még egy ideig széles körben használják. API.

Szinte az összes IoT platform támogatja a HTTP-t és az MQTT-t is.

Vannak azonban más protokollok is, amelyeket érdemes figyelembe venni.

protokollok

MQTT — (Üzenetsoros telemetriai átvitel). TCP/IP-t használ. A kiadó-előfizető modellhez üzenetközvetítőre van szükség.
AMQP - (Advanced Message Queuing Protocol). TCP/IP-t használ. Kiadó-előfizető és pont-pont modellek.
COAP - (Korlátozott alkalmazási protokoll). UDP-t használ. Kifejezetten az IoT számára készült, és a HTTP-hez hasonló kérés-válasz modellt használ. RFC 7252.
DDS – (Adatterjesztési szolgáltatás)

Ebben cikk A fő protokollokat és azok alkalmazását tárgyaljuk. A cikk következtetése az, hogy az IoT a tervezett alkalmazástól függően protokollkészletet fog használni.

Ha azonban visszatekintünk, az internet kezdeti éveiben a HTTP, amely később az uralkodó protokoll lett, csak egy volt a sok protokoll közül.

Bár a HTTP-t eredetileg nem fájlátvitelre vagy e-mailre tervezték, ma már mindkettőre használják.

Ugyanez várható az IoT üzenetküldési protokolljaival: a legtöbb szolgáltatás egyetlen domináns protokollt fog használni.

Az alábbiakban a Google Trends grafikonjai mutatják be, hogyan változott az MQTT, a COAP és az AMQP népszerűsége az elmúlt néhány évben.

Google Trends Review

Protokolltámogatás platformonként

Microsoft Azure — MQTT, AMQP, HTTP és HTTPS
AWS — MQTT, HTTPS, MQTT websocketeken keresztül
IBM Bluemix – MQTT, HTTPS, MQTT
Thingworx - MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

Összegzés

A legtöbb változás a csatorna (1. és 2. szint) és az alkalmazási szinteken (4. szint) történik.

A hálózati és szállítási rétegek valószínűleg változatlanok maradnak.

Az alkalmazási rétegben az IoT-komponensek üzenetküldési protokollokat fognak használni. Bár még az IoT fejlesztésének korai szakaszában járunk, valószínű, hogy egy vagy talán két üzenetküldő protokoll fog megjelenni.

Az elmúlt néhány évben az MQTT lett a legnépszerűbb, és jelenleg is erre összpontosítok ezen az oldalon.

A HTTP-t is továbbra is használni fogják, mivel már jól beépült a meglévő IoT-platformokba.