סקירה כללית של פרוטוקולי רשת והעברת הודעות עבור IoT

שלום, חברוביים! מפתח הקורס המקוון הראשון של רוסיה IoT יושק ב-OTUS באוקטובר. ההרשמה לקורס פתוחה ממש עכשיו, בקשר אליו אנו ממשיכים לשתף אתכם בחומרים שימושיים.

האינטרנט של הדברים (IoT, Internet of Things) ייבנה על גבי תשתית הרשת, הטכנולוגיות והפרוטוקולים הקיימים בשימוש כיום בבתים/משרדים ובאינטרנט, ויציע הרבה יותר.

מטרת מדריך זה היא לספק סקירה קצרה של רשתות ופרוטוקולי יישומים עבור IoT.

הערה. אתה חייב להיות בעל ידע יסודות של טכנולוגיות רשת.

רשתות IoT

IoT יפעל ברשתות TCP/IP קיימות.

TCP/IP משתמש במודל ארבע שכבות עם פרוטוקולים ספציפיים בכל שכבה. ס"מ. הבנת מודל השכבות TCP/IP 4 (אנו מבינים את מודל ארבע השכבות של TCP / IP).

הדיאגרמה שלהלן מציגה השוואה בין הפרוטוקולים הנמצאים בשימוש כיום לבין אלה שיש סיכוי גבוה יותר שישמשו עבור IoT.

הערות לתרשים:

1. גודל הגופן מעיד על הפופולריות של הפרוטוקול. לדוגמה, משמאל, IPv4 גדול יותר, מכיוון שהוא הרבה יותר פופולרי באינטרנט המודרני. עם זאת, הוא קטן יותר מימין מכיוון ש-IPv6 צפוי להיות פופולרי יותר ב-IoT.

2. לא כל הפרוטוקולים מוצגים.

3. רוב השינויים הם ברמות הערוץ (רמות 1 ו-2) והאפליקציה (רמה 4).

4. שכבות הרשת וההובלה צפויות להישאר ללא שינוי.

פרוטוקולי שכבת קישור

ברמת קישור הנתונים (Data Link), עליך לחבר התקנים זה לזה. הם יכולים להיות גם קרובים, למשל, ברשתות מקומיות (רשתות מקומיות) וגם במרחק גדול אחד מהשני: ברשתות עירוניות (רשתות מטרופולין) ורשתות גלובליות (רשתות אזוריות רחבות).

נכון לעכשיו, ברמה זו, רשתות ביתיות ומשרדיות (LAN) משתמשות ב-Ethernet ו-Wi-Fi, ורשתות ניידות (WAN) משתמשות ב-3G / 4G. עם זאת, מכשירי IoT רבים הם בעלי הספק נמוך, כגון חיישנים, והם מופעלים רק באמצעות סוללות. במקרים אלה, Ethernet אינו מתאים, אך ניתן להשתמש ב-Wi-Fi בעל עוצמה נמוכה וב-Bluetooth בעל עוצמה נמוכה.

בעוד שהטכנולוגיות האלחוטיות הקיימות (Wi-Fi, Bluetooth, 3G/4G) ימשיכו לשמש לחיבור מכשירים אלו, כדאי גם להסתכל על טכנולוגיות חדשות שתוכננו במיוחד עבור יישומי IoT שצפויים לצמוח בפופולריות.

ביניהם:

• BLE - Bluetooth Low Energy

• LoRaWAN - WAN לטווח ארוך

• זיג פוקס

• LTE-M

הם מתוארים ביתר פירוט במאמר. סקירה כללית של טכנולוגיות אלחוטיות של IOT (סקירה כללית של טכנולוגיות IoT אלחוטיות).

שכבת רשת

בשכבת הרשת (Networking), הפרוטוקול ישלוט בטווח הארוך IPv6. לא סביר שייעשה שימוש ב-IPv4, אבל זה עשוי למלא תפקיד בשלבים המוקדמים. רוב מכשירי ה-IoT הביתיים, כמו נורות חכמות, משתמשים כיום ב-IPv4.

שכבת תחבורה 

בשכבת התחבורה (Transport), האינטרנט והרשת נשלטים על ידי TCP. הוא משמש גם ב-HTTP וגם בפרוטוקולי אינטרנט פופולריים רבים אחרים (SMTP, POP3, IMAP4 וכו').

MQTT, שאני מצפה שיהפוך לאחד מפרוטוקולי שכבת היישומים העיקריים להעברת הודעות, משתמש כיום ב-TCP.

עם זאת, בעתיד, עקב תקורה נמוכה יותר, אני מצפה ש-UDP יהפוך פופולרי יותר עבור IoT. כנראה נפוץ יותר MQTT-SN, פועל על UDP. ראה מאמר השוואה TCP לעומת UDP .

שכבת יישומים ופרוטוקולי הודעות

מאפיינים חשובים עבור פרוטוקולי IoT:

• מהירות - כמות הנתונים המועברים בשנייה.

• חביון הוא הזמן שלוקח לשלוח הודעה.

• צריכת חשמל.

• אבטחה.

• זמינות תוכנה.

נכון לעכשיו, שני פרוטוקולים עיקריים נמצאים בשימוש פעיל ברמה זו: HTTP ו-MQTT.

HTTP הוא כנראה הפרוטוקול הידוע ביותר ברמה זו העומד בבסיס האינטרנט (WWW). זה ימשיך להיות חשוב עבור IoT, שכן הוא משמש עבור REST API - המנגנון העיקרי לאינטראקציה בין יישומי אינטרנט ושירותים. עם זאת, בגלל התקורה הגבוהה, סביר להניח ש-HTTP יהפוך לפרוטוקול ה-IoT הראשי, למרות שהוא עדיין יהיה בשימוש נרחב באינטרנט.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) הפך לפרוטוקול העברת ההודעות העיקרי ב-IoT בשל קלילותו וקלות השימוש שלו. ראה מאמר מבוא ל-MQTT למתחילים (מבוא ל-MQTT למתחילים).

השוואה של HTTP ו-MQTT עבור IoT

MQTT הופך במהירות לתקן דה פקטו עבור יישומי IoT. זה נובע מהקלילות והמהירות שלו בהשוואה ל-HTTP והעובדה שמדובר בפרוטוקול אחד לרבים ולא אחד לאחד (HTTP).

יישומי אינטרנט מודרניים רבים היו משתמשים בשמחה ב-MQTT במקום ב-HTTP אם זה היה זמין בזמן הפיתוח שלהם.

דוגמה טובה היא שליחת מידע למספר לקוחות, כגון הגעה ויציאות של רכבות/אוטובוסים/מטוסים. בתרחיש זה, לפרוטוקול אחד לאחד כמו HTTP יש הרבה תקורה ועומס רב על שרתי האינטרנט. קנה מידה של שרתי אינטרנט אלה יכול להיות קשה. עם MQTT, לקוחות מתחברים למתווך, שניתן להוסיף בקלות לאיזון עומסים. צפו בסרטון הדרכה בנושא פרסום מחדש של נתוני HTML באמצעות MQTT (דוגמה להגעות לטיסות) ומאמר MQTT לעומת HTTP עבור IOT.

פרוטוקולי הודעות אחרים

HTTP לא תוכנן עבור יישומי IoT, אך כאמור, הוא יהיה בשימוש נרחב במשך זמן מה בשל השימוש הנרחב בו API.

כמעט כל פלטפורמות ה-IoT תומכות גם ב-HTTP וגם ב-MQTT.

עם זאת, ישנם פרוטוקולים אחרים שכדאי לשקול.

פרוטוקולים

• MQTT - (העברת טלמטריה בתור הודעות). משתמש ב-TCP/IP. מודל הפרסום-הרשמה דורש מתווך הודעות.

• AMQP - (Advanced Message Queuing Protocol). משתמש ב-TCP/IP. מודלים של מנוי מפרסם ונקודה לנקודה.

• COAP - (פרוטוקול יישום מוגבל). משתמש ב-UDP. תוכנן במיוחד עבור IoT, משתמש במודל של תגובה-בקשה כמו ב-HTTP. RFC 7252.

• DDS - (שירות הפצת נתונים) 

בזה статье הפרוטוקולים העיקריים והיישומים שלהם נחשבים. המסקנה של מאמר זה היא שה-IoT ישתמש בקבוצה של פרוטוקולים, בהתאם לשימוש המיועד שלהם.

עם זאת, בדיעבד, בשנים הראשונות של האינטרנט, פרוטוקול ה-HTTP שיהפוך להיות דומיננטי היה רק ​​פרוטוקול אחד מני רבים.

למרות ש-HTTP לא נוצר במקור להעברת קבצים ודוא"ל, היום הוא משמש לשניהם.

אני מצפה שאותו דבר יקרה עם פרוטוקולי הודעות ב-IoT: רוב השירותים ישתמשו בפרוטוקול עיקרי אחד.

להלן תרשימי Google Trends המראים כיצד הפופולריות של MQTT, COAP ו-AMQP השתנתה במהלך השנים האחרונות.

סקירה כללית של Google Trends 

תמיכת פרוטוקול לפי פלטפורמה

• Microsoft Azure - MQTT, AMQP, HTTP ו-HTTPS

• AWS - MQTT, HTTPS, MQTT דרך שקעי אינטרנט

• IBM Bluemix - MQTT,HTTPS,MQTT

• Thingworx - MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

תקציר

רוב השינויים הם ברמות הערוץ (רמות 1 ו-2) והאפליקציה (רמה 4).

שכבות הרשת וההובלה צפויות להישאר ללא שינוי.

בשכבת האפליקציה, רכיבי IoT ישתמשו בפרוטוקולי העברת הודעות. למרות שאנו עדיין בשלב מוקדם בפיתוח IoT, סביר להניח שפרוטוקולי הודעות אחד או שניים יבלוט.

במהלך השנים האחרונות, MQTT הפך לפופולרי ביותר, ובו אני מתמקד כעת באתר זה.

גם HTTP ימשיך לשמש מכיוון שהוא כבר מובנה היטב בפלטפורמות IoT קיימות.

זה הכל. אנו מזמינים אותך להירשם לשיעור הדגמה חינם בנושא "צ'אט בוט לפקודות מהירות למכשיר".

קרא עוד:

• מדוע מערכות IoT לצרכנים לא מאובטחות הן כעת בעיה עסקית גדולה

מקור: www.habr.com