IoT のネットワーキングおよびメッセージング プロトコルの概要

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モノのインターネット (IoT、モノのインターネット) は、現在家庭やオフィス、インターネットで使用されている既存のネットワーク インフラストラクチャ、テクノロジ、プロトコルの上に構築され、さらに多くの機能を提供します。

このガイドの目的は、IoT のネットワーキングとアプリケーション プロトコルの概要を説明することです。

ノート。 知識があるはずです ネットワーク技術の基礎.

IoTネットワーク

IoT は既存の TCP/IP ネットワーク上で実行されます。

TCP/IP は、各層に特定のプロトコルを備えた XNUMX 層モデルを使用します。 Cm。 TCP/IP 4 層モデルを理解する (TCP / IP の XNUMX 層モデルを理解しています)。

以下の図は、現在使用されているプロトコルと、IoT で使用される可能性が最も高いプロトコルの比較を示しています。

チャートのメモ:

1. フォント サイズはプロトコルの人気を示します。 たとえば、左側では IPv4 の方が大きくなっています。これは、現代のインターネットでは IPv6 の方がよく使われているためです。 ただし、IoT では IPvXNUMX がより普及すると予想されるため、右側の値は小さくなります。

2. すべてのプロトコルが表示されているわけではありません。

3. すべての変更のほとんどは、チャネル (レベル 1 および 2) とアプリケーション レベル (レベル 4) にあります。

4. ネットワーク層とトランスポート層は変更されない可能性があります。

リンク層プロトコル

データ リンク レベル (データ リンク) では、デバイスを相互に接続する必要があります。 たとえば、ローカル ネットワーク (ローカル ネットワーク) では近くにあることも、都市部 (メトロポリタン エリア ネットワーク) やグローバル ネットワーク (ワイド エリア ネットワーク) では互いに遠く離れていることもあります。

現在、このレベルでは、ホームおよびオフィス ネットワーク (LAN) はイーサネットと Wi-Fi を使用し、モバイル ネットワーク (WAN) は 3G / 4G を使用します。 ただし、センサーなどの IoT デバイスの多くは低電力であり、バッテリーのみで駆動されます。 このような場合、イーサネットは適していませんが、低電力の Wi-Fi や低電力の Bluetooth は使用できます。

これらのデバイスの接続には既存のワイヤレス テクノロジー (Wi-Fi、Bluetooth、3G/4G) が引き続き使用されますが、人気が高まるであろう IoT アプリケーション向けに特別に設計された新しいテクノロジーにも注目する価値があります。

その中：

• BLE –Bluetooth低エネルギー

• LoRaWAN - 長距離 WAN

• シグフォックス

• LTE-M

それらについては記事で詳しく説明されています。 IoT無線技術の概要 (ワイヤレス IoT テクノロジーの概要)。

ネットワーク層

ネットワーク層 (ネットワーキング) では、長期的にはプロトコルが主流となる IPv6。 IPv4 が使用される可能性は低いですが、初期段階では役割を果たす可能性があります。 現在、スマート電球などのほとんどの家庭用 IoT デバイスは IPv4 を使用しています。

トランスポート層 

トランスポート層 (トランスポート) では、インターネットと Web は TCP によって支配されています。 これは、HTTP と他の多くの一般的なインターネット プロトコル (SMTP、POP3、IMAP4 など) の両方で使用されます。

MQTT は、メッセージングの主要なアプリケーション層プロトコルの XNUMX つになると予想されていますが、現在は TCP を使用しています。

ただし、将来的には、オーバーヘッドが低いため、IoT では UDP がさらに普及すると予想しています。 おそらくもっと広まるだろう MQTT-SN、UDP 上で実行されます。 比較記事を参照 TCPとUDP .

アプリケーション層とメッセージングプロトコル

IoT プロトコルの重要な特性:

• 速度 - XNUMX 秒あたりに転送されるデータ量。

• レイテンシは、メッセージの送信にかかる時間です。

• 消費電力。

• セキュリティ。

• ソフトウェアの可用性。

現在、このレベルでは HTTP と MQTT という XNUMX つの主要なプロトコルが積極的に使用されています。

HTTP は、おそらく、Web (WWW) の基礎となるこのレベルのプロトコルとして最もよく知られています。 これは、Web アプリケーションとサービス間の対話のための主要なメカニズムである REST API に使用されるため、IoT にとって引き続き重要です。 ただし、オーバーヘッドが高いため、HTTP は依然としてインターネットで広く使用されているものの、主要な IoT プロトコルになる可能性は低いです。

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) は、その軽量さと使いやすさにより、IoT における主要なメッセージング プロトコルとなっています。 記事を見る 初心者のための MQTT 入門 (初心者のための MQTT 入門)。

IoT における HTTP と MQTT の比較

MQTT は急速に IoT アプリケーションの事実上の標準になりつつあります。 これは、HTTP と比較して軽量で高速であること、および XNUMX 対 XNUMX (HTTP) ではなく XNUMX 対多のプロトコルであるという事実によるものです。

最新の Web アプリケーションの多くは、開発時に HTTP の代わりに MQTT が利用可能であれば、喜んでそれを使用します。

良い例は、電車、バス、飛行機の到着と出発などの情報を複数のクライアントに送信することです。 このシナリオでは、HTTP などの XNUMX 対 XNUMX プロトコルには多くのオーバーヘッドがあり、Web サーバーに大きな負荷がかかります。 これらの Web サーバーの拡張は難しい場合があります。 MQTT を使用すると、クライアントはブローカーに接続し、負荷分散のためにブローカーを簡単に追加できます。 それについてのビデオチュートリアルをご覧ください MQTT 経由で HTML データを再パブリッシュする (フライト到着の例) そして記事 IOT における MQTT と HTTP の比較.

他のメッセージング プロトコル

HTTP は IoT アプリケーション用に設計されたものではありませんが、前述したように、HTTP はさまざまな分野で広く使用されているため、しばらくの間広く使用されるでしょう。 API.

ほぼすべての IoT プラットフォームは、HTTP と MQTT の両方をサポートしています。

ただし、検討する価値のあるプロトコルは他にもあります。

プロトコル

• MQTT - (メッセージ キュー テレメトリ トランスポート)。 TCP/IPを使用します。 パブリッシュ/サブスクライブ モデルにはメッセージ ブローカーが必要です。

• AMQP - (アドバンスト メッセージ キュー プロトコル)。 TCP/IPを使用します。 パブリッシャー/サブスクライバー モデルとポイントツーポイント モデル。

• コープ - (制約付きアプリケーション プロトコル)。 UDPを使用します。 IoT 向けに特別に設計されており、HTTP と同様の要求/応答モデルを使用します。 RFC 7252.

• DDS - (データ配信サービス) 

これで статье 主要なプロトコルとそのア​​プリケーションが考慮されます。 この記事の結論は、IoT では用途に応じて一連のプロトコルが使用されるということです。

しかし、振り返ってみると、インターネットの初期には、後に主流となる HTTP プロトコルは、数多くあるプロトコルの XNUMX つにすぎませんでした。

HTTP はもともとファイルと電子メールの転送のために考えられたものではありませんでしたが、現在では両方の目的で使用されています。

私は、IoT のメッセージング プロトコルでも同じことが起こると予想しています。ほとんどのサービスは XNUMX つの主要なプロトコルを使用することになります。

以下は、MQTT、COAP、AMQP の人気が過去数年間でどのように変化したかを示す Google トレンド グラフです。

Google トレンドの概要 

プラットフォームごとのプロトコルのサポート

• Microsoft Azure - MQTT、AMQP、HTTP、HTTPS

• AWS - MQTT、HTTPS、WebSocket 上の MQTT

• IBM Bluemix - MQTT、HTTPS、MQTT

• シングワークス — MQTT、HTTPS、MQTT、AMQP

サマリー

すべての変更のほとんどは、チャネル (レベル 1 および 2) とアプリケーション レベル (レベル 4) にあります。

ネットワーク層とトランスポート層は変更されない可能性があります。

アプリケーション層では、IoT コンポーネントはメッセージング プロトコルを使用します。 IoT 開発はまだ初期段階にありますが、おそらく XNUMX つまたはおそらく XNUMX つのメッセージング プロトコルが目立ってくるでしょう。

ここ数年、MQTT が最も人気があり、私がこのサイトに注目しているのは MQTT です。

HTTP は既存の IoT プラットフォームにすでに十分に組み込まれているため、引き続き使用されます。

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出所： habr.com