Översikt över nätverksprotokoll och meddelandeprotokoll för IoT

Hej, Habr-medlemmar! Den första onlinekursen för IoT-utvecklare i Ryssland startar på OTUS redan i oktober. Just nu är anmälan öppen till kursen, och vi fortsätter att dela med er användbara material.

Internet of Things (IoT) kommer att byggas på den existerande nätverksinfrastrukturen, teknologierna och protokollen som används i hem och kontor idag, och kommer att erbjuda mycket mer.

Målet med denna vägledning är att ge en kort översikt av nätverks- och applikationsprotokoll för IoT.

Observera. Du bör ha kunskaper i grundläggande nätverksteknologier.

IoT-nätverk

IoT kommer att fungera i befintliga TCP/IP-nätverk.

TCP/IP använder en fyrnivåmodell med specifika protokoll på varje nivå. Se. understanding the TCP/IP 4 layer model (förstå fyrnivåmodellen för TCP/IP).

I diagrammet nedan visas en jämförelse av de protokoll som används idag och de som sannolikt kommer att användas för IoT.

Anteckningar till diagrammet:

1. Typsnittets storlek visar hur populärt protokollet är. Till exempel är IPv4 större till vänster eftersom den är mycket populärare på Internet idag. Men till höger är den mindre eftersom det förväntas att IPv6 kommer att bli mer populärt inom IoT.

2. Inte alla protokoll visas.

3. Mest förändringar kommer att ske på datalänknivå (nivå 1 och 2) och applikationsnivå (nivå 4).

4. De nätverks- och transportnivåer förväntas förbli oförändrade.

Protokoll på datalänknivån

På datalänknivån (Data Link) behöver du koppla ihop enheter. De kan vara både nära, till exempel i lokala nätverk, och långt ifrån varandra: i stads- och globala nätverk.

I nuläget används Ethernet och Wi-Fi i hem- och kontorsnät (LAN) och 3G/4G i mobila nätverk (WAN). Men många IoT-enheter är lågenergienheter, till exempel sensorer, och drivs bara av batterier. I sådana fall passar inte Ethernet, men man kan använda low powered Wi-Fi och low powered Bluetooth.

Även om befintliga trådlösa teknologier (Wi-Fi, Bluetooth, 3G/4G) fortfarande kommer att användas för att ansluta dessa enheter, är det också värt att notera nya teknologier som speciellt utvecklats för IoT-applikationer, vars popularitet förväntas öka.

Bland dessa finns:

• BLE – Bluetooth Low Energy

• LoRaWAN – Long Range WAN

• SigFox

• LTE-M

Mer om detta beskrivs i artikeln En översikt över IoT-trådlösa teknologier (översikt över IoT-trådlösa teknologier).

Nätverksnivå

På nätverksnivå (Networking) kommer protokollet att dominera på lång sikt IPv6. Det är osannolikt att IPv4 kommer att användas, men det kan spela en viss roll i de tidiga faserna. De flesta IoT-enheter för hemmet, till exempel smarta lampor, använder för närvarande IPv4.

Transportnivå 

På transportnivå (Transport) dominerar TCP på internet och webben. Den används både i HTTP och i många andra populära internetprotokoll (SMTP, POP3, IMAP4 osv.).

MQTT, som jag förväntar mig kommer att bli ett av de huvudsakliga applikationsprotokollen för meddelandeutbyte, använder för närvarande TCP.

Men i framtiden, på grund av lägre overhead, förväntar jag mig att UDP kommer att bli mer populärt för IoT. Troligtvis kommer MQTT-SN, som arbetar ovanpå UDP. Se artikeln om jämförelse TCP vs UDP .

Applikationsnivå och meddelandeprotokoll

Viktiga egenskaper för IoT-protokoll:

• Hastighet — mängden data som överförs per sekund.

• Fördröjning — tiden det tar att överföra ett meddelande.

• Energiförbrukning.

• Säkerhet.

• Tillgång till programvaruverktyg.

För närvarande används två huvudsakliga protokoll aktivt på denna nivå: HTTP och MQTT.

HTTP är sannolikt det mest kända protokollet på denna nivå, som ligger till grund för webben (WWW). Det kommer fortfarande att vara av stor betydelse för IoT, eftersom det används för REST API — den primära mekanismen för interaktion mellan webbapplikationer och tjänster. Men på grund av hög overhead kommer HTTP knappast att bli det huvudsakliga IoT-protokollet, även om det fortfarande kommer att användas i stor utsträckning på internet.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) har blivit det främsta meddelandeprotokollet inom IoT, tack vare sin lätthet och enkelhet att använda. Se artikeln Introduction to MQTT for beginners (Introduktion till MQTT för nybörjare).

Jämförelse av HTTP och MQTT för IoT

MQTT blir snabbt de facto-standard för IoT-applikationer. Detta beror på dess lätthet och hastighet i jämförelse med HTTP och att det är ett protokoll för "en-till-många", snarare än "en-till-en" (HTTP).

Många moderna webbapplikationer skulle gärna ha använt MQTT istället för HTTP, om det hade funnits tillgängligt vid tidpunkten för deras utveckling.

Ett bra exempel är att skicka information till många kunder, till exempel om ankomster och avgångar av tåg/bussar/plan. I detta scenario har protokollet „en-till-en“, som HTTP, stora overheadkostnader och skapar mycket belastning på webbservrar. Att skala dessa webbservrar kan vara utmanande. Med MQTT ansluter kunder till en mäklare, som enkelt kan läggas till för att balansera lasten. Se denna instruktion med video. Publicera HTML-data över MQTT (Exempel på flygankomster) och artikeln MQTT vs HTTP för IoT.

Andra meddelandeprotokoll

HTTP var inte utformat för IoT-applikationer, men som nämnts kommer det att användas i stor utsträckning under en tid på grund av dess breda användning i API.

Nästan alla IoT-plattformar stöder både HTTP och MQTT.

Det finns dock också andra protokoll som är värda att överväga.

Protokoll

• MQTT — (Message Queuing Telemetry Transport). Använder TCP/IP. För modellen „publikator-prenumerant“ krävs en meddelandemäklare.

• AMQP — (Advanced Message Queuing Protocol). Använder TCP/IP. Modellerna „publikator-prenumerant“ och „punkt-till-punkt“.

• COAP — (Constrained Application Protocol). Använder UDP. Utformat specifikt för IoT, använder en begäran-svar-modell liknande HTTP. RFC 7252.

• DDS — (Data Distribution Service) 

I denna artikeln de grundläggande protokollen och deras tillämpningar diskuteras. Slutsatsen av denna artikel är att IoT kommer att använda en uppsättning protokoll beroende på deras avsedda användning.

Men om vi ser tillbaka till de första åren av Internet var protokollet HTTP, som senare blev dominerande, bara ett av många protokoll.

Trots att HTTP inte ursprungligen var avsett för filöverföring och e-post, används det idag för båda.

Jag förväntar mig att samma sak kommer att hända inom IoT med meddelandeprotokoll: de flesta tjänster kommer att använda ett dominerande protokoll.

Nedan följer grafer från Google Trends som visar hur populariteten för MQTT, COAP och AMQP har förändrats under de senaste åren.

Översikt över Google Trends 

Protokollstöd över plattformar

• Microsoft Azure — MQTT, AMQP, HTTP och HTTPS

• AWS — MQTT, HTTPS, MQTT över websockets

• IBM Bluemix – MQTT, HTTPS, MQTT

• Thingworx — MQTT, HTTPS, MQTT, AMQP

Sammanfattning

Mest förändringar kommer att ske på datalänknivå (nivå 1 och 2) och applikationsnivå (nivå 4).

De nätverks- och transportnivåer förväntas förbli oförändrade.

På tillämpningsnivå kommer IoT-komponenter att använda meddelandeprotokoll. Även om vi fortfarande är i ett tidigt utvecklingsskede av IoT är det mycket troligt att en eller kanske två meddelandeprotokoll kommer att framträda.

Under de senaste åren har MQTT blivit det mest populära, och det är nu jag fokuserar på den här sidan.

HTTP kommer också fortsätta att användas, eftersom det redan är väl integrerat i befintliga IoT-plattformar.

Detta är allt. Vi inbjuder dig att anmäla dig till en kostnadsfri demolektion om ämnet «Chatbot för snabba kommandon till enheten».

Läs mer:

• Varför oskyddade konsumentsystem för Internet of Things nu utgör ett allvarligt affärsproblem

Källa: habr.com