Протоколы интернета вещей реферат

Обновлено: 07.07.2024

Устройства интернета вещей, серверы и пользовательские приложения непрерывно обмениваются информацией. Они объединены друг с другом сетями и общаются с помощью различных протоколов передачи данных — это что-то вроде языка, который использует оборудование IoT.

Давайте посмотрим, как выглядит архитектура интернета вещей и разберемся в средствах и технологиях передачи данных в IoT.

Передача данных в IoT: архитектура систем интернета вещей и основные протоколы

Упрощенно можно сказать, что IoT-системы — это специализированные сети, объединяющие устройства, шлюзы и системы данных, где эти данные потом хранятся, обрабатываются и анализируются. Данные в такой сети собираются и передаются с помощью протоколов передачи данных. Для общения между устройствами и шлюзами часто используют специальные протоколы, обеспечивающие низкое потребление энергии.

Сеть IoT чем-то похожа на сеть Wi-Fi, которая объединяет компьютеры в квартире и позволяет обмениваться данными с интернетом с помощью роутера, или на сотовую сеть, в которой сотовые телефоны подключаются к вышкам.

Разберем подробнее, как работает такая система.

Устройства собирают данные от пользователей, иногда обмениваются ими друг с другом, потом передают дальше, обычно к шлюзам. Шлюзы — это еще один тип устройств, чем-то похожих на домашние роутеры, они могут собирать данные с устройств, а потом отправлять их в дата-центр или облако. Также там может производиться некая обработка данных, что позволяет сэкономить на их передаче.

Cуществует модель OSI (The Open Systems Interconnection model), на ее основе протоколы интернета вещей делят по группам в соответствии с уровнем архитектуры системы, на котором будут передаваться данные.

Основные виды беспроводных сетей в IoT и стандарты передачи данных

Для интернета вещей применяют технологии беспроводных сетей с низким энергопотреблением разного радиуса действия. То есть ключевым фактором для выбора стандарта сетевого подключения будет радиус действия сети и то, сколько энергии она потребляет.

Протоколы передачи данных — основа любой радиосвязи. От них зависит, какая у сети будет топология, маршрутизация, адресация, безопасность данных.

В системах интернета вещей используют:

Локальные и персональные сети (WLAN — Wireless Local Area Network, и WPAN — Wireless Personal Area Network). Сюда относят сети ближнего (малого и среднего) радиуса действия, такие протоколы, как: Wi-Fi, 6LoWPAN, Thread, ZigBee IP, Z-Wave, ZigBee, BLE 4.2 (Bluetooth Mesh), WirelessHart, MiWi.
Энергоэффективные глобальные сети (LPWAN — Low-power Wide Area Network). Сюда относят технологии для передачи небольших данных на дальние расстояния: LoRaWAN, SIGFOX, CIoT, 4G LTE, 5G, NB-IoT и некоторые другие.

Прикладные протоколы передачи данных в IoT

То есть протоколы интернета вещей различаются между собой по принципам работы и сценариям использования.

Из протоколов такого типа популярность набирает MQTT, так как он разработан специально для интернета вещей, не требует постоянного и стабильного интернет-соединения, не перегружает каналы связи.

Для выбора нужного протокола стоит ориентироваться на количество устройств, потребление ресурсов, объем передаваемых данных и расстояние, на которое их нужно передать.

На облачной платформе интернета вещей VK Cloud Solutions (бывш. MCS) реализована встроенная поддержка современных протоколов сети интернета вещей Modbus и MQTT. Кроме того, доступна возможность интегрировать любые используемые вами протоколы IoT по запросу.

Сводка часто используемых протоколов приложений Интернета вещей

Эти типы протоколов напрямую используются для связи между устройствами, а также между людьми и устройствами в беспроводной или проводной сетевой среде, и разработчики Интернета вещей будут иметь дело с этими протоколами.

Проблемное пространство подключения к Интернету вещей

Краткое введение в договор

Вышеупомянутые несколько протоколов широко используются, и каждый протокол имеет по крайней мере 10 или более реализаций кода, все утверждают, что поддерживают протоколы публикации / подписки в реальном времени IoT, но при разработке конкретной архитектуры системы IoT необходимо учитывать выбор подходящего протокол для коммуникационных требований фактического сценария.

Ниже мы подробно рассмотрим эти протоколы один за другим:

Протокол MQTT (низкая пропускная способность)

Область применения:Обеспечьте передачу данных и мониторинг удаленного оборудования на базе облачной платформы в условиях низкой пропускной способности и ненадежной сети.

Функции:

Основная реализация и применение протокола:

Протокол DDS (высокая надежность, в реальном времени)

Область применения:Распределенная высоконадежная передача данных оборудованием передачи в реальном времени. В настоящее время DDS широко используется в таких областях, как национальная оборона, гражданская авиация и промышленный контроль.

Функции:

Ориентация на данные
Используйте безагентный режим публикации / подписки, режим "точка-точка", "точка-ко-многим" и "многие-ко-многим"
Обеспечить 21 вид стратегии качества обслуживания QoS

Основная реализация соглашения:

OpenDDS - это реализация на C ++ с открытым исходным кодом.
OpenSplice DDS

Протокол AMQP (взаимодействие)

Функции:

Реализация протокола:

Реализация в Erlang - RabbitMQ.
Реализация AMQP с открытым исходным кодом, OpenAMQ написан на языке C
Apache Qpid
stormMQ

Функции:

Режим связи клиент / сервер
Распределенная сеть
Простой клиент, большая часть работы выполняется на стороне сервера
Формат данных XML, подмножество стандартного языка разметки общего назначения

Функции:

Протокол CoAP

Функции:

Основная реализация соглашения:

libcoap (реализован на языке C)
Калифорний (реализован на языке java)

Комментарии:
CoAP и 6LowPan, которые представляют собой протокол прикладного уровня и протокол уровня сетевой адаптации, соответственно. Цель состоит в том, чтобы решить проблему прямого подключения устройств к IP-сети, т. е. применение IP-технология между устройствами, Интернет и требования к связи между устройствами. Поскольку технология IPV6 обеспечивает огромное адресное пространство, она не только решает проблему идентификации большого количества устройств и ресурсов в будущем, но и приложения в Интернете могут напрямую обращаться к устройствам, поддерживающим IPV6, без необходимости в дополнительных шлюзах.

При выборе коммуникационной технологии Интернета вещей необходимо учитывать две характеристики вышеперечисленных протоколов:

Услуги публикации / подписки больше подходят для общения в среде IoT.

Качество обслуживания (QoS) - важный фактор в коммуникациях IoT.

С помощью сервисных стратегий DDS может эффективно контролировать и управлять использованием таких ресурсов, как пропускная способность сети, объем памяти, и в то же время контролировать надежность данных, производительность в реальном времени и время сохранения данных. Благодаря гибкому использованию этих сервисов Стратегии качества, DDS Не только в узкополосных беспроводных средах, но и в средах широкополосной проводной связи могут быть разработаны системы распределения данных, отвечающие требованиям реального времени.

По результатам исследования, опубликованным J`son & Partners, в зависимости от зоны охвата и некоторых других характеристик сетей для Интернета вещей, беспроводные сети делятся на персональные (PAN), городские сети (MAN), локальные (LAN) и глобальные (WAN). Для любой сети важными свойствами являются адаптивность, отказоустойчивость, возможность самоорганизации, продолжительная автономная работа и эффективность.

К протоколам, обслуживающим PAN -сети, относятся 6LoWPAN, ZigBee, Thread, BLE 4.2, Z-Wave и другие. Сети, базирующиеся на этих протоколах, характеризуются низким потреблением энергии и небольшим радиусом приема сигналов.

Протокол Z-Wave разработан специально для систем домашней автоматизации. У его истоков лежит компания Sigma Designs, которая создала и запатентовала протокол. Рабочая частота сети лежит в открытом диапазоне до 1 ГГц. Z-Wave – это mesh-сеть, конечные устройства которой способны передавать простые команды с небольшими задержками. Система является энергоэффективной, но работает на низких скоростях. Также ограничением является количество подключенных конечных устройств. Для улучшения совместимости в 2013 году протокол был дополнен – так появился протокол Z-Wave Plus.

К LAN-сетям для Интернета вещей можно отнести Wi-Fi. Сети стандарта IEEE 802.11 имеют множество достоинств, среди которых высокая скорость, повсеместная распространенность и совместимость. Но некоторые недостатки, такие как энергоемкость, помехи, уязвимость безопасности, ограничивают использование протокола в области IoT, поэтому специально для Интернет вещей был разработан новый стандарт Wi-Fi HaLow. Устройства, поддерживающие этот протокол, могут выйти уже в 2018 году. Wi-Fi HaLow увеличит дальность распространения сигнала до1000 м, будет работать на частоте 900 МГц, но уменьшит пропускную способность по сравнению с предпоследней версией протокола.

Городские и глобальные сети должны обладать не только энергоэффективностью, но и значительной дальностью приема. Обе эти задачи решают сети LPWAN. Исследователи Pyramid Research утверждают, что к 2020 году количество подключений с использованием LPWAN вырастет на 4200% по сравнению с 2015 г. и достигнет 860 млн. Перспективность технологии доказывают сети LoRaWAN, Sigfox, Weightless, "Стриж", DASH7, RPMA, ISA-100.11.a, Symphony и многие другие.

Протокол LoRaWAN был разработан компаниями Semtech и IBM Research. Он на канальном уровне модели ISO/OSI , в то время как на физическом применяется модуляция LoRa, основанная на расширении спектра. LoRa обеспечивает дальность связи до нескольких десятков километров, а автономная работа устройств может продлиться до 10 лет. Технология работает в нелицензируемом диапазоне ISM.

В Европе LPWAN-сети также развиваются, например, сеть французская сеть Sigfox. Особенность этого варианта - технология UNB (сверхузкополосная беспроводная связь). Sigfox распространилась не только в Европе, но и в Северной Америке.

Еще один крупный сегмент глобальных беспроводных сетей – это сети LPWAN, построенные на базе существующих сотовых сетей или Cellular Internet of Things. К протоколам, разработанным для этой цели, относится NB-IoT. Он позволяет подключить IoT-устройства к LTE-сетям на рабочей частоте 7-900 МГц. NB-IoT имеет все преимущества LPWAN, в частности, низкое потребление энергии, большую область покрытия, улучшенную проникающую способность в городе и возможность подключить множество конечных устройств.

Развитием технологий CIoT занимаются корпорации Huawei Technologies, Qualcomm, Nokia Networks, Intel, Ericsson, Samsung и многие другие. Присоединились к ним и операторы Vodafone, TeliaSonera ,T-Mobile, China Unicom. Кроме протокола NB-IoT, к CIoT относятся LTE-M, EC-GSM, NB LTE-M. Больших возможностей технологии CIoT ожидают от 5G-сетей, которые смогут подключить и мобильные гаджеты, и Smart Things. В то же время до сих пор в качестве беспроводных М2М-соединений используются GSM и GPRS, например, в системах учета электроэнергии.

Стэн Шнайдер (Stan Schneider), технический эксперт

Интернет полностью изменил способы коммуникаций и совместной работы людей. Он ознаменовал собой начало новой эры свободной информации для каждого, трансформируя жизнь до такой степени, которую трудно было вообразить раньше. Однако следующий этап развития Интернета связан не с людьми. Он касается интеллектуальных устройств с возможностью установления между ними связи.

Сегодня Интернет обеспечивает соединение веб-сайтов и рабочих станций. В настоящее время в нём насчитывается гигантское количество сайтов – почти миллиард, что оказывает сильное влияние на все стороны нашей жизни (рис. 1).

Рис. 1. В последнее время отмечается резкое увеличение числа устройств с выходом в сеть

С пугающей скоростью – всего за несколько лет – мобильная революция обеспечила сотовыми телефонами бóльшую часть населения мира. Имея в своем распоряжении более 5 миллиардов смартфонов, большинство людей уже имеет или вскоре получит мобильный доступ к сети.

Где же все эти устройства? Да среди нас. Они часть нашей повседневной жизни. В реальности вы владеете многими из них! В новейших автомобилях применяется более 100 процессоров. Интеллектуальные устройства проникают в промышленные комплексы, больницы, дома, транспортные системы и другие сферы жизни. Сегодня эти системы связаны пока не сильно, но такое положение вещей быстро меняется.

Обзор протоколов

MQTT: протокол для сбора данных устройств и передачи их серверам (D2S);
XMPP: протокол для соединения устройств с людьми, частный случай D2S-схемы, когда люди соединяются с серверами;
DDS: быстрая шина для интегрирования интеллектуальных устройств (D2D);
AMQP: система организация очередей для соединения серверов между собой (S2S).

Протокол MQTT (Message Queue Telemetry Transport) обслуживает сбор данных с устройств (рис. 3). Как следует из названия этого протокола, основное его назначение – телеметрия, или дистанционный мониторинг. Его задача состоит в сборе данных от множества устройств и передача этих данных в IT-инфраструктуру. Он предназначен для крупных сетей небольших устройств, которыми нужно управлять из облачной сети.

Рис. 3. Протокол MQTT реализует систему на основе звездообразной сети

Для MQTT обычно используется архитектура звездообразной сети. Все устройства подключены к серверу концентратора данных, подобно новому решению MessageSight от IBM. Поскольку терять данные совсем не желательно, этот протокол работает поверх TCP, что обеспечивает простой и надёжный поток данных. В связи с тем, что эти данные использует IT-инфраструктура, вся система предназначена для простой передачи данных в системы предприятий и компаний, например такие, как ActiveMQ и сервисные шины предприятия (enterprise service buses – ESB).

Протокол MQTT обеспечивает такие приложения, как мониторинг утечек и контроль за возможной умышленной порчей нефтепроводной сети. Тысячи датчиков такой системы должны быть сосредоточены в одном месте для анализа. Когда в такой системе возникает какая-либо проблема, имеется возможность предпринять действия для коррекции этой проблемы. Другими приложениями для MQTT могут быть контроль потребления энергии, управление светом и даже интеллектуальное садоводство.

Этот протокол участвует в сборе данных от множества источников и делает их доступными для IT-инфраструктуры.

Рис. 5. Протокол DDS реализует архитектуру публикации и подписки

Для использования данных от устройств звездообразная сеть совершенно не годится. Вместо этого DDS реализует прямую шинную связь между устройствами на базе реляционной модели данных. В компании RTI её называют шиной данных (DataBus), поскольку это сетевой аналог базы данных (database).

Подобно тому, как база данных управляет доступом к хранимым данным, шина данных управляет доступом к данным и обновлениями одновременно многими пользователями. Это именно то, что нужно высокопроизводительным устройствам, чтобы они работали вместе, как единая система.

Высокопроизводительные системы интегрированных устройств используют протокол DDS. Это единственная технология, которая обеспечивает гибкость, надёжность и скорость, необходимые для построения сложных приложений реального времени. Эти приложения включают в себя военные системы, ветроэлектростанции, интегрированные системы больниц, системы диагностической визуализации, системы сопровождения ресурсов и автомобильные системы испытаний и обеспечения безопасности. Протокол DDS с высокой скоростью соединяет устройства внутри работающей распределённой системы.

Рассмотрим, например, такой показатель, как надёжность. Большинство протоколов работает поверх TCP, что обеспечивает простой уровень надёжности. Каждый байт, попадающий в коммуникационный канал, должен быть доставлен получателю, даже если понадобится выполнить множество попыток. Это реализуется просто и чаще всего без проблем, но не позволяет управлять синхронизацией. В случае медленного абонента одноканальный TCP-трафик дублируется.

Пожалуй, ключевые особенности протоколов зависят от их предполагаемого применения. Использование данных между устройствами в корне отличается от сбора данных на устройстве. Например, включение освещения (в этом случае оптимальным вариантом является XMPP) совершенно отличается от генерирования энергии (DDS), мониторинга линий передачи (MQTT) или анализа потребления энергии в центре обработки данных (AMQP).

Читайте также: