Protokoły sieci Internetu Rzeczy

Ekosystem IoT

Ekosystem IoT zazwyczaj składa się z węzłów, danych, łączności i warstwy aplikacji. Warstwa węzłów to koalicja inteligentnych urządzeń, takich jak mikrokontrolery, mikroprocesory, czujniki, siłowniki, łączność i bramy współdziałające z siecią. Warstwa danych dotyczy danych gromadzonych, przetwarzanych, wysyłanych, przechowywanych, analizowanych, prezentowanych i wykorzystywanych w kontekstach biznesowych. Warstwa aplikacji lub użytkownika to składnik, który umożliwia ludziom interakcję z urządzeniami IoT. Omówimy warstwę łączności, czyli komunikację i protokoły IoT. Aby uzyskać więcej informacji na temat produktów IoT, kliknij tutaj.

 

Rysunek 1: Sieć protokołów w ekosystemie IoT

Typy protokołów IoT

Ze względu na nieodłączną zdolność adaptacyjną i niezawodność protokołu internetowego (IP) jest on akceptowalnym medium dla proceduralnej transmisji między modułami IoT. Architektura systemu (przez którą muszą podróżować dane) określa typ protokołu IoT. Model Open Systems Interconnection (OSI) dostarcza mapę różnych warstw, które wysyłają i akceptują dane. Każdy protokół w architekturze systemu IoT umożliwia komunikację typu urządzenie-urządzenie, urządzenie-bramka, bramka-centrum danych, bramka-chmura oraz komunikację między centrami danych. Rysunek 2 przedstawia stos protokołów IoT.

 

Rysunek 2: Stos protokołów IoT

Oto kilka kluczowych protokołów IoT używanych w różnych warstwach sieci IoT

Zaawansowany protokół kolejkowania wiadomości (AMQP)

AMQP to protokół warstwy aplikacji (oprogramowania), który oferuje trasy i kolejkowanie dla środowiska oprogramowania pośredniego zorientowanego na komunikaty. Służy do niezawodnych połączeń punkt-punkt i obsługuje bezproblemową i bezpieczną wymianę danych między urządzeniami a chmurą. AMQP ma trzy różne składniki, a mianowicie Exchange, Message Queue i Binding. Te trzy elementy zapewniają niezawodną, skuteczną wymianę i przechowywanie wiadomości. Oznaczają również związek między dwoma wiadomościami. Aby uzyskać dodatkowe informacje na temat AMQP, kliknij tutaj.

Ograniczony protokół aplikacji (CoAP)

CoAP to protokół sieciowy o ograniczonej przepustowości i ograniczonej przepustowości dla ograniczonych gadżetów. Protokół ten umożliwia klientowi wysłanie żądania do serwera, a serwer wysyła odpowiedź HTTP z powrotem do klienta. Wykorzystuje protokół User Datagram Protocol (UDP) do lekkiej implementacji i minimalizuje wykorzystanie miejsca. Protokół wykorzystuje binarny format danych EXL. Protokół CoAP jest używany głównie w automatyce, mikrokontrolerach i telefonach komórkowych. Protokół wysyła żądanie do punktu końcowego aplikacji strony głównej i zwraca odpowiedź aplikacji do usług i zasobów. Aby dowiedzieć się więcej o CoAP, kliknij tutaj.

Usługa dystrybucji danych (DDS)

DDS to elastyczny protokół komunikacji peer-to-peer. Robi wszystko, od uruchamiania małych urządzeń do łączenia wysokowydajnych sieci. DDS usprawnia wdrażanie, zwiększa niezawodność i minimalizuje złożoność.

Transport telemetrii kolejki wiadomości (MQTT)

MQTT, znany również jako protokół subskrypcji/publikacji, to lekki protokół przesyłania wiadomości i najbardziej preferowany protokół dla urządzeń IoT. Zbiera dane z różnych urządzeń i nadzoruje zdalne urządzenia. Działa w oparciu o protokół kontroli transmisji (TCP) i obsługuje wymianę komunikatów sterowaną zdarzeniami przez sieci bezprzewodowe. MQTT jest używany głównie w urządzeniach, które wymagają mniej energii i pamięci. Na przykład czujniki samochodowe i smartwatche. Aby dowiedzieć się więcej o MQTT, kliknij tutaj.

Protokół komunikacji maszyna-maszyna (M2M)

Odnosi się do otwartego protokołu branżowego. M2M został stworzony do zdalnego zarządzania urządzeniami IoT. Te efektywne kosztowo protokoły wykorzystują sieci publiczne. M2M tworzy środowisko, w którym dwie maszyny komunikują się ze sobą i wymieniają dane. Taki protokół wzmacnia maszyny do samodzielnego monitorowania i umożliwia systemom dostosowanie się do zmieniającego się środowiska. Jest używany głównie w inteligentnych domach, pojazdach i bankomatach. Aby dowiedzieć się więcej o komunikacji M2M, kliknij tutaj.

Rozszerzalny protokół przesyłania wiadomości i obecności (XMPP)/Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP)

XMPP ma unikalną konstrukcję Został opracowany przy użyciu otwartego XML (Extensible Markup Language) /Rozszerzalny język znaczników/ Wykorzystuje mechanizm wypychania do wymiany komunikatów synchronicznych. Elastyczny XMPP może bezproblemowo zintegrować się z dowolnymi zmianami. XMPP działa jako wskaźnik obecności. Wyświetla stan dostępności serwerów.

Oprócz WhatsApp, Google Talk i innych aplikacji do obsługi wiadomości błyskawicznych, XMPP znajduje również zastosowanie w grach online, protokołach Voice over Internet Protocol (VoIP) i stronach z wiadomościami. Aby dowiedzieć się więcej o XMPP, kliknij tutaj.

Bluetooth

Bluetooth jest szeroko stosowany w komunikacji krótkiego zasięgu i jest standardowym protokołem IoT do bezprzewodowej transmisji danych. Jego energooszczędna wersja to Bluetooth Low Energy (BLE). Najnowsza wersja, BLE 5.0, obsługuje aplikacje o niskiej szybkości transmisji danych i rozszerzony zasięg do 150 metrów. Funkcje takie jak sygnalizacja świetlna i usługi lokalizacyjne pomogły we wdrożeniu go w wielu zastosowaniach związanych z fitnessem i motoryzacją. Może obsługiwać topologię gwiazdy. Najnowsze wersje obsługują topologię siatki, rozciągając sieć przy użyciu sieci wielu do licznych urządzeń odpowiednich do zastosowań automatyki domowej.

ZigBee

ZigBee wykorzystuje warstwę fizyczną i łącza w standardzie IEEE 802.15.4, działając w paśmie ISM 2,4 GHz i zapewnia zasięg do 300 stóp. Obsługuje topologię siatki W związku z tym sieć może być rozciągnięta na większą odległość przy użyciu operacji multi-hop. Protokół jest wysoce interoperacyjny i obejmuje standardowe biblioteki modeli danych, bezpieczeństwa i procedur zarządzania siecią. ZigBee ma niskie zużycie energii, wykrywanie węzłów, wykrywanie zduplikowanych pakietów, wykrywanie tras, tryb uśpienia i niezawodność. Jest szeroko stosowany w aplikacjach inteligentnego domu i automatyki budynkowej.

Z-Wave

Z-Wave to technologia bezprzewodowa o niskim poborze mocy przeznaczona do zastosowań automatyki domowej IoT. Oferuje niską latencję i niezawodną komunikację małych pakietów danych z szybkością transmisji do 100 kbit/s. Obsługuje topologię siatki z maksymalnie 232 węzłami w jednej sieci. Działa na 868 MHz w regionie Europy i 915 MHz w Ameryce Północnej i Australii, zapewniając szybkość 100 Kb/s. Aby dowiedzieć się więcej o Z-Wave, kliknij tutaj.

6LowPAN

IPv6 Low-power - Bezprzewodowa sieć osobista o niskim poborze mocy IPv6 (6LowPAN) to technologia oparta na protokole internetowym. Jest to protokół sieciowy, który definiuje mechanizmy enkapsulacji i kompresji nagłówków. Zapewnia swobodę pasma częstotliwości i warstwy fizycznej, a także może być używany na wielu platformach komunikacyjnych, w tym Ethernet, WiFi, 802.15.4 i ISM poniżej 1 GHz. Został opracowany do wysyłania pakietów IPv6 przez sieci oparte na IEEE802.15.4 i implementuje wiele otwartych standardów IP, w tym TCP, gniazda internetowe, UDP, HTTP, COAP i MQTT. Standard zapewnia węzły adresowalne typu end-to-end, umożliwiając routerowi połączenie sieci z adresem IP. 6LowPAN to solidna, samonaprawiająca się i skalowalna sieć mesh.

Protokół sieciowy Thread

Pasmo Thread, oparty na różnych standardach, w tym IEEE802.15.4, IPv6 i 6LoWPAN, jest nowym protokołem sieciowym IPv6 opartym na IP, skierowanym do środowiska automatyki domowej. Przede wszystkim uzupełnia WiFi i oferuje odporne rozwiązanie oparte na protokole IP dla IoT. Thread wzmacnia sieć kratową wykorzystującą nadajniki-odbiorniki radiowe IEEE802.15.4. Zarządza maksymalnie 250 węzłami z wysokimi poziomami uwierzytelniania i szyfrowania.

Wi-fi

WiFi to protokół komunikacji bezprzewodowej. Wi-Fi wykorzystuje topologię sieci gwiazdy, a punkt dostępu może służyć jako bramka do Internetu. Do każdego punktu dostępowego można podłączyć maksymalnie 250 urządzeń, a większość dostępnych na rynku rozwiązań obsługuje do 50 urządzeń. 802.11-b/g/n działa w paśmie 2,4 GHZ i zapewnia szybkość transmisji danych 150-200 Mb/s w środowisku domowym lub biurowym, zwykle w zasięgu 50 metrów. Najnowszy standard 802.11-ac działa na częstotliwości 5 GHz i zapewnia szybkość transmisji danych 500 Mb/s-1 Gb/s.

Technologia komórkowa

Wiele aplikacji IoT wykorzystuje do transmisji danych istniejące sieci komórkowe, takie jak 3G, 4G LTE i 5G. 3G wykorzystuje 2100 MHz i oferuje szybkość transmisji danych 384 Kb/s - 10 Mb/s, a 4G LTE zapewnia wysoką szybkość transmisji danych od 3 Mb/s do 10 Mb/s przy 2700 MHz. Nie nadają się do większości aplikacji IoT ze względu na wysokie zużycie energii i wysokie koszty wdrożenia Cat-M1 i NB-IOT zostały wprowadzone w ramach projektu partnerskiego trzeciej generacji (3GPP) w celu zaadaptowania do istniejących sieci 4G LTE do komunikacji IoT i M2M. 5G, o większej przepustowości niż jakakolwiek sieć 4G, jest rozwijane w celu zwiększenia liczby użytkowników mobilnych usług szerokopasmowych i obsługuje komunikację między urządzeniami. Aby to zrobić, do sieci 5G stosowane są różne techniki, takie jak masowe, wielokrotne wejście i wiele wyjść (MIMO), komunikacja w trybie pełnego dupleksu, sieci heterogeniczne (HetNet), fale milimetrowe (mmWave) i wycinanie sieci. Całe usługi sieci 5G można podzielić na trzy różne kategorie zgodnie z Międzynarodowym Związkiem Telekomunikacyjnym (ITU): ulepszony mobilny dostęp szerokopasmowy (eMBB), masowa komunikacja maszynowa (mMTC) oraz ultra niezawodna komunikacja o niskim opóźnieniu (uRLLC).

NFC

Near Field Communication (NFC) to protokół komunikacji radiowej o bardzo krótkim zasięgu. Wykorzystuje standard ISO/IEC 18000-3 i pasmo częstotliwości ISM 13,56 MHz. Zapewnia szybkość transmisji danych 100-420 Kb/s i zasięg do 20 cm Niektóre urządzenia NFC mogą odczytywać (zgodne z ISO 15693) pasywne znaczniki RFID o wysokiej częstotliwości, które również działają na częstotliwości 13,56 MHz. NFC zapewnia komunikację w trybie pełnego dupleksu w zakresie wykrywania z metalowych i niemetalicznych podłoży. Służy do płatności zbliżeniowych, szybkiej synchronizacji i aplikacji dostępu do treści cyfrowych.

Sigfox

Sigfox to prywatny dostawca sieci podobny do dostawców telefonii lub usług komórkowych, koncentrujący się na obsłudze klientów w IoT. Wykorzystuje pasma ISM poniżej GHz (868 do 869 MHz lub 902 do 928 MHz) i obsługuje duży zasięg (do 50 km) przy użyciu topologii gwiazdy. Chociaż komunikacja Sigfox jest dwukierunkowa, ładunek ze stacji bazowej do węzła jest niewielki. Jest używany do teledetekcji, gdzie niewielkie ilości danych muszą być przesyłane sporadycznie przy wysokich wymaganiach dotyczących żywotności baterii. Aby dowiedzieć się więcej o Sigfox, kliknij tutaj.

LoRaWAN

LoRaWAN to protokół komunikacji bezprzewodowej sieci WAN małej mocy w zakresie częstotliwości sub-GHz (433/868/915 MHz). Ma typową szybkość transmisji danych 0,3-50 Kbps i może pokryć zasięg do 15 km. Większa odległość jest osiągana przez dynamiczne zmniejszanie szybkości danych. Został zaprojektowany, aby zapewnić niską moc, tanią, bezpieczną i pełno dupleksową komunikację w aplikacjach IoT, M2M, Smart City i aplikacjach przemysłowych Aby dowiedzieć się więcej o LoRaWAN, kliknij tutaj.