物联网协议

物联网是什么意思?其主要取决于您在供应链中所处的位置。许多人都尝试对物联网进行定义,且不同的行业需求与安排都会丰富其定义。若您是软件或硬件工程师,您可能了解其本质特征:建立互连的产品。嵌入式系统在物联网的发展过程中发挥了重要的作用。本文中我们会介绍现有网络与支持物联网发展的新协议。介绍新协议之前,我们先进行定义。因为终端设备任务会执行协议使用的大部分要求。

工业对比消费者物联网

工业与消费者物联网设备对软件的要求有很大的不同。虽然两者可能共享同一个核心与低端服务器,但是设备要求的中间件是完全不同的。


工业物联网,如WSN网络节点表示一个工业物联网设备的软件栈,例如无线传感器(WSN)。这是一种低功耗低成本的设备,可完全采用电池供电。这种设备一般使用32b

处理器。也可使用8b或16b处理器,但是通信栈必须运行于扩展模块。其将使用高效的网络协议,如6LoWPAN,降低传输时间、节省电力。也能使用蓝牙进行短程无线通信。作为一种边缘节点,我们需要将数据从无线网络中传输到IP网络(局域网或公共网络),其需要使用低功耗WiFi或以太网。 

设备软件要求很高。可能需要Java VM。也可能需要使用纵向市场协议。但是从纵向市场协议(应用协议)角度看,消费者物联网是非常分散的。许多公司提出了所有人方案。例如家用消费市场:

  •  苹果公司由 MFI (专为设备设计)

  •  谷歌 (Nest) 有 Thread

  •  Samsung(三星)、Intel(因特尔)、Dell(戴尔)、Atmel (爱特梅尔)与 Broadcom(博通) 一起加入了开放式互联联盟

    (OIC)

  •    AllSeen Alliance (以前叫 AllJoyn) 已经提出在很多年前提出一个标准。主要会员为

    Haier, LG, Microsoft, Panasonic, Qualcomm, Sharp, Silicon Image, Technicolor 与 TP-Link。 

还有一些与电力线通信类似的其它实例:HomePlug 与 HomeGrid
在医疗纵向市场上,像Continua Alliance、IHE 或IEEE等机构都提出了一些标准。

这些协议不是由Micrium提供。设备制造商要求其产品与消费者物联网协议相兼容,需向这些机构登记,然后再将这些协议集成到产品应用上。

在工业物联网领域,自发性的市场较少。有一个主要的协会叫作IIC, AT&T、Cisco、GE、 Intel 与IBM 都是其创建成员。除了IIC,物联网 设备与系统发展几乎是专有的。这就是为什么嵌入式系统工程师必须学习网络与网络协议知识。

网络协议(IP)

IP技术是物联网应用基础。IP 具有系统互操作性能。今天看来这些并不是重要特征,但是在物联网发展过程中,系统互操作性发挥着很重要的作用。以太网/Wi-Fi 与6LoWPAN 都必须使用 IPv4 与 IPv6。

物联网使用的IP协议

使用现有的网络技术可以建立物联网系统,但是效率比新协议低。HTTP(S) 与 Websockets 是通用标准, 以及XML 或JSON。使用标准网络浏览器(HTTP客户)时,JSON为网页工程师提供了一个抽象层,创建一个网络应用,保持HTTP连接打开使双工连接至网络服务器(HTTP服务器)。

HTTP

HTTP是网络应用的客户服务器模型基础。将HTTP植入物联网设备最安全的方式是使用终端,而不是服务器。换言之,物联网设备可以发起与网络服务器的连接,但是不能接受连接请求,这种方式是比较安全的。毕竟我们不想让外部设备访问物联网设备的局域网络。

WebSocket

WebSocket是一种协议,提供单个TCP连接的全双工通信,这样信息可以在终端与服务器之间传输。其为HTML 5规范的一部分。WebSocket 标准极大地简化了双向网络连接与连接管理的复杂度。若是物联网设备可以承受HTTP载荷,则联合使用Websockets与HTTP是一个很好的方法。

XMPP

XMPP (可扩展通信和表示协议) 是将现有网络技术新应用于物联网领域的成功案例。

XMPP 起源于即时通讯与状态资讯,现在已扩展到音频与视频通话、协作、轻量型中间件、内容整合与XML资料通用路由。这对洗衣机、烘干机与冰箱等家用电器的大型管理系统是一个冲击。

XMPP 优点是定址法、安全性与可扩展性。 这是一个完美的消费者导向性物联网设备

HTTP、Websocket与 XMPP 都是一些应用于物联网的技术实例。也有一些人员正在积极研究我们面临的物联网新挑战。

IoT 专用协议

许多物联网专家认为IoT设备是约束系统,因为其认为物联网设备成本较低、使用最小的MCU,仍能运行通信栈。 

当前很多全球标准化组织都将调整网络适应物联网作为优先选择。 

若是你的系统不需要TCP特征,而使用UDP特征运行,则除去整个TCP模块可以有效地减少产品内码内存大小。这就是6LoWPAN(用于WSN)与CoAP(轻量级互联网协议)使得物联网可以普遍使用的原因。

CoAP

虽然物联网设备可以使用现有的网络基础设施,但是对于大部分物联网应用来讲,设施太重。2013年7月IETF发布了约束应用协议(CoAP),用于低功耗与有损耗(约束)节点与网络(LLNs)。与HTTP一样,CoAP是一种 RESTful 协议。

CoAP 与HTTP是相匹配的,甚至还能与HTTP一对一映射。使用少量闪存与RAM的小型微控制器约束网络设备,对局域网络的限制,如6LoWPAN,是通过高的误包率与低的吞吐量实现(每秒几千比特)。CoAP 协议非常适合电池供电或电力采集设备。

CoAP特征: CoAP 使用 UDP

 因为 CoAP 使用 UDP, 所以一些 TCP功能可以直接复制到CoAP。例如, CoAP 可以识别确定性资料与非确定性信息。

  •  异步交换CoAP请求与响应信息(不像HTTP中使用现有的TCP连接)。

  •  所有的头文件、方法与状态码都采用二进制编码,可以降低协议开销。但是其要求协议分析仪必须解决网络问题。

  •  与HTTP不一样,CoAP响应缓存性能不取决于请求方法,而取决于响应码。

    CoAP完全能够满足极轻型协议与永久连接要求。其语义上与HTTP非常相通,就是RESTful(资源,资源标识,能通过应用程序界面(API)操纵这些资源)。若您具有网络基础,则使用CoAP非常方便。

    MQTT

    MQ 遥测传输(MQTT) 协议是一种源码开放协议,专为约束设备、低频宽、高时延或不可靠网络研发。这是一种极其轻量型发布/订阅信息传输方式,非常适合连接小型设备与最小带宽网络。MQTT 使用TCP协议,具有带宽有效、数据无关与可连续进行会话识别等特点。用于最小化设备所需资源,同时确保稳定性,并能保证一定的传输服务等级。

    MQTT 定位于小型设备的大型网络,需要使用网络后端服务器进行监测或控制。其并不是为设备与设备传输设计。也不是为多路传播数据至接收器而设计。MQTT 简单实用,控制选择较少。使用MQTT的应用反应较慢,与此装置对应的“实时”一般以秒计算。

    各种物联网协议对比分析

    Cisco 是互联网的领先提供者;其IP设备遍布全球。Cisco 现在正积极参与到物联网的发展中。其预见了物体连接的可能,从环境中获取数据,再将数据进行处理,从而改善我们的生活水平。

    这些因特网——具体物联网协议发展已经满足了设备要求:少量

    存储、低带宽网络与高时延。

    HTTP是物联网设备使用的一种重型协议。其具有大量的信息,因为其是以可读格式进行发送的。对于物联网设备而言,负载大小是一种约束。大部分设备只需一个较轻型协议就可以进行发送和接收指令。MQTT 就是一种较轻型协议,可以解决上述问题。MQTT并不是 IETF 标准,而是由IBM 与Eclipse foundation提供。

    结论

    英文短语“物联网”中包含网络这个单词。某些公司将其设备杜撰为物联网设备,而实际上却没有使用网络协议。我们应该正视这个问题。现在物联网是一个非常流行的术语,每个制造商都想抓住这一机会获得媒体关注度。

    网络协议是一种载体;其与今天物联网使用的许多协议一样,可以进行封装。很多行业权威呼吁协议标准化。但是如果网络有大量的协议,为什么物联网就不能有同样多的协议?您可以选择符合要求的协议。唯一的差别是物联网协议仍然是一个极其年轻的协议,还需实践来证明其可靠性。请记住:当网络成为现实的时候,IP version4就可使其成为可能。我们正在努力地研究IP version 6,物联网是一个杀手级应用,通信运营商正等着判断所需的投资。

    每个物联网协议的定位仍面临同样的问题。除了HTTP协议之外,其它所有的协议都被定位为实时、发布—订阅物联网协议,支持成千上万的设备。根据您对“实时”(秒、毫秒或微秒)与“物”(WSN节点、多媒体装置、个人穿戴设备、医用扫描仪、电机控制等)定义的不同,产品协议选择至关重要。从根本上讲,这些协议迥然不同。

    其已经超出了硬件与软件的设计范畴,而是物联网数据系统的设计。我们需要将数据与应用分开,以便于研究新应用,甚至包括一些目前无法想象的应用。对于常见的嵌入式系统工程师来讲,具体从数据与系统角度考虑,产生全新的思路。秘诀在于数据之中。在嵌入式系统设计时,我们非常熟悉如何架构设备、局域网与网关。嵌入式工程师非常了解处理器、传感器、无线连接、网关、IP网络与安全等所有要素。

    嵌入式应用面临的新挑战是如何利用云计算获取数据的本质特征。为了研究嵌入式系统数据,必须使用某些类型的云计算,私人的、外包的或公共的。这是嵌入式应用的新模型。

    人们正在积极开展嵌入式系统硬件技术、软件技术、基础设施与云计算研究,为物联网的应用奠定基础。为获得正真的成功,并在2020年完成五百亿台设备指标,我们需要同样的开放标准、研发与合作,支持人联网的形成。IPSO Alliance 正在推广IP标准,并用其建立了产品工程师需要的参考架构。

    嵌入式系统物联网是一次全新的工业革命。嵌入式行业的发展潜力是巨大的。为挖掘这种潜能,嵌入式行业需要采用全新的物联网。我们现在知道了如何去做。我们现在可能还没有未来物联网系统每个部件的定义与标准,如配置简便性或远程固件安全更新。但是这并不会阻碍我们建立一个为客户创造价值系统的脚步。 







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