Введение в протоколы Интернета вещей (IoT)

1、 Протоколы физического соединения определяют методы физического соединения, средства передачи данных и спецификации интерфейсов между устройствами, которые в основном делятся на беспроводные и проводные (например, RJ45, RS485, RS232, USB). Эти протоколы аналогичны выбору способа доставки почты между людьми - по земле или по воздуху.

2、 Протоколы передачи: Эти протоколы в основном управляют сетевым взаимодействием устройств и связью внутри подсетей, включая Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC (Near Field Communication), LoRa/LoRaWAN, NB-IoT, Zigbee, 6LoWPAN (IPv6 Low-Speed Wireless Protocol), GSM, GPRS, GPS, Bluetooth, 3G, 4G и 5G. Они определяют методы передачи данных между устройствами, обеспечивая безопасность и надежность на уровне сети. Подобно человеческому общению, протоколы передачи облегчают обмен информацией по различным каналам, таким как традиционная бумажная почта, телефон, телеграф, электронная почта и WeChat.

3. Коммуникационные протоколы: В основном работают на основе традиционных сетевых протоколов TCP/IP (протоколы прикладного уровня) и определяют форматы сообщений для обмена данными и связи между устройствами по сети. К распространенным коммуникационным протоколам IoT относятся MQTT, CoAP и Modbus, которые можно разделить на протоколы общего назначения и отраслевые протоколы. По сути, коммуникационные протоколы служат организационной основой и грамматическими стандартами для обмена информацией между людьми, позволяя передавать данные в различных форматах, таких как китайский, английский, русский, мандаринский/диалекты, графические символы, аудио и видео.

На диаграмме ниже представлена более подробная классификация иерархии протоколов в Интернете вещей (IoT).

Стремительное развитие Интернета вещей (IoT) привело к появлению различных коммуникационных протоколов, каждый из которых уникальным образом разработан и оптимизирован для различных сценариев применения и требований. Ниже приведен подробный анализ нескольких широко используемых коммуникационных протоколов:

1. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) - это легкий протокол обмена сообщениями на основе публикации/подписки, предназначенный для связи устройств в условиях низкой пропускной способности, высокой задержки или нестабильной сетевой среды. Он обеспечивает эффективную доставку сообщений в реальном времени, позволяя клиентам выборочно получать обновления данных по определенным темам, поддерживая при этом уровни QoS (Quality of Service) для обеспечения надежной передачи. В качестве промежуточного программного обеспечения серверы MQTT (известные как брокеры) устраняют необходимость в прямых соединениях устройств "точка-точка", упрощая сложность архитектуры системы.

2. CoAP (Constrained Application Protocol) - протокол прикладного уровня, разработанный для IoT-устройств с ограниченными ресурсами и построенный на базе UDP. Он эмулирует модель RESTful взаимодействия HTTP, но имеет более упрощенную конструкцию, что делает его идеальным для сенсорных сетей с низким энергопотреблением и малым объемом памяти. CoAP использует механизм запросов-ответов без сохранения постоянных соединений, хотя при необходимости может использовать шаблон наблюдателя для потоковой передачи данных в реальном времени.

3. Modbus Протокол Modbus, разработанный компанией Modicon (ныне часть Schneider Electric) в 1979 году, является стандартом связи для электронных контроллеров. Являясь открытым и широко распространенным промышленным протоколом, он поддерживает различные устройства автоматизации, включая ПЛК (программируемые логические контроллеры), датчики и исполнительные механизмы. С развитием Интернета вещей (IoT) Modbus получает все большее распространение в устройствах IoT благодаря своим эффективным возможностям сетевой связи, позволяющим выполнять такие задачи, как сбор данных, мониторинг состояния и дистанционное управление.

4、REST/HTTP

В сценариях IoT традиционный протокол HTTP, интегрированный с архитектурой REST (Representational State Transfer), обеспечивает простой в реализации и широко распространенный метод вызова сервисов. Хотя HTTP, возможно, не превосходит MQTT и CoAP по энергопотреблению и эффективности использования полосы пропускания, широкая совместимость и развитая экосистема делают его ключевым игроком в облачных интерфейсах и управлении устройствами.