Протоколы интернета вещей: как обмениваются данными IoT-устройства, серверы и пользовательские приложения
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.
| Уровень модели OSI | Функции |
| Уровень приложений (Application) | Передача данных от устройств к пользователям. Примеры протоколов: MQTT, DDS, WebSocket, AMQP, DTLS, Eddystone, HTTP, iBeacon, CoAP, PJON, STOMP, XMPP. |
| Уровень представления (Presentation) | Представление и шифрование данных. |
| Сеансовый уровень (Session) | Управление сеансом связи. |
| Уровень транспортировки (Transport) | Обмен данными между различными архитектурными уровнями. Примеры протоколов: TCP, UDP. |
| Сетевой уровень (Network) | Определение маршрута и логическая адресация. Примеры протоколов: IPv6, IPv4, 6LoWPAN. |
| Канальный уровень (Data link) | Физическая адресация. Примеры протоколов: IEEE 802.22, LPWAN. |
| Физический уровень (Physical) | Работа со средой передачи. Bluetooth, Ethernet, LTE, NFC, RFID, Wi-Fi. |
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
При построении IoT-систем могут использоваться специфичные протоколы: MQTT, AMQP, CoAP, DDS, XMPP, JMS и другие, а также стандартные для обычного интернета протоколы, например HTTP. Выбор протокола зависит от решаемой задачи.
Так, на маломощных устройствах используют протоколы, которые позволяют отправлять данные с минимальными энергозатратами, такие как MQTT. Если нужна двусторонняя коммуникация с устройствами, лучше подходят протоколы, позволяющие оборудованию обмениваться сообщениями в режиме реального времени, один из них — DDS.
То есть протоколы интернета вещей различаются между собой по принципам работы и сценариям использования.
Как мы уже говорили, DDS применяют для систем реального времени, это базовая модель для реализации интернета вещей, принцип работы построен на обмене сообщениями напрямую, а не через сервер-брокер.
Протоколы MQTT, XMPP, AMQP и JMS работают по другому принципу. В основе лежит идея переноса ресурсозатратной части системы на один элемент с большим количеством ресурсов. То есть сообщения передаются не напрямую, а через сервер-брокер, который берет на себя всю обработку сообщений. Его можно развернуть на сервере в дата-центре или в облаке.
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.
Еще один популярный протокол — Modbus. Он поддерживается почти всеми производителями промышленного оборудования. Используют такой протокол для мониторинга, сбора данных с датчиков, управления контроллерам. Принцип работы основан на концепции «ведущий-ведомый». Обычно в сети есть только одно ведущее устройство, которое передает запросы другим — подчиненным — устройствам.
Протокол CoAP — аналог HTTP, но предназначен специально для IoT-оборудования. Принцип работы простой: он ориентирован на взаимодействие точка-точка (клиент-сервер). Клиент обращается к серверу и посылает ему простые команды, как это происходит и в HTTP.
Для выбора нужного протокола стоит ориентироваться на количество устройств, потребление ресурсов, объем передаваемых данных и расстояние, на которое их нужно передать.
