淺談物聯(lián)網(wǎng)分組數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

糜 雷

在社會(huì)時(shí)代飛速發(fā)展的趨勢(shì)下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也在不斷地突破向前。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的今天，很多領(lǐng)域已經(jīng)和互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，形成了先進(jìn)的行業(yè)技術(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸進(jìn)入了我們的生活，對(duì)我們的生活方式有了很大的改變。筆者嘗試對(duì)接入層傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)模型和接入層傳輸信道的使用方法及內(nèi)層傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了一個(gè)探索，希望能夠?qū)ξ磥?lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展盡一些綿薄之力。

引言：物聯(lián)網(wǎng)最早出現(xiàn)是在一九九九年，美國(guó)的麻省理工學(xué)院首次提出了物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)名詞。而我們一般所說(shuō)的“物聯(lián)網(wǎng)”其實(shí)是有兩層含義的——廣義的定義和狹義的定義。首先來(lái)說(shuō)廣義的“物聯(lián)網(wǎng)”，它指的就是信息所構(gòu)建的空間與物理空間相融合后產(chǎn)生的結(jié)果，廣義的物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)就是我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N實(shí)物之間的信息化、數(shù)字化，在人的互相交往之中、人與生活中的物品的互動(dòng)之中、物品與物品的關(guān)系之中都可以實(shí)現(xiàn)信息的交流；而狹義的“物聯(lián)網(wǎng)”指的就是一定范圍內(nèi)部的物與物之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，這里面所包含的是生活或者生產(chǎn)中物品與物品之間的關(guān)系或一些信息化的設(shè)備與生產(chǎn)生活物品之間的聯(lián)系。為了能夠提高物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的效率，現(xiàn)在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)主要有兩個(gè)：互聯(lián)網(wǎng)和各種專用網(wǎng)。但是，因?yàn)檫€沒(méi)有在物聯(lián)網(wǎng)界達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議，因此物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的分組數(shù)據(jù)的傳輸還是比較割裂和分散的，這也對(duì)未來(lái)各種數(shù)據(jù)的交流與共享的以及未來(lái)與互聯(lián)網(wǎng)的融合也因此會(huì)受到阻礙，因此對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的傳輸協(xié)議進(jìn)行深入的探討也是非常有必要的。

1.現(xiàn)有傳輸協(xié)議的分析

因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)有不同的類型，也因此現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分組協(xié)議有內(nèi)層和外層兩種。內(nèi)層的傳輸協(xié)議主要是通過(guò)傳感器或者是控制器對(duì)我們所需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控的目標(biāo)物品來(lái)進(jìn)行控制，這個(gè)層面屬于接入層；而外層協(xié)議的主要作用是對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸，圖1展現(xiàn)的是上文提到的分層結(jié)構(gòu)。

圖1

1.1 外層協(xié)議

外層協(xié)議所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，而且所需要的網(wǎng)絡(luò)是需要跨境、跨區(qū)域的。現(xiàn)在我國(guó)主要是通過(guò)通信骨干網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸基于TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是因?yàn)镮Pv4地址資源消耗殆盡，并且物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于地址的需求量激增、這就會(huì)使得IPv6地址也面臨同樣的問(wèn)題，因此大家提出了一個(gè)新的想法：也就是通過(guò)內(nèi)層傳輸協(xié)議來(lái)處理IP地址不夠這個(gè)問(wèn)題，即把IP地址作為一個(gè)目標(biāo)地址，而內(nèi)層地址則是物品標(biāo)示，這樣就能夠在內(nèi)層中進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 內(nèi)層協(xié)議

內(nèi)層協(xié)議主要的工作就是在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是需要給每一個(gè)傳感器和監(jiān)測(cè)點(diǎn)都分配一個(gè)地址，這些地址之中就包含著無(wú)限的分組數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的范圍是有限的，而且監(jiān)測(cè)的內(nèi)容具有相似性。一種比較傳統(tǒng)的方式是采用有線連接實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。此外還有一種方法是采用無(wú)線傳輸，通常我們所說(shuō)的無(wú)線傳輸是指WiFi技術(shù)、GPRS技術(shù)、紅外技術(shù)、Zig-Bee技術(shù)等等，這些技術(shù)有各自不同的傳輸協(xié)議，但是在內(nèi)部它們之間還沒(méi)有達(dá)成一致的共識(shí)，因此在轉(zhuǎn)換的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

2.分組交換

分組交換也稱為包交換，它將用戶通信的數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)更小的等長(zhǎng)數(shù)據(jù)段，在每個(gè)數(shù)據(jù)段的前面加上必要的控制信息作為數(shù)據(jù)段的首部，每個(gè)帶有首部的數(shù)據(jù)段就構(gòu)成了一個(gè)分組。首部指明了該分組發(fā)送的地址，當(dāng)交換機(jī)收到分組之后，將根據(jù)首部中的地址信息將分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，這個(gè)過(guò)程就是分組交換。能夠進(jìn)行分組交換的通信網(wǎng)被稱為分組交換網(wǎng)。

分組交換的本質(zhì)就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，它將所接受的分組暫時(shí)存儲(chǔ)下來(lái)，在目的方向路由上排隊(duì)，當(dāng)它可以發(fā)送信息時(shí)，再將信息發(fā)送到相應(yīng)的路由上，完成轉(zhuǎn)發(fā)。其存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程就是分組交換的過(guò)程。

3.分組數(shù)據(jù)內(nèi)網(wǎng)傳輸協(xié)議

要想?yún)f(xié)調(diào)不同的區(qū)域協(xié)議，就需要我們?cè)谕鈱訁f(xié)議和內(nèi)層協(xié)議之間創(chuàng)立一個(gè)新的銜接協(xié)議，如圖2所示。在圖2中，接入層的傳輸協(xié)議是需要在內(nèi)層各種不同標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中提取我們所需要的數(shù)據(jù)，并在這個(gè)中間添加一個(gè)地址識(shí)別碼，這樣就能夠獲得一個(gè)含有物品標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)分組。這些原始數(shù)據(jù)可以和我們的傳輸目標(biāo)地址相結(jié)合，這樣就能夠形成一套數(shù)據(jù)包。物聯(lián)網(wǎng)分組數(shù)據(jù)內(nèi)網(wǎng)傳輸協(xié)議主要分為以下兩種類型：

圖2

3.1 微型區(qū)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

物理網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶蛡鬏攨f(xié)議主要是受到數(shù)據(jù)的傳輸距離影響。像WiFi、ZigBee這類傳輸方式可在非常廣泛的微型區(qū)域范圍內(nèi)形成一個(gè)覆蓋區(qū)域，每個(gè)區(qū)都可以設(shè)立訪問(wèn)的接入點(diǎn)，在微型區(qū)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中，接入點(diǎn)可以直接和外層網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，加大傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量，但同時(shí)這種技術(shù)可能會(huì)讓信道上的數(shù)據(jù)量加大，這樣可能會(huì)導(dǎo)致信道被搶占，讓數(shù)據(jù)遭到破壞。

3.2 近距離傳感區(qū)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

現(xiàn)在已經(jīng)有很多成熟的近距離傳感技術(shù)被創(chuàng)造出來(lái)，比如說(shuō)：紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、RFID技術(shù)等等，這些技術(shù)能夠幫助我們進(jìn)行信號(hào)傳遞。因?yàn)閭鞲衅骱托盘?hào)接入點(diǎn)之間的距離比較近，通常只有幾米左右，在這種近距離內(nèi)，我們可以使用那些傳感器自身成熟的協(xié)議。但是如果傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)，使用這些協(xié)議就不太方便了。此時(shí)我們可以選擇有線連接或者選擇GPRS連接方式，這樣能夠更加簡(jiǎn)單快捷。

4.接入層傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)

4.1 傳輸特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸有兩大特點(diǎn)：首先是大部分的傳感器或控制器所能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小。 但是如果我們使用IP協(xié)議就會(huì)需要攜帶過(guò)多的數(shù)據(jù)，占用過(guò)多的空間。這樣就會(huì)造成空間的浪費(fèi)。其次因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，數(shù)據(jù)在發(fā)送過(guò)程中不是不間斷的。只有在傳感器狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 傳輸信道的使用

在解決數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)沖突在這個(gè)問(wèn)題上，有兩種可行的辦法：同步傳輸，或異步傳輸。

同步傳輸指的是因?yàn)榻尤朦c(diǎn)的接入需要占用時(shí)隙，因此可以把信道分為多個(gè)時(shí)隙，再由接入點(diǎn)設(shè)備向內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送同步時(shí)隙，當(dāng)每個(gè)接收點(diǎn)接收到信號(hào)以后，就能夠以此信號(hào)為參考，并在隨后上傳自己的數(shù)據(jù)，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹刃蛐?，不?huì)造成沖突。而且因?yàn)楣?jié)點(diǎn)所占用的空間比較小，因此能夠分出來(lái)很多時(shí)隙。

異步傳輸方式的過(guò)程中也是將信道劃分為多個(gè)時(shí)隙，但是劃分之后并不會(huì)像同步傳輸那樣發(fā)送一個(gè)同步信號(hào)，這就需要各個(gè)接入點(diǎn)搶占時(shí)隙。在某個(gè)接入點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要先對(duì)信道進(jìn)行一個(gè)檢測(cè)，在確保這個(gè)時(shí)候沒(méi)有數(shù)據(jù)占用信道之后再發(fā)送自己的數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)到信道上有數(shù)據(jù)，那就會(huì)進(jìn)行隨機(jī)時(shí)間的等待，在進(jìn)行下一輪檢測(cè)。

4.3 傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式

接入層的內(nèi)部，會(huì)有地址身份的驗(yàn)證以及在驗(yàn)證過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)因?yàn)閿?shù)量不多，因此只需要兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示所需要的數(shù)據(jù)。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)或控制點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括地址或身份和該點(diǎn)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，此外地址也可以用兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示，一個(gè)字節(jié)代表的是傳感器所在的微型區(qū)號(hào)，一共有128bit。另外一個(gè)字節(jié)表示傳感器的編號(hào)地址，也是有128bit。這樣看來(lái)，每個(gè)時(shí)隙就需要四個(gè)字節(jié)用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這樣就可以節(jié)省下來(lái)大量的數(shù)據(jù)空間，可以創(chuàng)造大量的時(shí)隙信道，這樣有利于在傳輸過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)接入點(diǎn)接收到檢測(cè)信號(hào)以后，會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后通過(guò)骨干網(wǎng)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)變成諸如SDH、TCP/IP、MPLS等數(shù)據(jù)格式后再進(jìn)行傳輸。

圖3 接入層內(nèi)層傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)格式

5.小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的共識(shí)，因此在實(shí)際使用中我們主要還得根據(jù)需要檢測(cè)對(duì)象來(lái)選取所需要的傳輸信道，以及這個(gè)信道所對(duì)應(yīng)的協(xié)議。這也能快速解決一些企業(yè)想在工作中進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置時(shí)所遇到的困難。但是只有能夠?qū)⒉煌N類的物品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起才算是真正的萬(wàn)物相通。為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能在未來(lái)更好的發(fā)展，外層網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)層網(wǎng)絡(luò)在各自演進(jìn)的同時(shí)也要兼顧互相之間的協(xié)作能力。