物聯(lián)網(wǎng)中的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)化計劃

摘 要：互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展刺激了采用互聯(lián)網(wǎng)連接的“智能”設(shè)備的使用，這些設(shè)備使用先進(jìn)的分析和實(shí)時數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行遙感，驅(qū)動和智能監(jiān)控。在本文中，我們將從互操作性的角度回顧和討論IOT協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)化計劃的最新發(fā)展。特別是，我們著眼于應(yīng)用程序?qū)訁f(xié)議和解決方案的互操作性問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議;互操作性;CoAP;協(xié)議棧

一、 引言

世界各地的研究人員和創(chuàng)新型初創(chuàng)公司正在開發(fā)大量的端到云的解決方案。盡管此類項目和方案提供了來自Internet的設(shè)備的集成和控制，但它們并不總是使用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，因此在全球范圍內(nèi)使用時可能導(dǎo)致互操作性挑戰(zhàn)。使用現(xiàn)有Internet協(xié)議將機(jī)器對機(jī)器（M2M）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）接入已建立的Internet服務(wù)是一種趨勢。這導(dǎo)致將以IP為中心的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議引入智能設(shè)備的領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)面臨的兩個最大挑戰(zhàn)是低功率設(shè)備的存在（它們需要運(yùn)行數(shù)月或數(shù)年而無法獲得任何電能充電）以及通過有損網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)交換。這些獨(dú)有的特征和挑戰(zhàn)使得現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的使用不盡如人意。

本文提供了簡要的入門知識，描述了正在研究并且處于不同實(shí)施階段的協(xié)議棧和標(biāo)準(zhǔn)化措施。第2節(jié)提供了在構(gòu)建涉及智能產(chǎn)品的各種快速原型解決方案時出現(xiàn)的一些難題。第3節(jié)概述了在構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的IOT協(xié)議棧方面所做的研究。第4節(jié)提出了一些需要解決的與互操作性相關(guān)的問題。第五部分以結(jié)論結(jié)尾，概述了我們未來工作的方向。

二、 新興困境

涉及物聯(lián)網(wǎng)的較新解決方案面臨新的困境。智能設(shè)備，低功耗設(shè)備和WSN試圖超越狹窄的部署域，希望連接到云/互聯(lián)網(wǎng)，但受到約束和限制。然后是世界范圍內(nèi)的Internet，它非常成功，可以隨意地采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（例如HTTP，SMTP，SSH等），而不必?fù)?dān)心電源/數(shù)據(jù)丟失的限制。因此，雙方自然而然地試圖同化和協(xié)調(diào)。這是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。為此，可以在多個方向進(jìn)行創(chuàng)新：

a. 通過設(shè)備計算能力/網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步（例如低功耗微控制器，更長壽命的電池和備用電源，更便宜的存儲和帶寬等），可以緩解資源限制。這些發(fā)展可使較新的物聯(lián)網(wǎng)能夠引入成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)域。但是這些通常是高投入，高影響力的創(chuàng)新，并且往往涉及研究預(yù)算非常大的公司（例如，Intel Atom Processors for IOT等）

b. 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和聯(lián)盟正在努力定義較新的協(xié)議，這些協(xié)議針對特定用例/基礎(chǔ)部署方案進(jìn)行了優(yōu)化。這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的采用涉及政府標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如ETSI，IETF/IAB等組織以及ZigBee，Dash 7等聯(lián)盟之間的合作。

c. 將有一個（可能是一個較長的）混合部署階段，通過網(wǎng)關(guān)，中間件等將高度專業(yè)化/優(yōu)化的WSN的網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的其余部分連接在一起。在未來幾年，可能會出現(xiàn)大量的增量創(chuàng)新。也將需要對一些定義良好的開放標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議的理解。

三、 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧

（一）標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的方法

嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器研究人員已經(jīng)同意“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議可以應(yīng)用于最小的設(shè)備”這一想法。IPv6具有無限的地址空間，允許2128個或大約3.4×1038個唯一地址。定義了一個新的協(xié)議6LoWPAN，以使IPv6數(shù)據(jù)包能夠在低功率且有損的個人局域網(wǎng)（LLN）上傳輸;已經(jīng)定義了網(wǎng)關(guān)或中間件的結(jié)構(gòu)草案，該網(wǎng)關(guān)或中間件提供了6LoWPAN與外部IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性。6LoWPAN協(xié)議的物理層和MAC層是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4-2006是用于低功率和低速率（250 kbps的數(shù)據(jù)傳輸）LLN的物理或第1層協(xié)議。

（二）其他物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和協(xié)議

除了基于IEFT標(biāo)準(zhǔn)的計劃外，還有其他一些協(xié)議也在討論開發(fā)和實(shí)施的各個階段。從物聯(lián)網(wǎng)解決方案實(shí)施角度來看，一些相關(guān)的協(xié)議是：

a. 消息隊列遙測傳輸（MQTT）–由IBM研究人員開發(fā)，它被設(shè)計為輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳輸連接協(xié)議。該協(xié)議已與IBM WebSphere應(yīng)用服務(wù)器集成。

b. ZigBee聯(lián)盟-ZigBee（XBee）是一組應(yīng)用程序配置文件，用于創(chuàng)建基于802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)的低速無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。盡管ZigBee不能直接與IEFT標(biāo)準(zhǔn)（如6LoWPAN）相提并論，但已在小型自組織網(wǎng)絡(luò)，智能家居和與智能對象相關(guān)的應(yīng)用中廣泛實(shí)施。

四、 應(yīng)用程序級互操作性方案-MQTT和CoAP

MQTT協(xié)議描述了該協(xié)議非常適合資源受限的環(huán)境，這些環(huán)境具有以下特征：網(wǎng)絡(luò)昂貴，帶寬低或不可靠;在處理器或內(nèi)存有限的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。MQTT是一種開放式發(fā)布/訂閱協(xié)議，用于遙測消息的異步傳輸。它使用基于代理的非對稱結(jié)構(gòu)，其中復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到了具有更高資源能力的代理節(jié)點(diǎn)上。MQTT基于TCP/IP協(xié)議，而MQTT-S是非TCP/IP協(xié)議的擴(kuò)展。

MQTT-S嘗試使用以內(nèi)容為中心的通信范式而非以網(wǎng)絡(luò)地址為中心的異步通信提供抽象。預(yù)計這種去耦將允許擴(kuò)展和動態(tài)應(yīng)用程序拓?fù)?。但是，在三種主要類型的發(fā)布/訂閱系統(tǒng)中，基于主題的系統(tǒng)最容易實(shí)現(xiàn)，而基于類型和基于內(nèi)容的系統(tǒng)則更難實(shí)現(xiàn)。基于類型的通信要求類型信息在發(fā)布者和訂閱者之間另外作為元數(shù)據(jù)交換，這增加了受限設(shè)備的開銷。

五、 結(jié)論

盡管就互操作性而言，上述的場景可能不是迫在眉睫的需求，但它代表了隨著基于各種定制協(xié)議的IOT解決方案的迅速發(fā)展而產(chǎn)生的需求?；ゲ僮餍圆恢皇翘峁﹨f(xié)議代理服務(wù)類型。提供互操作性的中間件需要知道報頭（固定和可變）以及消息有效負(fù)載中所包含的上下文和含義。這些中間件將在使資源受限設(shè)備上的應(yīng)用程序保持最佳狀態(tài)的同時，發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]KIM K， YOO S， KIM H， et al. Interoperability of 6LoWPAN. draft-daniel-6lowpaninteroperability-01，IETF，vol.7，2005.

[2]孫利民，張書欽，李志，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：理論及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

作者簡介：

黃凌，江蘇省靖江市，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院。