Протоколы связи для IoT

Сегодня мы поговорим о такой интересной и актуальной теме как протоколы (стандарты) для организации IoT сетей. Сам термин IoT сегодня на слуху у всех и является очевидным трендом технического развития во всех отраслях народного хозяйства — это и домашнее хозяйство, ЖКХ, промышленность, сельское хозяйство и т. д.

С другой стороны, для неподготовленного человека термин IoT (интернет вещей) мало о чём говорит содержательно. Что же это такое и о чём идёт речь? Всё очень просто: интернет вещей — это совокупность всех современных «умных» вещей (а это уже сейчас чуть ли не все окружающие нас вещи от телевизоров до зубных щёток) в сочетании со связывающими их сетями.

Именно об этом мы и поговорим в этой статье — об IoT сетях и популярных протоколах, использующихся для их построения.

Не только интернет

Безусловно, Интернет — это сеть сетей и обойти его вниманием невозможно ни в одной статье о современных IoT технологиях, но в данном случае использование интернета отходит на второй план и основное внимание мы уделим более «мелким» решениям по организации связи между различными устройствами, датчиками, актуаторами, счётчиками и т. п. оборудованием.

Мы рассмотрим 5 основных типов IoT сетей:

Проводные сети и каналы связи (Ethernet, RS-485, 1-Wire, CAN, KNX и т. д.)
«Бытовые» беспроводные сети (Wi-Fi, Bluetooth)
Специализированные беспроводные сети (LoRa, ZigBee, Z-Wave и т. п.)
IoT сети поверх сотовых сетей (NB-IoT и т. п.)
Спецсети и радиоканал (433 МГц, nRF24 и т. д.)

Как вы видите из представленного списка, вариантов организации IoT сетей существует огромное множество, а если учесть ещё большее количество протоколов для организации взаимодействия между умными вещам, а также техническую смекалку разработчиков IoT систем, то становится понятно, что на практике мы имеем невероятный «зоопарк» из IoT решений.

Важно также понимать, что большинство IoT решений являются гибридными — сбор, транспортировка, хранение, обработка и визуализация данных обычно проходят в разных по типу сетях и то, что поступило по беспроводным каналам с датчиков, может обрабатываться и предаваться далее по проводным сетям.

Теперь попробуем разобраться во всём этом разнообразии.

Проводные сети и каналы связи

Несмотря на то, для организации IoT в основном используются (и обычно подразумеваются при обсуждении) беспроводные сети, нет никаких запретов на использование проводных соединений (сетей) для создания IoT решений и систем.

Королём тут, безусловно, выступает Ethernet, как массовая, универсальная и отработанная десятилетиями технология (стандарт). В рамках этой технологии работают популярные протоколы TCP/IP, UDP, HTTP, HTTPS, FTP и множество других, применяемых, в том числе, и в IoT решениях. Важно также понимать, что ни одно беспроводное IoT решение не обходится без использования проводного Ethernet — на той или иной стадии передачи данных, их, как правило, приходится транспортировать на большие расстояния и альтернативы Ethernet (читай интернету) тут нет.

Несколько особняком стоят специализированные проводные решения для организации сбора и передачи IoT данных, это популярные стандарты RS-485, 1-Wire, CAN, KNX и т. д. и т. п. — числа им нет, за время существования индустрии высоких технологий подобных стандартов накопилось огромное множество.

Бытовые беспроводные сети

Под «бытовыми беспроводными сетями» мы в основном подразумеваем всем привычный и повсеместно распространённый Wi-Fi. Это универсальный транспорт для передачи любой информации и любых данных, в том числе и IoT данных.

Повсеместное распространение Wi-Fi делает его очень заманчивым решением для организации IoT сетей передачи данных. Практическое воплощение этой возможности мы видим на примере работы современных бытовых приборов, наподобие телевизоров, умных холодильников и т. п. оборудования.

Однако для организации сетей сбора информации с датчиков и счётчиков в сфере ЖКХ Wi-Fi не очень подходит в силу некоторых своих особенностей — неконтролируемости инфраструктуры (частных роутеров), небольшого радиуса действия (до 100 метров), большого потребления энергии Wi-Fi устройствами и проблематичности создания автономных долгоживущих батарейных датчиков и счётчиков и т. п. проблем.

Сюда же можно отнести и некоторые другие IoT решения, например, Bluetooth. Эта технология нашла широкое применение в умных гаджетах, фитнес-трекерах и подобном оборудовании.

Специализированные беспроводные сети

Существуют также специализированные беспроводные сети (LoRa, ZigBee, Z-Wave и т. п.), специально разработанные для создания IoT сетей сбора данных с датчиков и счётчиков, построения т. н. умного дома и подобных применений.

Каждое подобное решение подразумевает определённые стандарты на используемые частоты передачи сигналов, протоколы взаимодействия между устройствами и т. д. И снова необходимо отметить, что подобных систем (стандартов) существует огромное множество. О некоторых из них мы подробно поговорим в этой статье чуть ниже.

IoT сети поверх сотовых сетей

Ярким и набирающим популярность подобным решением является сеть NB-IoT. Основной смысл этой технологии в том, что владелец IoT системы (например, ЖКХ компания, обслуживающая сеть счётчиков воды или электричества) избавляется от необходимости строить свою собственную сеть сбора информации со счётчиков с базовыми станциями, серверами и т. п., а вместо этого перекладывает все эти заботы на плечи компании сотового оператора. Каждый прибор (счётчик) снабжается SIM-картой и после включения просто начинает передавать данные в «облако» сотового оператора, откуда ЖКХ компания может получать эти данные и использовать в своей работе, например, для тарификации расхода ресурсов.

Достоинства такого подхода налицо, из недостатков нужно отметить зависимость работы системы от сторонней компании и необходимость оплаты услуг сотового оператора.

Спецсети и радиоканал

Ну и последним типом IoT сетей являются спецсети (различные проприетарные нестандартные решения) и даже просто передача данных по радиоканалу на различных частотах и с использованием различных протоколов. В качестве примера можно привести популярные устройства, работающие в диапазоне 433 МГц (различные китайские пульты управления и игрушки) и популярные модули nRF24, используемые в DIY и бытовых устройствах (например, компьютерных мышках).

Решений тут тоже множество, но это очень специализированные и нестандартные вещи, которые имеют ограниченную область использования и свои недостатки, например, большинство пультов 433 МГц не имеют никакой защиты и шифрования передаваемых данных.

LoRaWAN

LoRaWAN — это технология (совокупность технологий), которая предназначена для организации сетей сбора данных и телеметрии с датчиков и счётчиков (и в некоторых случаях даже управления ими) во всех отраслях народного хозяйства. Это очень популярный стандарт, который используется и для сбора данных с датчиков в ЖКХ и для контроля сельскохозяйственного производства и в промышленности. В основном подобные сети строятся на основе базовой станции, обслуживающей беспроводные датчики (счётчики) в радиусе около километра от базы. В зависимости от застройки и рельефа местности LoRaWAN сеть может обслуживать площадь диаметром от сотен метров до десятков километров.

Далее данные с датчиков агрегируются на на базовых станциях и по различным каналам отправляются в «облако» для дальнейшей обработки и хранения. Схематично это можно представить так.

На физическом уровне для передачи сигналов между датчиками и базовой станцией LoRaWAN использует технологию LoRa. LoRa — это стандарт модуляции беспроводного сигнала (используется линейно частотная модуляция), который обеспечивает большую дальность связи (сотни метров и километры) и при этом потребляет мало энергии, что позволяет использовать автономные батарейные датчики и счётчики ресурсов.

Технические подробности. LoRa (Long Range) — это энергоэффективный вид модуляции сигнала (линейная частотная модуляция). Для работы LoRa обычно используются разрешённый в России и свободный частотный диапазон 868 МГц (LoRa может работать также в частотном диапазоне 433 МГц и некоторых других), ширина канала 125 кГц (тоже может изменяться от 7,8 до 500 кГц), максимальная скорость передачи данных 5 кб/с.

Из недостатков LoRa как физического уровня передачи сигнала можно назвать низкую скорость работы — это максимум 5 кб/с. В результате LoRa может применяться только для передачи небольших объёмов телеметрической информации.

Но не смотря на то, что LoRa как технология, очень хороша, существует ещё проблема построения самой сети передачи данных и для решения этой проблемы был создан стандарт LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) который добавляет к базовому физическому уровню L1 сетевой модели OSI канальный уровень и протокол передачи данных. LPWAN является базовым вариантом использования LoRa технологии для построения энергоэффективных сетей передачи данных и телеметрии.

А LoRaWAN (Long Range wide-area networks), в свою очередь, добавляет новые улучшенные спецификации и протокол в стандарт LPWAN. Коротко это можно представить в виде следующей иерархии:

LoRa — это стандарт модуляции сигнала и физический уровень беспроводной передачи данных.
LPWAN — это объединение стандарта LoRa с канальным уровнем передачи данных и соответствующий протокол сетевого взаимодействия.
LoRaWAN — это улученные спецификации и протокол передачи данных для LPWAN сетей.

Теперь давайте поговорим о принципах работы LoRaWAN. Центром и главной частью системы является т. н. «сервер» (на схеме выше обозначен большим синим прямоугольником с облаком). Именно он управляет всеми частями системы — базовыми станциями (шлюзами), конечными устройствами и т. д.

Базовых станций в конкретной конфигурации может быть несколько и сигнал от некоторых датчиков может приходить («ловиться») на несколько шлюзов. LoRaWAN сервер как определяет всю логику работы системы, так и настройки её отдельных частей. Например, если какой-то датчик «виден» нескольким шлюзам, то именно сервер решает с какого шлюза эти данные будут поступать в систему.

Если взаимодействие с оконечными устройствами происходит беспроводным образом по LoRa стандарту, то связь между шлюзами и LoRaWAN сервером, а также между LoRaWAN сервером и серверами приложений может осуществляться по разным каналам, как правило по проводному Ethernet.

LoRaWAN поддерживает 3 класса оконечных устройств:

Класс A — энергоэффективные батарейные устройства. В основном только передают информацию шлюзам, но имеют «окно» для эпизодического приёма информации.

Класс B — то же самое, что и устройства класса A, но плюс ещё имеют режим приёма данных по расписанию.

Класс C — Постоянно «онлайн» и постоянно готовы для приёма данных и команд. Использование батарейного питания для устройств этого класса либо затруднено, либо невозможно вовсе.

Безопасность LoRaWAN обеспечивается индивидуальными для оконечных устройств и сетевыми идентификаторами, а также шифрованием передаваемых данных при помощи алгоритма AES (с соответствующим менеджментом ключей).

К достоинствам и преимуществам LoRaWAN можно отнести:

Большое количество обслуживаемых оконечных устройств
Возможность применения в сфере ЖКХ
Энергоэффективность и длительный срок работы датчиков от батарей
Большая дальность связи
Использование свободного диапазона частот

Существенных недостатков для своей сферы применения LoRaWAN практически не имеет, что подтверждается широкой популярностью этой технологии.

MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) — это протокол, разработанный для эффективных межмашинных взаимодействий (М2М) и широко применяющийся сегодня в сфере IoT (т. н. «интернета вещей»).

Основной его особенностью является реализация схемы взаимодействия между устройствами «клиент-брокер». Смысл этой схемы заключается в том, что к брокеру в любой момент может подключиться клиент (в данном случае «издатель») и «опубликовать» свои данные, одновременно, к этому же брокеру может подключиться другой клиент и «забрать» данные, опубликованные издателем. Это очень упрощённое изложение работы схемы клиент-брокер, приведённое здесь для лучшего понимания вопроса. По-другому это можно назвать реализацией схемы многие-ко-многим.

Физически протокол MQTT работает на прикладном уровне сетевой модели поверх TCP (TCP/IP), является компактным (бинарным) и приспособлен для работы на маломощных устройствах (контроллерах). Также он хорошо оптимизирован для работы на неустойчивых каналах связи и на каналах с небольшой пропускной способностью. Также нужно отметить, что MQTT имеет режим гарантированной доставки сообщения и поддерживает несколько уровней качества обслуживания QoS (Quality of Service).

Работа по протоколу MQTT осуществляется по следующей схеме: клиенты публикуют свои данные «сообщения» на определённую тему (в терминологии протокола «topic») или «подписываются» на нужные им сообщения и получают их. Саму логику работы с данными осуществляет брокер, клиентам достаточно подписаться или опубликовать данные — всё остальное он сделает за них.

Синтаксически «топик» — это строка символов в кодировке UTF8, разделённых знаком «/», а совокупность всех топиков имеет иерархическую структуру «дерева». Типичный пример топика:

/home/room/temp

Подписчик может получать как конкретные данные, подписавшись на соответствующий топик, так и данные сразу из нескольких топиков, для этого существуют специальные «wildcard» символы. Они бывают двух типов: одноуровневые «+» и многоуровневые «#».

Например:

/home/+/temp

в этом случае клиент получит данные о температуре из всех комнат

/home/room/#

а в этом случае он получит данные со всех датчиков в комнате.

Сами сообщения, которыми обмениваются клиенты и брокер, могут быть разными, основные из них: установить соединение (connect), разорвать соединение (disconnect), опубликовать данные (publish), подписаться на топик (subscribe), отписаться от топика (unsubscribe).

Каждое сообщения протокола MQTT содержит 2 байта конфигурации:

1-й байт: запрос на подключение, подтверждение подписки, запрос ping, флаг дублирования, инструкции для сохранения сообщений, информацию об уровне QoS.

2-й байт: данные о длине сообщения.

Немного подробнее об уровнях качества обслуживания в MQTT:

Уровень 0. Самый простой способ: отправитель передаёт сообщение один раз, получатель не подтверждает его получение.

Уровень 1. Отправитель отправляет сообщение до тех пор, пока не получит подтверждение об успешной доставке.

Уровень 2. Медленный и самый надёжный способ: гарантируется, что приёмник получит сообщение один раз.

Безопасность в MQTT может обеспечиваться несколькими способами: аутентификация имя/пароль, контроль доступа через Client ID, подключение через TLS/SSL.

Работать MQTT брокеры могут как в локальной сети, обслуживая её локальные потребности в передаче данных, так и в интернете, осуществляя транспортировку и распределение данных на глобальном уровне.

Подводя итог обзора протокола MQTT можно выделить следующие его достоинства:

лёгкость и компактность
возможность работы на маломощных контроллерах
оптимизированность для работы в сфере IoT
оптимизация для работы на неустойчивых каналах связи
приспособленность для работы на каналах с небольшой пропускной способностью
режим гарантированной доставки сообщений QoS
возможность безопасной работы с шифрованием

В заключение стоит отметить, что MQTT — это один из самых популярных протоколов для сферы IoT и применяется повсеместно, для него существует множество реализаций клиентов и брокеров для различных платформ.

CoAP

CoAP (Constrained Application Protocol) — это ещё один популярный протокол для IoT, он почти так же популярен как MQTT, но имеет свои отличительные особенности и несколько другой шаблон применения.

CoAP является протоколом прикладного уровня, но вместо TCP, как в случае MQTT, работает поверх UDP, а идеологически похож на популярный протокол HTTP и является его компактной и упрощённой реализацией. Также, в целях большего соответствия специфическим задачам коммуникации IoT устройств, он сделан бинарным и хорошо работает на «слабых» микроконтроллерах.

Его родство с HTTP также говорит о том, что это протокол взаимодействия точка — точка или, другими словами, клиент — сервер, что кардинально отличает его от MQTT и предполагает соответствующие паттерны использования.

Также стоит отметить, что работа через UDP значительно уменьшает объём передаваемых данных и скорость передачи сообщений.

Для программиста работа с протоколом CoAP похожа на работу с HTTP. Здесь также серверы предоставляют свои ресурсы по URI адресам, а клиенты обращаются к ним, используя привычные методы GET, PUT, POST, DELETE. Ответы сервера в CoAP аналогичны ответам в HTTP и состоят из трёх цифр (успешно, ошибка и т. д.).

Пример типичного CoAP GET запроса:

coap://127.0.0.1/resource

В протоколе СоАР имеется четыре вида сообщений: Confirmable, Non-confirmable, Acknowledgement, Reset. Сообщения передаются в бинарном виде, каждое имеет заголовок в 4 байта, токен, опции и собственно полезную часть с данными. CoAP также поддерживает многоадресную рассылку (multicast) для посылки сообщений сразу нескольким устройствам.

Как известно, сам по себе протокол UDP не поддерживает гарантированную доставку сообщения, но в IoT приложениях очень часто требуется подтверждение доставки. Эту проблему протокол CoAP решает на своём уровне — в нём есть возможность указать, что сообщение требует подтверждения успешной доставки.

Безопасность в CoAP обеспечивает DTLS (Datagram Transport Layer Security) — этот протокол добавляет UDP возможность защитить передаваемые сообщения от просмотра и подделки.

Отметим достоинства протокола CoAP для использования в сфере IoT:

лёгкость и компактность по сравнению с HTTP
возможность работы на контроллерах
оптимизированность для работы в IoT
режим гарантированной доставки сообщений
возможность безопасной передачи сообщений с DTLS

LwM2M

LwM2M (Lightweight Machine-to-Machine) — это универсальный, специально разработанный для применения в сфере IoT протокол межмашинного взаимодействия. Слово Lightweight в названии говорит о том, что это «лёгкий» протокол, оптимизированный для работы на «слабых» устройствах.

Изначально LwM2M создавался как продвинутая надстройка с большими возможностями над протоколом CoAP, который мы рассмотрели выше (в последних спецификациях предусматривается работа CoAP через MQTT и HTTP, а также в сетях LTE-M, NB-IoT и LoRaWAN).

Соответственно, LwM2M наследует все преимущества CoAP (компактность, бинарный формат, работу на слабых контроллерах и т. д.) и добавляет в этот арсенал множество дополнительных возможностей ориентированных на применение в IoT приложениях, главные из которых это объектная модель ресурсов и возможность их создания, поиска, обновления и настройки, загрузка прошивок и т. д. На уровне абстракций протокол оперирует объектами, экземплярами объектов и ресурсами, что логично и отлично подходит для сферы применения LwM2M. В протоколе определены как стандартные объекты (сервер, устройство, обновление прошивки и т. д.), так и есть возможность создания пользовательских объектов с необходимыми вам свойствами.

LWM2M имеет отличные возможности для работы и управления IoT устройствами, например, контроль подключения устройств, удалённые действия на них, обновление прошивок и т. д., то есть решает множество проблем и позволяет автоматизировать наиболее распространённые технические действия в IoT.

LwM2M работает как в сетях, требующих для своей работы IP адрес, так и в сетях NIDD (Non-IP Data Delivery) не требующих IP адреса.

Весь функционал LwM2M можно разделить на две части: управление устройствами и управление работой приложений (конфигурация и отчёты). В управление устройствами входит управление их загрузкой, конфигурацией, обновлением ПО и обработка ошибок.

В целом можно сказать, что протокол LwM2M является одним из самых продвинутых и перспективных для использования в сфере IoT. Кратко перечислим его основные достоинства:

лёгкость и компактность
возможность работы на маломощных контроллерах
оптимизированность для работы в сфере IoT
режим гарантированной доставки сообщений
возможность безопасной передачи данных
объектная модель представления ресурсов
регламентация рутинных операций для IoT устройств
управление оконечными устройствами
работа через различные протоколы и в различных IoT сетях
поддержка работы в сетях с IP адресацией и и без IP адресации
стандартизация всех аспектов работы с IoT устройствами
перспективность для использования в долгосрочных проектах
практическое использование многими компаниями

Как вы видите, список достоинств у этой технологии чрезвычайно широк и перспективность LwM2M в сфере IoT не вызывает никакого сомнения.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели широкий спектр вопросов организации IoT сетей и подробно познакомились с наиболее популярными и перспективными протоколами для этой сферы LoRaWAN, MQTT, CoAP и LwM2M. Надеемся, что наша статья поможет вам разобраться в такой обширной и актуальной теме как построение современных IoT сетей.

Более подробно узнать о беспроводных стандартах связи вы можете из нашей статьи Беспроводные стандарты связи для автоматизации снятия показаний счетчиков воды.