Обзор архитектур приложений для интернета вещей. Часть 2
Валерий Платонов, инженер
Статья размещена в журнале «Электронные компоненты» №9
Эта статья (см. начало в ЭК7, 2025 г.) представляет собой обзор основных функций, преимуществ и ограничений существующих архитектур IoT-приложений. В Части 1 статьи рассматриваются новые тенденции и технологии в управлении IoT-приложениями, определяются ключевые области будущих исследований. В этой части статьи внимание уделяется ключевым протоколам и стандартам, которые определяют обмен данными между IoT-устройствами и обеспечивают их беспрепятственную интеграцию на разных платформах.
Протоколы и стандарты интернета вещей
Протоколы и стандарты IoT необходимы для обеспечения эффективной и безопасной связи между устройствами и системами. Эти устройства используют разные протоколы на всех уровнях модели OSI (Open Systems Interconnection – взаимодействие открытых систем) для связи друг с другом. Протоколы и стандарты имеют решающее значение для определения обмена данными между устройствами и обеспечения бесшовной интеграции на разных платформах. IoT-протоколы обычно подразделяются на прикладные и сетевые. На рис. 11 показан стек протоколов интернета вещей.
Рис. 11. Стек протоколов IoT; стандарты IEEE 802.11; IEEE 802.15.1; IEEE 802.15.4
Протоколы приложений
Эти протоколы управляют форматированием и передачей данных, обеспечивая совместимость и взаимодействие между IoT-устройствами и системами. Протоколы этой категории основаны на нескольких архитектурах и моделях связи, к которым относятся модели публикации и подписки, запросов и ответов, а также обмена сообщениями. Ниже рассматриваются некоторые из широко используемых протоколов приложений. Они сгруппированы в соответствии с их архитектурными моделями.
Модели публикации/подписки или производителя/потребителя на основе очередей
Протоколы интернета вещей на основе очередей предоставляют уникальные возможности для приложений с их асинхронной связью, позволяющие устройствам отправлять и получать сообщения без блокировки процессов, что ускоряет реакцию и сокращает задержку. Эти возможности особенно востребованы в приложениях интернета вещей, где своевременный обмен данными имеет решающее значение, например в системах мониторинга или управления в реальном времени.
В этой архитектуре модель связи публикации/подписки разделяет отправителя (издателя) и получателя (подписчика), обеспечивая эффективную связь без прямых подключений, что позволяет устройствам взаимодействовать опосредованно через брокера, повышает гибкость системы и ее масштабируемость. Устройства могут легко подключаться к сети или отключаться от нее, а новые опции добавляются без прерывания существующих служб. Архитектура брокера в этой модели используется для предоставления усовершенствованного метода двусторонней тактовой синхронизации для промышленного интернета вещей. К двумя наиболее распространенным протоколам на основе очередей относятся MQTT и AMQP.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) – легкий протокол обмена сообщениями по шаблону «издатель – подписчик», идеально подходящий для сетей с низкой пропускной способностью, высокой задержкой или ненадежных сетей. В интернете вещей он обычно используется для эффективной связи между устройствами.
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) – протокол прикладного уровня, разработанный для промежуточного программного обеспечения и служащий для передачи сообщений между компонентами системы. Этот протокол обеспечивает надежную и безопасную передачу сообщений между устройствами и приложениями. В дополнение к шаблону «издатель – подписчик» протокол AMQP поддерживает модель «производитель – потребитель», в которой сгенерированные производителями сообщения отправляются на биржи в соответствующую очередь для хранения, пока они не будут обработаны потребителями.
Клиент-серверные модели
Клиент-серверные протоколы работают по централизованной модели, в которой клиентские устройства взаимодействуют с центральным сервером. Такая архитектура упрощает управление данными и контроль, поскольку сервер выступает в качестве основного хранилища и блока обработки информации. Клиенты отправляют запросы на сервер, который обрабатывает и отвечает соответствующим образом, обеспечивая оптимизированный поток данных.
Клиент-серверные протоколы IoT-приложений обладают значительными архитектурными преимуществами, повышая эффективность, безопасность и масштабируемость систем. Их простота, совместимость и надежные функции безопасности делают протоколы подходящими для широкого ряда приложений, начиная с умных домов и заканчивая системами промышленной автоматизации. Эти протоколы соответствуют общепринятым стандартам, обеспечивая совместимость между разными устройствами и платформами. Например, HTTP поддерживается повсеместно, что позволяет IoT-устройствам беспрепятственно взаимодействовать с веб-сервисами, обозревателями и другими интернет-приложениями. Такая совместимость имеет решающее значение для интеграции IoT-систем в существующую ИТ-инфраструктуру. Поддержка многоадресной рассылки CoAP позволяет отправлять один клиентский запрос на несколько серверов одновременно, что востребовано в сценариях, где клиенту необходимо транслировать сообщение или команду разным устройствам. К числу двух примеров протоколов, основанных на этой модели, относятся:
- CoAP (Constrained Application Protocol) – облегченный протокол уровня приложений, который обеспечивает связь между устройствами с ограниченными ресурсами, что делает его подходящим для ограниченных сред;
- HTTP (Hypertext Transfer Protocol): хотя он, в первую очередь, известен как протокол для работы в интернете, он также используется в IoT-приложениях для связи между устройствами и веб-сервисами. Он универсален, но может не подходить IoT-устройствам с ограниченными ресурсами из-за сравнительно высоких накладных расходов.
Модели обмена сообщениями
XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol): универсальный протокол связи, роль которого возрастает в интернете вещей. Первоначально разработанный для связи в режиме реального времени, расширяемость XMPP, функции безопасности и возможность управления информацией о присутствии делают его весьма подходящим вариантом для IoT-приложений. Протокол, определенный международным сообществом IETF в стандарте RFC 6120, является открытым стандартным протоколом связи на основе XML. XMPP поддерживает как клиент-серверную модель связи, так и модель «издатель – подписчик». Хотя в исходном виде он был разработан как клиент-серверный протокол, он также поддерживает модель «издатель – подписчик» через службы XMPP (XEP), которые расширяют основные службы XMPP. PubSub XEP обеспечивает эту возможность.
В табл. 1 сравниваются масштабируемость, эффективность, надежность и безопасность, обеспечиваемые этими протоколами.
Протоколы транспортного уровня
К двумя протоколам транспортного уровня, используемым в IoT-приложениях, относятся протокол управления передачей (TCP) и протокол пользовательских датаграмм (UDP). TCP и UDP играют разные роли в ландшафте интернета вещей – каждый из них имеет определенные преимущества, решая разные задачи. Надежность и целостность данных TCP делают его идеальным для приложений, где точная передача данных имеет решающее значение. Напротив, низкая задержка и эффективность UDP лучше всего подходят для приложений реального времени и сценариев, где допускается случайная потеря данных. Понимание сильных сторон и ограничений каждого из этих протоколов позволяет разработчикам IoT-систем принимать обоснованные решения, оптимизировать связь в приложениях и обеспечивать эффективную работу взаимосвязанных устройств.
TCP гарантирует, что протоколы прикладного уровня получают данные точно и в правильном порядке. Это имеет решающее значение для таких приложений как обновления прошивки, где отсутствие или повреждение данных могут привести к сбоям. Например, основанный на TCP протокол MQTT выигрывает от способности TCP обрабатывать повторные передачи и подтверждения, гарантируя надежную доставку сообщений даже при наличии сетевых проблем. UDP поддерживает протоколы прикладного уровня, требующие малой задержки и минимальных накладных расходов в таких приложениях как потоковая передача данных с датчиков в реальном времени или передача видео.
Такие протоколы как CoAP, которые работают поверх UDP, выигрывают от меньшей задержки, что делает их подходящими для чувствительных ко времени IoT-приложений. Поскольку протокол UDP не обеспечивает собственной надежности, протоколы прикладного уровня используют свои механизмы для обеспечения надежности данных, например повторные передачи и подтверждающие сообщения. В табл. 1 указана поддержка протоколами транспортного уровня разных протоколов прикладного уровня и преимущества, получаемые от их функций. Производительность протоколов прикладного уровня, например CoAP и MQTT, была тщательно оценена в сравнении с TCP и UDP для определения их преимуществ и ограничений в сетях разных типов и в разных условиях передачи данных.
Протоколы сетевого уровня
Сети интернета вещей могут быть построены на основе классических сетевых протоколов из стека коммуникационных протоколов, например HTTP, TCP/UDP, IPv4/IPv6 и Wi-Fi, как это определено стандартом IEEE 802.11, или на базе проводных сетей. Однако классические протоколы изначально не предназначались для устройств с низким энергопотреблением и ограниченными возможностями, поскольку подразумевали значительное потребление ресурсов из-за высоких эксплуатационных затрат, что сделало классические протоколы непригодными для устройств интернета вещей. Для решения этой проблемы были разработаны версии с низким энергопотреблением, повышающие их эффективность.
Например, протокол IPv6 для беспроводных персональных сетей с малым энергопотреблением (6LoWPAN) был создан для облегчения работы протокола IPv6 в таких сетях семейства IEEE 802.15 как Zigbee. Стандарт IEEE 802.15.4 является основой для разных протоколов беспроводной связи с низким энергопотреблением и малой скоростью передачи данных. Этот стандарт особенно хорошо подходит для приложений интернета вещей, которые часто требуют эффективного энергопотребления и достаточной скорости передачи данных для обеспечения надежной связи. Он определяет несколько скоростей передачи данных, наиболее распространенной из которых является 250 Кбит/с в диапазоне частот 2,4 ГГц. Этой скорости вполне достаточно для периодической передачи данных, например с датчиков и с целью отправки управляющих сигналов.
Другим важным протоколом маршрутизации интернета вещей является IPv6 для сетей с малым энергопотреблением и потерями (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks, RPL). RPL, стандартизованный сообществом IETF в 2011 г., был специально разработан для сетей с низким энергопотреблением и потерями (LLN). В этих сетях устройства с ограниченной вычислительной мощностью, памятью и энергетическими ресурсами работают в средах с большими потерями пакетов, переменным качеством связи и частыми изменениями топологии. Протокол RPL предоставляет надежную основу для создания таких сетей и управления ими, обеспечивая надежную доставку данных при минимальном потреблении ресурсов.
Протоколы передачи данных и физического уровня
Протоколы канала передачи данных и физического уровня обеспечивают коммуникации в сетях интернета вещей, предоставляя инфраструктуру для надежного, эффективного и масштабируемого взаимодействия устройств. Эти протоколы определяют передачу данных по сети и то, как устройства распознают и взаимодействуют друг с другом в физической среде. К ключевым протоколам этой категории относятся IEEE 802.15.4 для низкоскоростных беспроводных персональных сетей (LR-WPAN), IEEE 802.11 a/b/g/n для сетей Wi-Fi и 2G/3G/LTE для сотовых сетей.
Эти протоколы обладают уникальными преимуществами, адаптированными к конкретным требованиям приложений: низким энергопотреблением, большой дальностью связи, высокой скоростью передачи данных и надежной обработкой ошибок. В табл. 2 сравниваются основные характеристики разных протоколов передачи данных и физического уровня интернета вещей.
В дополнение к этим протоколам разные организации и консорциумы, например Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), IETF, Международная организация по стандартизации (ISO) и др., разрабатывают и поддерживают стандарты безопасности, совместимости и форматов данных в интернете вещей. Эти стандарты гарантируют беспрепятственное взаимодействие и обмен данными устройств разных производителей, а также безопасность систем.
Выводы
Архитектуры приложений интернета вещей постоянно развиваются в соответствии с разными и жесткими требованиями, предъявляемыми к современным IoT-приложениям. Переход на гибридные и децентрализованные модели отражает тенденцию к созданию более адаптируемых, устойчивых и эффективных систем. Акцент на безопасность, масштабируемость, интероперабельность и автономность продолжает стимулировать инновации и прогресс в этой области. Поскольку интернет вещей продолжает интегрироваться в разные аспекты жизни и промышленности, надежные и гибкие архитектуры станут иметь решающее значение для полноценного использования потенциала новых технологий и их дальнейшего совершенствования.
Размещение статей и коммерческой информации в журнале: anton.denisov@ecomp.ru
