物聯網中的協議和標準化計劃

摘 要：互聯技術的發展刺激了采用互聯網連接的“智能”設備的使用，這些設備使用先進的分析和實時數據處理技術進行遙感，驅動和智能監控。在本文中，我們將從互操作性的角度回顧和討論IOT協議和標準化計劃的最新發展。特別是，我們著眼于應用程序層協議和解決方案的互操作性問題。

關鍵詞：物聯網協議;互操作性;CoAP;協議棧

一、 引言

世界各地的研究人員和創新型初創公司正在開發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的設備的集成和控制，但它們并不總是使用標準化協議，因此在全球范圍內使用時可能導致互操作性挑戰。使用現有Internet協議將機器對機器（M2M）和無線傳感器網絡（WSN）接入已建立的Internet服務是一種趨勢。這導致將以IP為中心的標準協議引入智能設備的領域。

物聯網面臨的兩個最大挑戰是低功率設備的存在（它們需要運行數月或數年而無法獲得任何電能充電）以及通過有損網絡進行頻繁的數據交換。這些獨有的特征和挑戰使得現有互聯網協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施階段的協議棧和標準化措施。第2節提供了在構建涉及智能產品的各種快速原型解決方案時出現的一些難題。第3節概述了在構建標準驅動的IOT協議棧方面所做的研究。第4節提出了一些需要解決的與互操作性相關的問題。第五部分以結論結尾，概述了我們未來工作的方向。

二、 新興困境

涉及物聯網的較新解決方案面臨新的困境。智能設備，低功耗設備和WSN試圖超越狹窄的部署域，希望連接到云/互聯網，但受到約束和限制。然后是世界范圍內的Internet，它非常成功，可以隨意地采用現有的標準技術（例如HTTP，SMTP，SSH等），而不必擔心電源/數據丟失的限制。因此，雙方自然而然地試圖同化和協調。這是挑戰，也是機遇。為此，可以在多個方向進行創新：

a. 通過設備計算能力/網絡技術的進步（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。這些發展可使較新的物聯網能夠引入成熟的互聯網技術域。但是這些通常是高投入，高影響力的創新，并且往往涉及研究預算非常大的公司（例如，Intel Atom Processors for IOT等）

b. 標準化機構和聯盟正在努力定義較新的協議，這些協議針對特定用例/基礎部署方案進行了優化。這些協議和標準的采用涉及政府標準機構如ETSI，IETF/IAB等組織以及ZigBee，Dash 7等聯盟之間的合作。

c. 將有一個（可能是一個較長的）混合部署階段，通過網關，中間件等將高度專業化/優化的WSN的網絡與互聯網的其余部分連接在一起。在未來幾年，可能會出現大量的增量創新。也將需要對一些定義良好的開放標準的協議的理解。

三、 物聯網協議棧

（一）標準驅動的方法

嵌入式網絡傳感器研究人員已經同意“互聯網協議可以應用于最小的設備”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。定義了一個新的協議6LoWPAN，以使IPv6數據包能夠在低功率且有損的個人局域網（LLN）上傳輸;已經定義了網關或中間件的結構草案，該網關或中間件提供了6LoWPAN與外部IPv6網絡之間的互操作性。6LoWPAN協議的物理層和MAC層是IEEE 802.15.4標準。802.15.4-2006是用于低功率和低速率（250 kbps的數據傳輸）LLN的物理或第1層協議。

（二）其他物聯網聯盟和協議

除了基于IEFT標準的計劃外，還有其他一些協議也在討論開發和實施的各個階段。從物聯網解決方案實施角度來看，一些相關的協議是：

a. 消息隊列遙測傳輸（MQTT）–由IBM研究人員開發，它被設計為輕量級的發布/訂閱消息傳輸連接協議。該協議已與IBM WebSphere應用服務器集成。

b. ZigBee聯盟-ZigBee（XBee）是一組應用程序配置文件，用于創建基于802.15.4-2003標準的低速無線網狀網絡。盡管ZigBee不能直接與IEFT標準（如6LoWPAN）相提并論，但已在小型自組織網絡，智能家居和與智能對象相關的應用中廣泛實施。

四、 應用程序級互操作性方案-MQTT和CoAP

MQTT協議描述了該協議非常適合資源受限的環境，這些環境具有以下特征：網絡昂貴，帶寬低或不可靠;在處理器或內存有限的嵌入式設備上運行。MQTT是一種開放式發布/訂閱協議，用于遙測消息的異步傳輸。它使用基于代理的非對稱結構，其中復雜性轉移到了具有更高資源能力的代理節點上。MQTT基于TCP/IP協議，而MQTT-S是非TCP/IP協議的擴展。

MQTT-S嘗試使用以內容為中心的通信范式而非以網絡地址為中心的異步通信提供抽象。預計這種去耦將允許擴展和動態應用程序拓撲。但是，在三種主要類型的發布/訂閱系統中，基于主題的系統最容易實現，而基于類型和基于內容的系統則更難實現。基于類型的通信要求類型信息在發布者和訂閱者之間另外作為元數據交換，這增加了受限設備的開銷。

五、 結論

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議的IOT解決方案的迅速發展而產生的需求。互操作性不只是提供協議代理服務類型。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備上的應用程序保持最佳狀態的同時，發揮關鍵作用。

參考文獻：

[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.無線傳感器網絡：理論及應用[M].北京：清華大學出版社，2018.

作者簡介：

黃凌，江蘇省靖江市，南京信息職業技術學院電子信息學院。