TCP/IP-Layer-Wise-IoT-Protokolle

[Dieser Artikel wurde von Velmurugan Manoharan, Senior Software Engineer bei Prodapt, ursprünglich auf Dataottam veröffentlicht.]

Der TCP/IP-Stack ist die jüngste Entwicklung im traditionellen OSI-Modell (Open Systems Interconnection). Es hat eine Reihe von Modifikationen durchlaufen, die M2M/IoT ähneln. OSI, ein siebenschichtiges Modell, wurde von ISO standardisiert. Die überwiegend verwendeten Protokolle TCP und IP reduzierten die siebenschichtige Architektur auf eine vierschichtige. Die Funktionalität und Eigenschaften der Layer bleiben jedoch gleich.

 

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TCP/IP Roadways

In diesem Artikel wird, für Leser die TCP/IP nicht kennen, die oben genannte Architektur durch Vergleich mit Auslieferungsflotten erläutert. Ein Protokoll ist nichts anderes als ein Satz von Regeln oder Standards, die für die Ausführung eines Prozesses zu beachten sind. Wenn beispielsweise eine Person bei Facebook die „Gefällt mir“ -Taste drücken muss, umfasst dies lediglich die körperliche Aktivität, indem der Mauszeiger über die Schaltfläche bewegt und darauf geklickt wird. Intern erzeugt der PC jedoch ein Datenstück, das Meilen zurücklegt.

Stellen Sie sich ein Paket vor, das über einen Zustelldienst von A nach B transportiert werden muss. Das Paket besteht in diesem Fall aus Daten. Das Zustellfahrzeug ist das Transportmittel; und die Straßen sind die Verkehrsverbindungen (Kanäle).

In ähnlicher Weise muss ein aus der Benutzeranwendung (Web/Mobil) generiertes Datenelement einige wichtige Schichten (Transport, Netzwerk und physisch) durchlaufen. Das Paket wird zunächst mit sicheren Adressdaten versehen, um die Zustellung an die richtige Person sicherzustellen. In TCP/IP stellt die Transportschicht sicher, dass die Daten je nach Typ über die entsprechende Verbindung gesendet werden.

Die Netzwerkschicht ist mit der Türadresse und die physische Schicht (Kommunikationskanal in TCP/IP) mit der Straßen-/Autobahnnummer vergleichbar.

IoT-Protokolle

In Bezug auf das Internet der Dinge wurden Änderungen und Ergänzungen an den bestehenden Protokollen vorgenommen und als proprietäre Versionen (Änderungen durch urheberrechtlich geschützte Behörden) und Open Alliance-Versionen veröffentlicht. In der folgenden Abbildung haben wir die am häufigsten verwendeten Protokolle und Begriffe hinzugefügt, auf die wir im Internet der Dinge stoßen.

 

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Wie bereits erwähnt, sollen in diesem Artikel die Grundlagen der vorhandenen Protokolle bereitgestellt werden. Anstehende Artikel können die detaillierten Aspekte von Protokollen und deren Spezifikationen erläutern.

Physikalische Schicht

Die physikalische Schicht spielt eine entscheidende Rolle beim Aufbau des Kommunikationskanals. Die Bedeutung des IoT umfasst die folgenden Merkmale:

  • Geringer Stromverbrauch
  • Lange Batterielebensdauer
  • Geringer Bandbreitenverbrauch
  • Kleinere und leichtere Geräte

Möglichkeit zum Anschluss und Betrieb mehrerer Geräte in einer einzigen Umgebung

Die obigen Merkmale können mit effektiven Standards der physikalischen Schicht erreicht werden. IEEE 802.15.4 (ZigBee, 6LoWPAN, WirelessHART, Mi-Wi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth Low Energy (BLE) – Bluetooth 4.0), Near Field Communication (NFC) usw. sind die Standards, die von bestimmten Gremien wie der IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) und proprietäre Anbieter (Z-Wave von SIGMA DESIGNS). Diese Standards spezifizieren die folgenden Punkte:

  • Betriebsfrequenz – ähnlich wie bei öffentlichen Buszeiten
  • Bandbreitennutzung – Kapazität pro Bus
  • Stromverbrauch – Kilometerstand jedes Fahrzeugs

 

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Netzwerk Ebene

Sobald die physische Konnektivität hergestellt wurde, muss es eine einzigartige Methode zur Unterscheidung der Geräte geben, die in ihrem eigenen Bereich arbeiten. Die Netzwerkadresse spielt eine wichtige Rolle bei der Identifizierung jedes PCs, der mit demselben Router verbunden ist, ähnlich wie eindeutige Nummern oder IDs, die Busse darstellen, die zur gleichen Zeit von einem Endpunkt abfahren.

Im IoT verfügt jede Allianz über eine eigene Netzwerkadresse. ZigBee ist beispielsweise eine Allianz mit eigenen Netzwerkadressen. In ähnlicher Weise haben BLE und Z-Wave ihre eigenen Netzwerkadressen entsprechend ihrer Umgebung.

Wi-Fi-Geräte werden mit einem IP-Stack in ihrem Chip geliefert, der eine IP-basierte Verbindung ermöglicht. Die IP-Schicht hilft den jeweiligen Geräten, effektiv innerhalb ihres Betriebsbereichs zu kommunizieren.

6LoWPAN-Geräte (IPv6-Low-Power-WLAN-Netzwerk für persönliche Netzwerke) arbeiten ebenfalls in IEEE 802.15.4, verfügen jedoch über den Netzwerkstapel mit IP-Konnektivität (IPv6). Als eine Analogie betrachten Sie TV-Fernbedienungen, die im Internet betrieben werden könnten.

 

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Transportschicht

Die Transportschicht spielt, in Netzwerken und beim Datenaustausch, die Rolle fortschrittlicher Tresore und Sperrmechanismen. IoT-Netzwerke sind aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs leicht anfällig für Angriffe. Die Transportschicht muss mit effizienten Sicherheitsfunktionen eingebettet werden und ist für die effektive Bandbreitennutzung und Sitzungspflege verantwortlich.

Die Anwendungen, die über der Transportschicht entwickelt wurden, müssen, um eine effektive Energie- und Bandbreitenreduzierung zu gewährleisten, das geeignete Transportschichtprotokoll auswählen.

Anwendungsschicht

Schließlich dient die Anwendungsschicht als Schnittstelle zwischen dem Benutzer und der gewünschten Sensoranwendung. Protokolle wie HTTP/HTTPS (Hyper Text Transfer Protocol – Secure) gibt es seit dem Beginn von IP. Ein gewöhnlicher Browser verwendet HTTP. Mit dem IoT sind Protokolle wie MQTT (Message Queuing Telemetry Protocol), AMQP (Advanced Message Queuing Protocol), CoAP (Constrained Application Protocol) usw. wesentlich wichtiger geworden. Beispielsweise verwendet Adhaar-Card AMQP und Facebook Messenger das MQTT-Protokoll. CoAP, eine leichtere Version des schweren HTTP-Protokolls, ist effektiver, wenn es in Kombination mit 6LoWPAN verwendet wird.

Daher hängt die Auswahl geeigneter Protokolle der Anwendungsschicht von den vertikalen Bereichen (Gesundheitswesen, Smart Home, Asset-Tracking usw.) ab, für die sie konzipiert wurden. Dies würde den zugrunde liegenden Protokollen helfen, effektiv an der Erhaltung ihrer jeweiligen Merkmale und an der Erreichung des Ziels von IoT zu arbeiten.

Hinweis:

Im Moment haben wir die Protokolle des PAN (Personal Area Network) des IoT diskutiert

LoRA und SIGFOX sind WAN-Protokolle (Wide Area Network) des IoT, die in diesem Blog nicht behandelt wurden.

PAN und WAN unterscheiden sich in ihrer Reichweite

PAN-Konnektivitätsbereich: 1 – wenige Meter

WAN-Konnektivitätsbereich: 1 bis viele Kilometer

Ich hoffe, dass dieser Artikel die Grundidee zu den bestehenden IoT-Protokollen und ihrer jeweiligen Positionierung im TCP/IP-Stack abdeckt. Besuchen Sie weiterhin den Blog, um weitere Informationen zu den Standards und ihren Spezifikationen zu erhalten.

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