隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè) 4.0 功能的采用，設(shè)備通過工業(yè)協(xié)議進(jìn)行連接越來越多。此外，今天的機(jī)器對機(jī)器 （M2M） 通信正在迅速對這些協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。使問題復(fù)雜化的是，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議并不描述單一的應(yīng)用層協(xié)議，因?yàn)橛卸鄠€標(biāo)準(zhǔn)在生效。因此，雖然早期的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，但現(xiàn)在也有專門的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

　　為通信結(jié)構(gòu)建模和為特定應(yīng)用尋找合適的協(xié)議可能讓人望而卻步。本文概括了各種協(xié)議的作用以及這些協(xié)議的可用選項(xiàng)——如此設(shè)計(jì)工程師便可以更容易地選擇最適合的協(xié)議進(jìn)行整合。

　　工業(yè)自動化中的 IIoT 功能依賴于越來越多的采用工業(yè)協(xié)議進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的連接設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)的抽象層不需要了解底層的功能，這就是為什么如此多的設(shè)計(jì)工程集中在機(jī)器網(wǎng)絡(luò)頂層（應(yīng)用）的原因。

　　定義工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議

　　數(shù)字 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)在概念上被分成抽象層，最常見的模型有三、四、五或七層。這些概念框架假定，每一層基本上都“隱藏”了特定設(shè)備或來自其他設(shè)備的軟件層或其通信所用算法的詳細(xì)工作方式。這是因?yàn)楦鲗佣x為只包含手頭數(shù)據(jù)交換所需的足夠信息。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)是分層的，但云計(jì)算和霧計(jì)算已經(jīng)模糊了組件功能之間的界限。這促使了新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型的使用。

　　無論使用何種模型，都建立了一個應(yīng)用層，作為網(wǎng)絡(luò)上相互通信的設(shè)備之間的最高抽象層。考慮到應(yīng)用層是開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的一個概念——國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 最初在近三十年前即已針對網(wǎng)絡(luò)通信對之進(jìn)行了定義。這個經(jīng)典的七層模型對于描述今天的一些協(xié)議來說有些過于復(fù)雜，但對于充分理解系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流仍然是有用的。

　　協(xié)議的物理層允許將原始數(shù)據(jù)（數(shù)字比特）作為電、無線電波或光信號進(jìn)行傳輸。該層規(guī)定了承載數(shù)據(jù)的物理元件的引腳布局、電壓水平、數(shù)據(jù)速率和線路阻抗。以太網(wǎng)是一種常見的物理層協(xié)議。如需了解相關(guān)詳情，請閱讀 Digi-Key 文章《EtherNet/IP 與 PROFINET 對比》。

　　數(shù)據(jù)鏈路層連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，讓設(shè)備在物理層建立連接并糾正錯誤。在 IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)鏈路層分為介質(zhì)訪問控制 （MAC） 層（同樣，讓設(shè)備連接）和邏輯鏈路控制 （LLC） 層，用于識別下一個要使用的層（網(wǎng)絡(luò)層）以及錯誤校驗(yàn)和同步。有關(guān)數(shù)據(jù)鏈路層功能，請閱讀 Digi-Key 文章《用 32 位 MCU 實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)》。相反，網(wǎng)絡(luò)層允許將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)地址。另外，在數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層之間有一個因特網(wǎng)層，因特網(wǎng)協(xié)議指的就是傳輸控制協(xié)議和因特網(wǎng)協(xié)議 （TCP/IP） 模型（在本文的下一節(jié)中討論）。事實(shí)上，因特網(wǎng)層通常被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)層的一部分。

　　接下來是三個 OSI 模型層中的第一個傳輸層，它確保數(shù)據(jù)序列傳輸過程中的通信可靠性和安全性。然后是會話層，控制設(shè)備何時(shí)相互連接，以及連接是單向的（單工）還是雙向的（雙工）。最后是表示層，允許數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以便使用不同語法的設(shè)備可以進(jìn)行通信。

　　本文的重點(diǎn)是應(yīng)用層，這是最高級別的抽象，也是用戶和系統(tǒng)軟件互動的地方。

圖 ：現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（和應(yīng)用層）經(jīng)常使用工業(yè)（和商業(yè)）網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典 OSI 模型來描述。相比之下，三層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型將應(yīng)用層置于感知和網(wǎng)絡(luò)層之上；四層模型將其置于數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)和感知層之上。五層物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模型也類似，但增加了處理層和企業(yè)層。（圖片來源：Design World）

　　工業(yè)自動化中的因特網(wǎng)協(xié)議

　　因特網(wǎng)協(xié)議是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，因其在網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式而得名（通常是相互轉(zhuǎn)發(fā)），用于跨邊界通信。它們的功能通常用上面提到的 TCP/IP 的四層模型來描述。這里，物理網(wǎng)絡(luò)或鏈路層與 OSI 模型的物理層相同。相比之下，TCP/IP 因特網(wǎng)層 （大致上接近 OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)層功能的組合）處理連接以及數(shù)據(jù)包。在 IPv6 中，該層使用 128 位 IP 地址來識別網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)——并允許超過 1038 個唯一的主機(jī)。

　　TCP/IP 中的傳輸層一般由傳輸控制協(xié)議 （TCP） 或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 （UDP） 組成。TCP 一般用于人類的互動，如電子郵件和網(wǎng)絡(luò)瀏覽。它提供了邏輯連接、傳輸數(shù)據(jù)包的確認(rèn)、丟失數(shù)據(jù)包的重傳和流量控制。但是嵌入式系統(tǒng)則使用 UDP 來獲得更低的開銷和更好的實(shí)時(shí)性能。UDP 適用于域名服務(wù)器 （DNS） 和動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議 （DHCP），以及新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)的 TCP/IP 模型中的最高層。功能包括那些與 OSI 模型的會話層和表示層相關(guān)的功能。

　　通用 TCP/IP 應(yīng)用層協(xié)議

　　不同的應(yīng)用層協(xié)議有不同的數(shù)據(jù)帶寬、實(shí)時(shí)能力和硬件要求。這些因素以及工廠或 OEM 團(tuán)隊(duì)對協(xié)議的熟悉程度往往是一個重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。盡管包括超文本傳輸協(xié)議 （HTTP） 和簡單郵件傳輸協(xié)議 （SMTP） 在內(nèi)的早期因特網(wǎng)協(xié)議主要用于人類驅(qū)動和人類消耗的通信，但具有 IIoT 傾向的 TCP/IP 協(xié)議更側(cè)重于機(jī)器對機(jī)器 （M2M） 和其他工業(yè)通信。

　　使事情變得復(fù)雜的是，TCP/IP 中用于基于網(wǎng)絡(luò)的人類信息互動的許多既定應(yīng)用層協(xié)議也有消費(fèi)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的用途。對于 HTTP 和 SMTP 以及安全外殼 （SSH） 和文件傳輸協(xié)議 （FTP） 來說，這當(dāng)然是真的。如果同時(shí)使用 eXtensible Markup Language （XML） 和 JavaScript Object Notation （JSON），用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能通常是可行的。有一點(diǎn)需要注意的是，使用 HTTP 會涉及安全問題。這就是為什么在這種系統(tǒng)中的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常最好只包括一個客戶端——而不是一個服務(wù)器。這可以防止設(shè)備收到可能允許非授權(quán)外部網(wǎng)絡(luò)接入的連接請求。在這里，WebSocket 協(xié)議可以通過 HTTP 建立全雙工通信。否則，對于需要解決大量設(shè)備、具有良好安全性和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的裝置來說，可擴(kuò)展的信息傳遞和存在協(xié)議 （XMPP） 可能是首選。

　　當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目由具有 IT 背景的工作人員領(lǐng)導(dǎo)時(shí)，這些熟悉的標(biāo)準(zhǔn)（來自人類可讀網(wǎng)絡(luò)）可能是首選。然而，較新的 IIoT 協(xié)議在某些情況下可能更適合 M2M 和其他工業(yè)通信。

　　用于垂直連接傳輸功能的 MQTT

　　消息隊(duì)列遙測傳輸 （MQTT） 協(xié)議在 IIoT 中得到了最迅速的采用，這是一個輕量級協(xié)議，最初用于存儲空間有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。MQTT 最先由 IBM 開發(fā)，用于連接石油管道上的傳感器，它提供了在緊湊的處理封裝中進(jìn)行操作能力，且需要的帶寬最小。與受限應(yīng)用協(xié)議 （CoAP） 不同，MQTT 已經(jīng)根據(jù) ISO/IEC 20922 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。MQTT 使用資源更密集的 TCP 傳輸層，因此消耗更多的電力，但消息可以是兩個字節(jié)——甚至比 CoAP 的消息更小。

　　由于其開放的性質(zhì)，MQTT 也可以特別容易實(shí)現(xiàn)。難怪亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的 AWS IoT 采用 MQTT 進(jìn)行消息傳輸，并且（含警告）支持基于 v3.1.1 規(guī)范的 MQTT。

　　與稍后將介紹的物聯(lián)網(wǎng)專用輕量級機(jī)器對機(jī)器 （LwM2M） 協(xié)議相比，MQTT 確實(shí)有一些局限性，這可能是由于 MQTT 最初是作為一個遙測協(xié)議而使用的。物體、連接性監(jiān)測和遠(yuǎn)程設(shè)備操作等功能并不包括在該標(biāo)準(zhǔn)中，所以這些功能的納入往往是針對供應(yīng)商的，這在一定程度上降低了該標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的價(jià)值。MQTT 也沒有提供錯誤處理能力。最后，盡管 MQTT 可以通過完整的 TLS 協(xié)議來保證安全，但這樣做會增加其開銷。

　　主要用在企業(yè)層面：AMQP

　　高級消息隊(duì)列協(xié)議 （AMQP） 是另一個開放標(biāo)準(zhǔn)，與 MQTT 有些類似。它提供先進(jìn)的功能，如消息隊(duì)列。然而，AMQP 的開銷比 MQTT 的開銷高，使得它不太適合連接非常受限制的設(shè)備。難怪它在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的使用不如它在企業(yè)信息傳遞中的使用那么普遍。

　　用于連接簡單設(shè)備的 CoAP

　　因特網(wǎng)工程任務(wù)組 （IETF） 的受限應(yīng)用協(xié)議 （CoAP） 允許以最小存儲空間和處理能力在低功率網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行設(shè)備間通信。它可以以非常低的開銷運(yùn)行，請求和響應(yīng)可以小到四個字節(jié)。CoAP 放棄了使用復(fù)雜的傳輸堆棧，而是使用 UDP。如需了解 UDP 相關(guān)詳情，請閱讀 Digi-Key 文章《EtherNet/IP 與 PROFINET 對比》。像 HTTP 一樣，CoAP 也使用 REST 模型——服務(wù)器在一個 URL 下提供資源，客戶端通過 POST、GET、DELETE 和 PUT 方法訪問這些資源。此外，CoAP 可以很容易地翻譯成 HTTP，以便與其他網(wǎng)絡(luò)功能集成，以及與 XML 和 JSON 集成。工程師應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)，用 CoAP 連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與用 Web API 連接設(shè)備非常相似。

　Nordic 的 SiP 是一款低功耗 MCU，集成了一個 LTE-M、窄帶 （NB）-IoT 調(diào)制解調(diào)器以及 GPS。另提供一個軟件開發(fā)工具包進(jìn)行 CoAP 設(shè)置。

　　用 LwM2M 連接電池供電型設(shè)備

　　開放移動聯(lián)盟推出的一個應(yīng)用層協(xié)議就是專為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而制訂的 LwM2M 協(xié)議。LwM2M 基于 CoAP，因此與 CoAP 的許多屬性相同，主要用于智慧城市應(yīng)用、航運(yùn)集裝箱和貨物跟蹤、自動非公路例行程序和水電氣監(jiān)測。該標(biāo)準(zhǔn)由一系列明確定義和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)對象組成，包括連接監(jiān)測和遠(yuǎn)程設(shè)備操作。自動固件升級也簡化了對 LwM2M 連接設(shè)備的管理。雖然納入諸如 JSON 之類模塊增加了它的開銷，但它也使開發(fā)人員的設(shè)計(jì)工作變得更加容易。因?yàn)?LwM2M 是專門為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它也可以在不增加開銷的情況下運(yùn)行強(qiáng)大的 DTLS 安全協(xié)議。

　　用于實(shí)時(shí)分布式應(yīng)用的 DDS

　　數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS） 有點(diǎn)不同——通常被歸類為 M2M 中間件，而不是應(yīng)用層協(xié)議。它為自主駕駛車輛、發(fā)電和空中交通管制系統(tǒng)提供安全和高性能的連接（其他方面除外）。在這些情形下，DDS 支持嵌入式系統(tǒng)的連接，使分布式控制擺脫了對網(wǎng)關(guān)的過度依賴。DDS 還處理消息的路由和發(fā)送，不需要應(yīng)用干預(yù)。加上 DDS 服務(wù)的質(zhì)量參數(shù)是可配置的，因此網(wǎng)絡(luò)操作可以在系統(tǒng)約束下實(shí)現(xiàn)工作優(yōu)化。

? ? ? 用于自主駕駛車輛的 Connext Drive 軟件建立在數(shù)據(jù)分配服務(wù) （DDS） 中間件基礎(chǔ)上——充當(dāng) AUTomotive Open System ARchitecture （AUTOSAR） 自適應(yīng)和 ROS2 軟件架構(gòu)基礎(chǔ)的一部分。這只是 DDS 支持物聯(lián)網(wǎng)軟件集成的一個例子。

　　結(jié)語：IIoT 應(yīng)用層協(xié)議

　　所有協(xié)議都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但允許實(shí)現(xiàn)快速部署和安全（最好是低開銷）的開源選項(xiàng)最適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。算力不斷增加的嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng) （SoC） 器件持續(xù)推進(jìn) IIoT 的實(shí)現(xiàn)——并進(jìn)一步擴(kuò)大了各種協(xié)議應(yīng)用層的可能性。