Tvorba komunikační struktury a výběr správného protokolu pro konkrétní aplikaci nemusí být snadný úkol. Tento článek se bude věnovat různým protokolům a jejich vlastnostem, aby konstruktéři mohli snadněji vybrat ten nejvhodnější pro danou aplikaci.
Obrázek 1: V průmyslové automatizaci jsou zařízení spojena průmyslovou sítí. Jednotlivé vrstvy těchto sítí nevyžadují žádnou znalost nižších vrstev, a proto se konstrukční inženýři zaměřují na vrchní (aplikační) vrstvu. (Zdroj obrázku: Getty Images)
Protokol pro aplikační vrstvu průmyslové sítě
Struktura komunikačního protokolu pro digitální systémy M2M a IoT je rozdělena do abstraktních vrstev, přičemž nejběžnější model má tři, čtyři, pět nebo sedm vrstev.
Obrázek 2: Tradiční systémové architektury jsou hierarchické, ale cloudové výpočty eliminovali spoje mezi jednotlivými komponenty. Proto je nutné použít nové modely síťových protokolů. (Zdroj obrázku: motioncontroltips.com )
Bez ohledu na použitý model, všechny vrstvy jsou zakončeny aplikační vrstvou. Aplikační vrstva je součástí modelu Open Systems Interconnection (OSI), která byla poprvé definována Mezinárodní organizací pro standardizaci (ISO) před téměř třemi desetiletími pro síťovou komunikaci. Tento klasický sedmivrstvý model je poněkud komplikovaný pro popis některých dnešních protokolů, ale je stále užitečný pro pochopení toku dat v systémech:
Fyzická vrstva protokolu umožňuje přenos digitálních bitů v podobě elektrických, rádiových nebo optických signálů. Tato vrstva určuje rozložení pinů, úrovně napětí, přenosové rychlosti a impedanci vedení fyzických prvků přenášejících data. Ethernet je běžný protokol fyzické vrstvy. Další informace najdete v článku EtherNet / IP versus PROFINET .
Datová vrstva spojuje síťové uzly a umožňuje zařízením navázat spojení a opravit chyby na fyzické vrstvě. V rámci standardu IEEE 802 je vrstva datového spoje rozdělena na vrstvu Medium Access Control (MAC) a vrstvu Logical Link Control (LLC) pro identifikaci, stejně jako kontrola chyb a synchronizace. Přečtěte si více o funkcích datové vrstvy v článku Implementace průmyslového Ethernetu s 32bitovými MCU .
Síťová vrstva umožňuje předávání datových paketů na síťové adresy. Tam, kde internetové protokoly odkazují na model Transmission Control Protocol a Internet Protocol (TCP / IP), existuje internetová vrstva mezi datovou vrstvou a síťovou vrstvou.Ve skutečnosti je internetová vrstva často považována za součást síťové vrstvy.
První z dalších tří vrstev modelu OSI je transportní vrstva, která zajišťuje spolehlivost a bezpečnost komunikace během přenosu. Potom relační vrstva řídí, kdy se zařízení navzájem propojují a zda je připojení jednosměrné (simplexní) nebo obousměrné (duplexní). Prezentační vrstva umožňuje překlad dat, aby mohla komunikovat zařízení používající různé syntaxe. Tento článek se věnuje aplikační vrstvě, která se zaměřuje na nejvyšší úroveň abstrakce, kde dochází k interakci mezi uživateli a systémovým software.
Obrázek 3: Moderní síťové protokoly jsou často popsány pomocí klasického modelu OSI. (Zdroj obrázku: Design World)
Internetové protokoly v průmyslové automatizaci
Funkce internetového protokolu jsou často popsány čtyřvrstvým modelem TCP / IP. Fyzická síť nebo linková vrstva odpovídá fyzické vrstvě modelu OSI. Naproti tomu internetová vrstva TCP / IP (která zhruba odpovídá kombinaci funkcí datového spoje a síťové vrstvy modelu OSI) zpracovává připojení i datové pakety. V protokolu IPv6 používá tato vrstva k identifikaci hostitelů v síti 128bitové adresy IP a umožňuje připojit více než 1038 jedinečných hostitelů.
Transportní vrstva v TCP / IP se obecně skládá z řídícího přenosového protokolu (TCP) nebo protokolu User Datagram (UDP). TCP se obecně používá pro e-mail a web. Poskytuje logická připojení, potvrzení přenášených paketů, opakovaný přenos ztracených paketů a řízení toku. Integrované systémy používají protokol UDP, jelikož má nižší režii a lze s ním dosáhnout vyššího výkonu v reálném čase. UDP funguje pro DNS, DHCP i pro nové aplikace IoT.
Aplikační vrstva je nejvyšší úroveň v TCP / IP modelu. Tato vrstva odpovídá relační a prezentační vrstvou modelu OSI.
Protokol aplikační vrstvy TCP / IP
Různé protokoly aplikační vrstvy mají různé šířky pásma dat, různé možnosti v reálném čase a různé hardwarové požadavky. Pro komunikaci řízenou člověkem se z velké části používá internetový protokol HTTP (Hypertext Transfer Protocol) a SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Protokol TCP / IP se více zaměřuje na M2M průmyslovou komunikaci.
Používání protokolu HTTP má bezpečnostní důsledky. Proto je vhodné, když zařízení obsahují pouze klienta a nikoli server. Tím se zařízením zabrání v přijímání požadavků na připojení, které by mohly umožnit neoprávněný vnější přístup do sítě. Zde může protokol WebSocket navázat plně duplexní komunikaci přes HTTP. Protokol XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol) je vhodný pro instalace s velkým množstvím zařízení s dobrým zabezpečením a datovou komunikací v reálném čase.
MQTT protokol
Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) - protokol původně určený pro zařízení IoT s omezenou pamětí. MQTT byl vyvinut společností IBM pro připojení senzorů na ropovodech. Na rozdíl od aplikačního protokolu CoAP je MQTT již standardizován podle ISO / IEC 20922. MQTT používá zdrojově náročnější transportní vrstvu TCP, a proto spotřebovává více energie. Zprávy mohou být dvou bajtové a dokonce i menší než zprávy CoAP.
Díky otevřenosti může být MQTT snadno implementovatelný. AWS IoT společnosti Amazon Web Services využívá MQTT pro přenos zpráv a s výhradami podporuje MQTT na základě specifikace v3.1.1. MQTT protokol má určitá omezení, jelikož byl původně zamýšlen jako telemetrický protokol - na rozdíl od protokolu LwM2M (IoT-specific Lightweight Machine to Machine). MQTT nenabízí žádné schopnosti zpracování chyb. I když lze MQTT zabezpečit pomocí TLS, dojde ke zvýšení režie.
Primárně na podnikové úrovni: AMQP
Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) je další otevřený standard s některými podobnostmi s MQTT. Nabízí pokročilé funkce, jako je například řazení zpráv. Režie AMQP je však vyšší než režie MQTT, takže není vhodný pro připojení málo výkonných zařízení. Není divu, že jeho použití v průmyslových aplikacích IoT je méně běžné než použití ve výkonných podnikových sítích.
CoAP pro připojení jednoduchých zařízení
Aplikační protokol CoAP od Internet Engineering Task Force (IETF) umožňuje komunikaci v sítích mezi zařízeními s minimální pamětí a s nízkou spotřebou energie. Může pracovat s velmi nízkou režií a požadavky a odpovědi mohou být o velikosti čtyř bajtů. Stejně jako HTTP používá CoAP model REST. Servery zpřístupňují zdroje pod adresou URL a klienti k nim přistupují pomocí metod POST, GET, DELETE a PUT. CoAP lze navíc snadno přeložit do protokolu HTTP pro integraci s dalšími webovými funkcemi XML a JSON. Připojení zařízení CoAP je snadné pomocí webového rozhraní API.
Obrázek 4: Nordic SiP je nízkoenergetický MCU s integrovaným modemem LTE-M a úzkopásmovým (NB) -IoT a GPS. Sada pro vývoj softwaru umožňuje jednoduché nastavení CoAP. (Zdroj obrázku: Nordic Semiconductor)
Připojení bateriových zařízení pomocí LwM2M
LwM2M je protokol od Open Mobile Alliance vytvořený speciálně pro aplikace IoT. Tento protokol se používá zejména v aplikacích inteligentního města, přepravě kontejnerů a monitorování nástrojů. Je založen na protokolu CoAP a sdílí mnoho z jeho atributů. Automatické aktualizace firmware zjednodušuje správu zařízení připojených k LwM2M. Je schopen pracovat s JSON, ale na úkor zvýšení režie. Protože LwM2M byl navržen speciálně pro aplikace IoT, může také pracovat se silným bezpečnostním protokolem DTLS bez zvýšení režie.
DDS pro aplikace v reálném čase
DDS (Data Distribution Service) je často klasifikována spíše jako middleware M2M než jako protokol aplikační vrstvy. Poskytuje zabezpečené a vysoce výkonné připojení v autonomních vozidlech, výrobě energií a systémech pro řízení letového provozu. DDS podporuje připojení vestavěných systémů, které se nespoléhají na brány. DDS protokol zaručuje směrování a doručování zpráv bez nutnosti zásahu aplikace. Navíc lze konfigurovat kvalitu parametrů služby DDS, takže síťové operace lze optimalizovat pro práci v rámci systémových omezení.
Obrázek 5: Connext Drive software pro autonomní vozidla je postaven na službě DDS. Ta slouží jako součást základu pro AUTomotive Open System ARchitecture (AUTOSAR) a ROS2. Toto je jen jeden příklad toho, jak DDS podporuje integraci softwaru IoT. (Zdroj obrázku: Real-Time Innovations):
Závěr
Všechny protokoly mají silné a slabé stránky, ale pro aplikace IIoT jsou nejvhodnější open-source protokoly umožňující rychlé nasazení a silné zabezpečení (nejlépe s nízkou režií). Vestavěné systémy a zařízení typu SoC s neustále se zvyšujícími výpočetními schopnostmi si poradí i s protokoly náročné na výkon.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jody Muelaner.
