物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)自動化中各種協(xié)議的作用

　　隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè) 4.0 功能的采用，設備通過工業(yè)協(xié)議進行連接越來越多。此外，今天的機器對機器 （M2M） 通信正在迅速對這些協(xié)議進行了標準化。使問題復雜化的是，物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議并不描述單一的應用層協(xié)議，因為有多個標準在生效。因此，雖然早期的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)使用標準的因特網(wǎng)協(xié)議，但現(xiàn)在也有專門的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

　　為通信結構建模和為特定應用尋找合適的協(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——如此設計工程師便可以更容易地選擇最適合的協(xié)議進行整合。

　　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)議進行聯(lián)網(wǎng)的連接設備。這些網(wǎng)絡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計工程集中在機器網(wǎng)絡頂層（應用）的原因。

　　定義工業(yè)網(wǎng)絡的應用層協(xié)議

　　數(shù)字 M2M 和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信協(xié)議結構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”了特定設備或來自其他設備的軟件層或其通信所用算法的詳細工作方式。這是因為各層定義為只包含手頭數(shù)據(jù)交換所需的足夠信息。

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

　　無論使用何種模型，都建立了一個應用層，作為網(wǎng)絡上相互通信的設備之間的最高抽象層?？紤]到應用層是開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的一個概念——國際標準化組織 （ISO） 最初在近三十年前即已針對網(wǎng)絡通信對之進行了定義。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)絡節(jié)點，讓設備在物理層建立連接并糾正錯誤。在 IEEE 802 標準中，數(shù)據(jù)鏈路層分為介質訪問控制 （MAC） 層（同樣，讓設備連接）和邏輯鏈路控制 （LLC） 層，用于識別下一個要使用的層（網(wǎng)絡層）以及錯誤校驗和同步。有關數(shù)據(jù)鏈路層功能，請閱讀 Digi-Key 文章《用 32 位 MCU 實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)》。相反，網(wǎng)絡層允許將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到網(wǎng)絡地址。另外，在數(shù)據(jù)鏈路和網(wǎng)絡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）。事實上，因特網(wǎng)層通常被認為是網(wǎng)絡層的一部分。

　　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，控制設備何時相互連接，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)轉換，以便使用不同語法的設備可以進行通信。

　　本文的重點是應用層，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)絡協(xié)議（和應用層）經(jīng)常使用工業(yè)（和商業(yè)）網(wǎng)絡的經(jīng)典 OSI 模型來描述。相比之下，三層物聯(lián)網(wǎng)架構模型將應用層置于感知和網(wǎng)絡層之上；四層模型將其置于數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡和感知層之上。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)絡間轉發(fā)數(shù)據(jù)的方式而得名（通常是相互轉發(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)絡上的主機——并允許超過 1038 個唯一的主機。

　　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)絡瀏覽。它提供了邏輯連接、傳輸數(shù)據(jù)包的確認、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時性能。UDP 適用于域名服務器 （DNS） 和動態(tài)主機配置協(xié)議 （DHCP），以及新的物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　應用層是網(wǎng)絡的 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的功能。

　　通用 TCP/IP 應用層協(xié)議

　　不同的應用層協(xié)議有不同的數(shù)據(jù)帶寬、實時能力和硬件要求。這些因素以及工廠或 OEM 團隊對協(xié)議的熟悉程度往往是一個重要的選擇標準。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)議主要用于人類驅動和人類消耗的通信，但具有 IIoT 傾向的 TCP/IP 協(xié)議更側重于機器對機器 （M2M） 和其他工業(yè)通信。

　　使事情變得復雜的是，TCP/IP 中用于基于網(wǎng)絡的人類信息互動的許多既定應用層協(xié)議也有消費和工業(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，這當然是真的。如果同時使用 eXtensible Markup Language （XML） 和 JavaScript Object Notation （JSON），用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能通常是可行的。有一點需要注意的是，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)設備通常最好只包括一個客戶端——而不是一個服務器。這可以防止設備收到可能允許非授權外部網(wǎng)絡接入的連接請求。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備、具有良好安全性和實時數(shù)據(jù)通信的裝置來說，可擴展的信息傳遞和存在協(xié)議 （XMPP） 可能是首選。

　　當物聯(lián)網(wǎng)項目由具有 IT 背景的工作人員領導時，這些熟悉的標準（來自人類可讀網(wǎng)絡）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行操作能力，且需要的帶寬最小。與受限應用協(xié)議 （CoAP） 不同，MQTT 已經(jīng)根據(jù) ISO/IEC 20922 進行了標準化。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，MQTT 也可以特別容易實現(xiàn)。難怪亞馬遜網(wǎng)絡服務的 AWS IoT 采用 MQTT 進行消息傳輸，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)專用輕量級機器對機器 （LwM2M） 協(xié)議相比，MQTT 確實有一些局限性，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)測和遠程設備操作等功能并不包括在該標準中，所以這些功能的納入往往是針對供應商的，這在一定程度上降低了該標準化協(xié)議的價值。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

　　高級消息隊列協(xié)議 （AMQP） 是另一個開放標準，與 MQTT 有些類似。它提供先進的功能，如消息隊列。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備。難怪它在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中的使用不如它在企業(yè)信息傳遞中的使用那么普遍。

　　用于連接簡單設備的 CoAP

　　因特網(wǎng)工程任務組 （IETF） 的受限應用協(xié)議 （CoAP） 允許以最小存儲空間和處理能力在低功率網(wǎng)絡上進行設備間通信。它可以以非常低的開銷運行，請求和響應可以小到四個字節(jié)。CoAP 放棄了使用復雜的傳輸堆棧，而是使用 UDP。如需了解 UDP 相關詳情，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)絡功能集成，以及與 XML 和 JSON 集成。工程師應該會發(fā)現(xiàn)，用 CoAP 連接物聯(lián)網(wǎng)設備與用 Web API 連接設備非常相似。

　Nordic 的 SiP 是一款低功耗 MCU，集成了一個 LTE-M、窄帶 （NB）-IoT 調制解調器以及 GPS。另提供一個軟件開發(fā)工具包進行 CoAP 設置。

　　用 LwM2M 連接電池供電型設備

　　開放移動聯(lián)盟推出的一個應用層協(xié)議就是專為物聯(lián)網(wǎng)應用而制訂的 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用、航運集裝箱和貨物跟蹤、自動非公路例行程序和水電氣監(jiān)測。該標準由一系列明確定義和維護的標準對象組成，包括連接監(jiān)測和遠程設備操作。自動固件升級也簡化了對 LwM2M 連接設備的管理。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)人員的設計工作變得更加容易。因為 LwM2M 是專門為物聯(lián)網(wǎng)應用設計的，它也可以在不增加開銷的情況下運行強大的 DTLS 安全協(xié)議。

　　用于實時分布式應用的 DDS

　　數(shù)據(jù)分發(fā)服務 （DDS） 有點不同——通常被歸類為 M2M 中間件，而不是應用層協(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)關的過度依賴。DDS 還處理消息的路由和發(fā)送，不需要應用干預。加上 DDS 服務的質量參數(shù)是可配置的，因此網(wǎng)絡操作可以在系統(tǒng)約束下實現(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 （DDS） 中間件基礎上——充當 AUTomotive Open System ARchitecture （AUTOSAR） 自適應和 ROS2 軟件架構基礎的一部分。這只是 DDS 支持物聯(lián)網(wǎng)軟件集成的一個例子。

　　結語：IIoT 應用層協(xié)議

　　所有協(xié)議都有優(yōu)點和缺點，但允許實現(xiàn)快速部署和安全（最好是低開銷）的開源選項最適合物聯(lián)網(wǎng)應用。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 IIoT 的實現(xiàn)——并進一步擴大了各種協(xié)議應用層的可能性。