ניתוח מלא של פרוטוקולי תקשורת האינטרנט של הדברים

ככל שמספר מכשירי האינטרנט של הדברים ממשיך לגדול, התקשורת או החיבור בין מכשירים אלה הפכו לנושא מחשבה חשוב. תקשורת היא נושא נפוץ מאוד וקריטי לאינטרנט של הדברים. בין אם מדובר בטכנולוגיית שידור אלחוטי קצר טווח או בטכנולוגיית תקשורת ניידת, היא משפיעה על התפתחות האינטרנט של הדברים. בתקשורת, פרוטוקולי תקשורת חשובים במיוחד. הם הכללים וההסכמים שגופים משני הצדדים חייבים לפעול לפיהם כדי להשלים תקשורת או שירותים. מאמר זה מציג מספר פרוטוקולי תקשורת IoT זמינים עם ביצועים, קצבי נתונים, כיסוי, הספק וזיכרון שונים, ולכל אחד מהם יתרונות וחסרונות משלו. חלק מפרוטוקולי התקשורת הללו מתאימים רק למכשירי חשמל ביתיים קטנים, בעוד שאחרים ניתנים לשימוש בפרויקטים גדולים של ערים חכמות. פרוטוקולי התקשורת של האינטרנט של הדברים מחולקים לשתי קטגוריות, האחת היא פרוטוקול הגישה והשנייה היא פרוטוקול התקשורת. פרוטוקול הגישה אחראי בדרך כלל על רשת ותקשורת בין מכשירים בתוך רשת משנה; פרוטוקול התקשורת הוא בעיקר פרוטוקול תקשורת מכשירים הפועל על פרוטוקול האינטרנט TCP/IP המסורתי ואחראי על חילופי נתונים ותקשורת בין מכשירים דרך האינטרנט.

1. פרוטוקולי שכבה פיזית ושכבת קישור נתונים

1. תקשורת סלולרית למרחקים ארוכים

(1) פרוטוקולי תקשורת 2G/3G/4G מתייחסים לפרוטוקולי מערכות תקשורת סלולרית מהדור השני, השלישי והרביעי בהתאמה.

（2）NB-IoT

אינטרנט של הדברים בפס צר (NB-IoT) הפך לענף חשוב של האינטרנט של הכל. NB-IoT בנוי על רשת סלולרית וצורך רק כ-180kHz של רוחב פס. ניתן לפרוס אותו ישירות ברשתות GSM, רשתות UMTS או רשתות LTE כדי להפחית את עלויות הפריסה ולהשיג שדרוגים חלקים. NB-IoT מתמקד בשוק האינטרנט של הדברים (IoT) בעל כיסוי רחב צריכת אנרגיה נמוכה (LPWA) והוא טכנולוגיה מתפתחת שניתן להשתמש בה באופן נרחב ברחבי העולם. יש לו מאפיינים של כיסוי רחב, חיבורים מרובים, מהירות גבוהה, עלות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה וארכיטקטורה מעולה.

תרחישי יישום: יישומי תרחישים שמביאה רשת NB-IoT כוללים חניה חכמה, כיבוי אש חכם, שירותי מים חכמים, תאורת רחוב חכמה, אופניים משותפים ומכשירי חשמל ביתיים חכמים.

（3）5G

טכנולוגיית התקשורת הסלולרית מהדור החמישי היא הדור האחרון של טכנולוגיית תקשורת סלולרית. יעדי הביצועים של 5G הם קצבי נתונים גבוהים, הפחתת השהייה, חיסכון באנרגיה, הפחתת עלויות, הגדלת קיבולת המערכת וקישוריות מכשירים בקנה מידה גדול.

תרחישי יישום: מציאות רבודה/מציאות מדומה, אינטרנט של כלי רכב, ייצור חכם, אנרגיה חכמה, טיפול רפואי אלחוטי, בידור ביתי אלחוטי, רחפנים מחוברים, שידור חי באיכות אולטרה-גבוהה/פנורמית, סיוע אישי באמצעות בינה מלאכותית וערים חכמות.

2. תקשורת למרחקים ארוכים שאינה סלולרית

（1）WiFi

עקב הפופולריות המהירה של נתבי WiFi ביתיים וסמארטפונים בשנים האחרונות, פרוטוקולי WiFi נמצאים בשימוש נרחב גם בתחום הבית החכם. היתרון הגדול ביותר של פרוטוקול ה-WiFi הוא שהוא יכול לגשת ישירות לאינטרנט. בהשוואה ל-ZigBee, פתרון הבית החכם המשתמש בפרוטוקול Wifi מבטל את הצורך בשערים נוספים. בהשוואה לפרוטוקול Bluetooth, הוא מבטל את התלות במסופים ניידים כמו טלפונים ניידים.

הכיסוי של WiFi מסחרי במקומות ציבוריים כמו תחבורה ציבורית עירונית וקניונים חשף ללא ספק את הפוטנציאל של WiFi מסחרי ביישומי סצנה.

（2）ZigBee

ZigBee הוא פרוטוקול תקשורת אלחוטי לשידור במהירות נמוכה ובמרחקים קצרים. זוהי רשת העברת נתונים אלחוטית אמינה ביותר. המאפיינים העיקריים שלה הם מהירות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה, עלות נמוכה, תמיכה במספר רב של צמתים מקוונים, תמיכה בטופולוגיות מקוונות מרובות, מורכבות נמוכה, מהירות, אמינות ובטוחה. טכנולוגיית ZigBee היא טכנולוגיה חדשה שהופיעה לאחרונה. היא מסתמכת בעיקר על רשתות אלחוטיות לשידור. היא יכולה לבצע חיבורים אלחוטיים במרחקים קצרים והיא טכנולוגיית תקשורת רשת אלחוטית.

היתרונות הטבועים של טכנולוגיית ZigBee הפכו אותה בהדרגה לטכנולוגיה מרכזית בתעשיית האינטרנט של הדברים, והיא נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה, בחקלאות, בבתים חכמים ובתחומים אחרים.

（3）LoRa

LoRa? (LongRange, טווח ארוך) היא טכנולוגיית אפנון המספקת מרחקי תקשורת ארוכים יותר מטכנולוגיות דומות. שערי LoRa, חיישני עשן, ניטור מים, גילוי אינפרא אדום, מיקום, מפסקי חשמל ומוצרי IoT אחרים הנמצאים בשימוש נרחב. כטכנולוגיית אלחוטית צרה-פס, LoRa משתמשת בהפרשי זמן הגעה כדי להשיג מיקום גיאוגרפי. תרחישי יישום של מיקום LoRa: ניטור עיר חכמה ותנועה, מדידה ולוגיסטיקה, ניטור מיקום חקלאי.

3. תקשורת שדה קרוב

（1）RFID

RFID הוא קיצור של Radio Frequency Identification (זיהוי תדר רדיו). העיקרון הוא תקשורת נתונים ללא מגע בין הקורא לתג כדי להשיג את מטרת זיהוי המטרה. RFID נמצא בשימוש נרחב. יישומים אופייניים כוללים שבבי בעלי חיים, אזעקות שבבי רכב, בקרת גישה, בקרת חניונים, אוטומציה של קווי ייצור וניהול חומרים. מערכת ה-RFID המלאה מורכבת משלושה חלקים: קורא (Reader), תג אלקטרוני (Tag) ומערכת ניהול נתונים.

（2）NFC

השם המלא בסין של NFC הוא טכנולוגיית תקשורת שדה קרוב (near field communication technology). NFC פותח על בסיס טכנולוגיית זיהוי תדר רדיו ללא מגע (RFID) בשילוב עם טכנולוגיית חיבור אלחוטי. הוא מספק שיטת תקשורת בטוחה ומהירה מאוד עבור מוצרים אלקטרוניים שונים שהופכים פופולריים יותר ויותר בחיי היומיום שלנו. המילה "near field" בשם הסיני של NFC מתייחסת לגלי רדיו בקרבת השדה האלקטרומגנטי.

תרחישי יישום: משמשים בבקרת גישה, נוכחות, מבקרים, רישום פגישות, סיורים ותחומים אחרים. ל-NFC פונקציות כגון אינטראקציה בין אדם למחשב ואינטראקציה בין מכונה.

(3) בלוטות'

טכנולוגיית בלוטות' היא מפרט גלובלי פתוח לתקשורת נתונים וקול אלחוטית. זוהי חיבור טכנולוגיית אלחוטית קצרת טווח מיוחדת המייצרת סביבת תקשורת עבור מכשירים קבועים וניידים המבוססת על חיבורים אלחוטיים קצרי טווח בעלות נמוכה.

בלוטות' יכול לבצע חילופי מידע אלחוטיים בין מכשירים רבים, כולל טלפונים ניידים, מחשבי כף יד, אוזניות אלחוטיות, מחשבים ניידים, ציוד היקפי קשור וכו'. השימוש בטכנולוגיית "בלוטות'" יכול לפשט ביעילות את התקשורת בין התקני קצה לתקשורת ניידת, ויכול גם לפשט בהצלחה את התקשורת בין המכשיר לאינטרנט, כך שהעברת הנתונים הופכת מהירה ויעילה יותר, ותרחיב את נתיב התקשורת האלחוטית.


4. תקשורת קווית

（1） USB

USB, קיצור של Universal Serial Bus באנגלית, הוא תקן אפיק חיצוני המשמש לתקינה של החיבור והתקשורת בין מחשבים להתקנים חיצוניים. זוהי טכנולוגיית ממשק המיושמת בתחום המחשבים האישיים.

(2) פרוטוקול תקשורת טורית

פרוטוקול התקשורת הטורית מתייחס למפרטים הרלוונטיים הקובעים את תוכן חבילת הנתונים, הכוללים את סיבית ההתחלה, סיבית הנתונים הראשית, סיבית הבדיקה וסיבת העצירה. שני הצדדים צריכים להסכים על פורמט עקבי של חבילת נתונים כדי לשלוח ולקבל נתונים כרגיל. בתקשורת טורית, הפרוטוקולים הנפוצים כוללים RS-232, RS-422 ו-RS-485.

תקשורת טורית מתייחסת לשיטת תקשורת שמעבירה נתונים ביט אחר ביט דרך קווי נתונים בין ציוד היקפי למחשבים. שיטת תקשורת זו משתמשת בפחות קווי נתונים ויכולה לחסוך בעלויות תקשורת בתקשורת למרחקים ארוכים, אך מהירות השידור שלה נמוכה יותר משידור מקבילי. רוב המחשבים (לא כולל מחשבים ניידים) מכילים שני יציאות טוריות RS-232. תקשורת טורית היא גם פרוטוקול תקשורת נפוץ עבור מכשור וציוד.

(3) אתרנט

Ethernet היא טכנולוגיית רשת מקומית למחשבים. תקן IEEE 802.3 של ארגון IEEE מנסח את התקן הטכני של Ethernet, המפרט את התוכן כולל חיווט השכבה הפיזית, אותות אלקטרוניים ופרוטוקולי שכבת גישה למדיה.

（4）MBus

מערכת קריאת מונים מרחוק MBus (symphonic mbus) היא מערכת אפיק דו-גידית בתקן אירופאי, המשמשת בעיקר עבור מכשירי מדידה של צריכה כגון מדי חום ומדי מים.

2. שכבת הרשת ופרוטוקול ההעברה

1, IPv4

פרוטוקול תקשורת האינטרנט גרסה 4 הוא הגרסה הרביעית בתהליך הפיתוח של פרוטוקול האינטרנט והגרסה הראשונה שנפרסה באופן נרחב של פרוטוקול זה. IPv4 הוא ליבת האינטרנט והגרסה הנפוצה ביותר של פרוטוקול האינטרנט.

2, IPv6

פרוטוקול אינטרנט גרסה 6, מכיוון שהבעיה הגדולה ביותר של IPv4 היא משאבי כתובות הרשת המוגבלים, מה שמגביל באופן משמעותי את היישום והפיתוח של האינטרנט. השימוש ב-IPv6 לא רק פותר את בעיית מספר משאבי כתובות הרשת, אלא גם פותר את המכשולים בפני התקני גישה מרובים להתחבר לאינטרנט.

3, TCP

פרוטוקול בקרת שידור (TCP) הוא פרוטוקול תקשורת שכבת תעבורה אמין, מבוסס זרם בתים, מונחה חיבורים. TCP נועד להתאים בהיררכיית פרוטוקולים שכבתית התומכת ביישומי רשת מרובים. TCP משמש לספק שירותי תקשורת אמינים בין זוגות של תהליכים במחשב מארח המחוברים לרשתות תקשורת מחשבים שונות אך מחוברות זו לזו. TCP מניח שהוא יכול לקבל שירותי דאטגרמה פשוטים, ואולי אף אמינים, מפרוטוקולים ברמה נמוכה יותר.

4、6LoWPAN

6LoWPAN הוא תקן רשת אלחוטית אישית במהירות נמוכה המבוסס על IPv6, כלומר IPv6 מעל IEEE 802.15.4.

3. פרוטוקול שכבת היישומים

1、MQTT协议

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), בתרגום לסינית, הוא פרוטוקול שידור טלמטריה. הוא מספק בעיקר שני מצבי הודעות: הרשמה/פרסום. הוא פשוט יותר, קל משקל וקל לשימוש. הוא מתאים במיוחד להפצת הודעות בסביבות מוגבלות (רוחב פס נמוך, השהיית רשת גבוהה ותקשורת רשת לא יציבה). זהו פרוטוקול שידור סטנדרטי לאינטרנט של הדברים (Internet of Things).

במקרים רבים, כולל בסביבות מוגבלות כגון תקשורת מכונה-למכונה (M2M) ואינטרנט של הדברים (IoT). הוא נמצא בשימוש נרחב בחיישני תקשורת דרך קישורי לוויין, ציוד רפואי לחיוג מזדמן, בתים חכמים וכמה מכשירים ממוזערים.

2、CoAP协议

CoAP (פרוטוקול יישומים מוגבל) הוא פרוטוקול דמוי אינטרנט בעולם האינטרנט של הדברים. הוא מתאים לחיישנים קטנים בעלי צריכת חשמל נמוכה, מתגים, שסתומים ורכיבים דומים שיש לשלוט או לנטר מרחוק דרך רשת אינטרנט סטנדרטית. השרת אינו צריך להגיב לסוגים שאינם נתמכים.

3、REST/HTTP协议

RESTful הוא סגנון ארכיטקטורת תוכנה מבוסס משאבים. מה שנקרא משאב הוא ישות ברשת, או מידע ספציפי ברשת. תמונה או שיר הם משאב. RESTful API הוא יישום המבוסס על פרוטוקול HTTP. (HTTP הוא פרוטוקול שכבת יישומים, שהוא פשוט ומהיר).

יישומים או עיצובים העומדים במפרטי Rest נקראים RESTful, וממשקי API שתוכננו לפי מפרטי Rest נקראים ממשקי API RESTful.

4. פרוטוקול DDS

DDS (שירות הפצת נתונים) הוא פרוטוקול תוכנה מבוזר לשירות הפצת נתונים בזמן אמת. זהו ה-"TCP/IP" ברשת בזמן אמת מבוזרת. הוא משמש לפתרון חיבור פרוטוקול רשת ברשת בזמן אמת. תפקידו שווה ערך ל"אוטובוס על האוטובוס".

5、AMQP协议

AMQP, או פרוטוקול תור הודעות מתקדם, הוא פרוטוקול תור הודעות מתקדם בשכבת היישומים המספק שירותי מסרים מאוחדים. זהו תקן פתוח לפרוטוקולי שכבת יישומים והוא מיועד לתוכנות ביניים מוכוונות הודעות. לקוחות ותוכנות ביניים המבוססות על פרוטוקול זה יכולות להעביר הודעות ואינן מוגבלות על ידי מוצרי לקוח/תוכנה שונים, שפות פיתוח שונות וכו'. יישומים ב-Erlang כוללים את RabbitMQ וכו'.

6、XMPP协议

XMPP הוא פרוטוקול המבוסס על XML, תת-קבוצה של שפת הסימון האוניברסלית הסטנדרטית (Standard Universal Markup Language), אשר יורש את הגמישות לפתח בסביבת XML. לכן, יישומים מבוססי XMPP ניתנים להרחבה רבה. לאחר הרחבה, XMPP יכול להתמודד עם צרכי המשתמש על ידי שליחת מידע מורחב, וניתן לבנות יישומים כגון מערכות פרסום תוכן ושירותים מבוססי כתובות על גבי XMPP.

4. השוואה בין כמה פרוטוקולי תקשורת

1. השוואה בין פרוטוקול NB-IoT לפרוטוקול LoRa

ראשית, תחום תדרים. LoRa פועל בתחומי תדרים ללא רישיון מתחת ל-1GHz, ואינו דורש עמלות נוספות עבור היישום. NB-IoT ותקשורת סלולרית משתמשות בתחומי תדרים מתחת ל-1GHz, המאושרים על ידי 2113 ודורשים עמלות.

שנית, חיי סוללה. למודולי LoRa יש מאפיינים ייחודיים בטיפול בהפרעות, חפיפה ברשת, גמישות וכו', אך הם אינם יכולים לספק את אותה איכות שירות כמו פרוטוקולים סלולריים. עקב שיקולי איכות השירות, NB-IoT אינו יכול לספק את אותה חיי סוללה כמו LoRa.

שלישית, עלויות ציוד. עבור צמתי קצה, פרוטוקול LoRa פשוט יותר מ-NB-IoT, קל יותר לפיתוח ויותר ישים ותואם למיקרו-מעבדים. במקביל, מודולי LoRa זולים וטכנולוגיה יחסית בוגרת כבר זמינים בשוק, וגרסאות משודרגות ישוחררו בזו אחר זו.

רביעית, כיסוי רשת ולוח זמנים לפריסה. תקן NB-IoT הוכרז בשנת 2016. בנוסף לפריסת הרשת, המסחור וההקמה של שרשרת התעשייה ייקחו זמן רב יותר ויותר לחקירה. שרשרת התעשייה כולה של LoRa בוגרת יחסית, ומוצריה "מוכנים להשקה". במקביל, מדינות רבות ברחבי העולם עוברות או השלימו פריסת רשת ארצית.

2. השוואה בין פרוטוקולי Bluetooth, WiFi ו-ZigBee

כיום, היתרון של WiFi הוא שהוא נמצא בשימוש נרחב וזכה לפופולריות באלפי משקי בית; היתרון של ZigBee הוא צריכת חשמל נמוכה ורשת מאורגנת באופן עצמאי; היתרון של טכנולוגיית תקשורת אלחוטית ללא ספק UWB הוא קצב השידור; היתרון של Bluetooth הוא רשת פשוטה. עם זאת, לשלוש הטכנולוגיות הללו יש גם חסרונות משלהן, ואף טכנולוגיה לא יכולה לעמוד במלואה בכל הדרישות של בתים חכמים.

הופעתה של טכנולוגיית בלוטות' מאפשרת תקשורת אלחוטית למרחקים קצרים, אך הפרוטוקולים המורכבים שלה, צריכת החשמל הגבוהה והעלות הגבוהה שלה אינם מתאימים לבקרה תעשייתית ולרשתות ביתיות הדורשות עלות נמוכה וצריכת חשמל נמוכה. בפרט, המכשול הגדול ביותר של בלוטות' הוא טווח השידור המוגבל. באופן כללי, הטווח האפקטיבי הוא כ-10 מטרים. בעיות כמו יכולת חלשה של עמידות בפני הפרעות ובעיות אבטחת מידע הן גם הגורמים העיקריים המגבילים את המשך פיתוחה ויישומה בקנה מידה גדול.

WiFi היא גם טכנולוגיית שידור אלחוטי למרחקים קצרים שיכולה לגשת לאותות אלחוטיים בכל עת. היא ניידת מאוד ומתאימה יותר לשימוש בסביבות משרדיות וביתיות. כמובן, ל-WiFi יש גם חיסרון חמור. מכיוון ש-WiFi משתמש בטכנולוגיית תדרי רדיו, אשר שולחת ומקבלת נתונים דרך האוויר ומשתמשת בגלי רדיו כדי להעביר אותות נתונים, הוא רגיש יותר להפרעות חיצוניות.

ZigBee היא טכנולוגיית תקשורת אלחוטית מקובלת בינלאומית. כל אחת מיציאות הרשת שלה יכולה לגשת ליותר מ-65,000 יציאות, דבר המתאים לשימוש ביתי, בתעשייה, בחקלאות ובתחומים אחרים. עם זאת, מסופי רשת Bluetooth ו-WiFi יכולים לגשת רק ל-10 יציאות, דבר שאינו יכול לענות על צרכי המשפחות. ל-ZigBee יש גם יתרונות של צריכת חשמל נמוכה ועלות נמוכה.

3. השוואה בין פרוטוקול MQTT לפרוטוקול CoAP

MQTT הוא פרוטוקול תקשורת מסוג רבים לרבים המשמש להעברת הודעות בין לקוחות שונים דרך פרוקסי ביניים, תוך ניתוק יצרנים וצרכנים, ומאפשר ללקוח לפרסם ולאפשר לפרוקסי להחליט על ניתוב והעתקה של הודעות. למרות ש-MQTT תומך במידת מה של שמירה על רמת תקשורת, הוא משמש בצורה הטובה ביותר כאפיק תקשורת נתונים בזמן אמת.

CoAP הוא בעיקר פרוטוקול נקודה לנקודה המשמש להעברת מידע מבוסס מצבים בין לקוחות לשרתים. בעוד שמעקב אחר משאבים נתמך, CoAP מתאים ביותר למודל העברה מבוסס מצבים ואינו מבוסס לחלוטין על אירועים.

לקוח ה-MQTT יוצר חיבור TCP ארוך טווח. משמעות הדבר היא בדרך כלל שאין בעיה. גם לקוח ה-CoAP וגם השרת שולחים ומקבלים חבילות UDP. בסביבת NAT, ניתן להשתמש במנהור או בהעברת פורטים כדי לאפשר CoAP, או כמו LWM2M, המכשיר עשוי לאתחל את החיבור הקדמי תחילה.

MQTT אינו מספק תמיכה בתגיות סוג הודעות או מטא-נתונים אחרים כדי לסייע ללקוחות להבין. ניתן להשתמש בהודעות MQTT לכל מטרה, אך כל הלקוחות חייבים להכיר את פורמט הנתונים העולה כדי לאפשר תקשורת. CoAP, במקום זאת, מספק תמיכה מובנית למשא ומתן וגילוי תוכן, המאפשרת למכשירים לזהות זה את זה כדי למצוא דרך להחליף נתונים.

לשני הפרוטוקולים יתרונות וחסרונות, ובחירת הפרוטוקול הנכון תלויה ביישום שלך.

מאמר זה משוכפל מתוך "איגוד יישומי טכנולוגיה חכמה לאינטרנט של הדברים בבייג'ינג", תומכים בהגנה על זכויות קניין רוחני, אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר בעת הדפסה חוזרת. אם יש הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.