Nesnelerin İnterneti iletişim protokollerinin kapsamlı analizi

Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarının sayısı artmaya devam ettikçe, bu cihazlar arasındaki iletişim veya bağlantı önemli bir düşünce konusu haline gelmiştir. İletişim, Nesnelerin İnterneti için çok yaygın ve kritik bir unsurdur. İster kısa mesafeli kablosuz iletim teknolojisi olsun, ister mobil iletişim teknolojisi olsun, Nesnelerin İnterneti'nin gelişimini etkiler. İletişimde, iletişim protokolleri özellikle önemlidir. Bunlar, her iki taraftaki varlıkların iletişim veya hizmetleri tamamlamak için uyması gereken kurallar ve anlaşmalardır. Bu makale, farklı performans, veri hızları, kapsama alanı, güç ve bellek özelliklerine sahip çeşitli IoT iletişim protokollerini tanıtmaktadır ve her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Bu iletişim protokollerinden bazıları yalnızca küçük ev aletleri için uygunken, diğerleri büyük ölçekli akıllı şehir projelerinde kullanılabilir. Nesnelerin İnterneti iletişim protokolleri iki kategoriye ayrılır: erişim protokolü ve iletişim protokolü. Erişim protokolü genellikle bir alt ağ içindeki cihazlar arasında ağ oluşturma ve iletişimden sorumludur; iletişim protokolü ise esas olarak geleneksel İnternet TCP/IP protokolü üzerinde çalışan ve İnternet üzerinden cihazlar arasında veri alışverişi ve iletişimden sorumlu bir cihaz iletişim protokolüdür.

1. Fiziksel katman ve veri bağlantı katmanı protokolleri

1. Uzun mesafeli hücresel iletişim

(1) 2G/3G/4G iletişim protokolleri sırasıyla ikinci, üçüncü ve dördüncü nesil mobil iletişim sistemi protokollerini ifade eder.

（2）NB-IoT

Dar Bant Nesnelerin İnterneti (NB-IoT), Her Şeyin İnterneti'nin önemli bir dalı haline gelmiştir. NB-IoT, hücresel ağ üzerine kuruludur ve yalnızca yaklaşık 180 kHz bant genişliği tüketir. Dağıtım maliyetlerini düşürmek ve sorunsuz yükseltmeler sağlamak için doğrudan GSM ağlarına, UMTS ağlarına veya LTE ağlarına kurulabilir. NB-IoT, Düşük Güçlü Geniş Kapsama (LPWA) Nesnelerin İnterneti (IoT) pazarına odaklanmaktadır ve dünya çapında yaygın olarak kullanılabilen gelişmekte olan bir teknolojidir. Geniş kapsama alanı, çoklu bağlantı, yüksek hız, düşük maliyet, düşük güç tüketimi ve mükemmel mimari özelliklerine sahiptir.

Uygulama senaryoları: NB-IoT ağının sunduğu uygulama senaryoları arasında akıllı park, akıllı yangın koruma, akıllı su hizmetleri, akıllı sokak lambaları, paylaşımlı bisikletler ve akıllı ev aletleri yer almaktadır.

（3）5G

Beşinci nesil mobil iletişim teknolojisi, hücresel mobil iletişim teknolojisinin en yeni neslidir. 5G'nin performans hedefleri yüksek veri hızları, düşük gecikme süresi, enerji tasarrufu, maliyet düşürme, artırılmış sistem kapasitesi ve geniş ölçekli cihaz bağlantısıdır.

Application scenarios: AR/VR, Internet of Vehicles, smart manufacturing, smart energy, wireless medical care, wireless home entertainment, connected drones, ultra-high definition/panoramic live broadcast, personal AI assistance, and smart cities.

2. Uzun mesafeli hücresel olmayan iletişim

（1）WiFi

Son birkaç yılda ev tipi WiFi yönlendiricilerinin ve akıllı telefonların hızla yaygınlaşmasıyla birlikte, WiFi protokolleri akıllı ev alanında da geniş çapta kullanılmaya başlandı. WiFi protokolünün en büyük avantajı, internete doğrudan erişim sağlamasıdır. ZigBee ile karşılaştırıldığında, WiFi protokolünü kullanan akıllı ev çözümü ek ağ geçitlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Bluetooth protokolüyle karşılaştırıldığında ise, cep telefonları gibi mobil terminallere olan bağımlılığı ortadan kaldırır.

Şehir içi toplu taşıma ve alışveriş merkezleri gibi kamuya açık yerlerde ticari WiFi'nin yaygınlaşması, ticari WiFi'nin sahne uygulamalarındaki potansiyelini şüphesiz ortaya koymuştur.

（2）ZigBee

ZigBee, düşük hızlı ve kısa mesafeli iletim için kullanılan bir kablosuz iletişim protokolüdür. Son derece güvenilir bir kablosuz veri iletim ağıdır. Başlıca özellikleri düşük hız, düşük güç tüketimi, düşük maliyet, çok sayıda çevrimiçi düğüm desteği, çoklu çevrimiçi topoloji desteği, düşük karmaşıklık, hızlı, güvenilir ve güvenli olmasıdır. ZigBee teknolojisi, son zamanlarda ortaya çıkan yeni bir teknolojidir. Temel olarak kablosuz ağlar üzerinden iletim yapar. Kısa mesafelerde kablosuz bağlantılar kurabilir ve bir kablosuz ağ iletişim teknolojisidir.

ZigBee teknolojisinin sahip olduğu avantajlar, onu Nesnelerin İnterneti sektöründe giderek ana akım bir teknoloji haline getirmiş ve endüstri, tarım, akıllı evler ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

（3）LoRa

LoRa (LongRange, uzun menzil), benzer teknolojilere göre daha uzun iletişim mesafeleri sağlayan bir modülasyon teknolojisidir. LoRa ağ geçitleri, duman sensörleri, su izleme, kızılötesi algılama, konumlandırma, çoklu prizler ve diğer yaygın olarak kullanılan IoT ürünlerinde kullanılır. Dar bantlı bir kablosuz teknoloji olan LoRa, coğrafi konum belirleme için varış zamanı farkını kullanır. LoRa konumlandırmanın uygulama senaryoları: akıllı şehir ve trafik izleme, ölçüm ve lojistik, tarımsal konumlandırma izleme.

3. Yakın alan iletişimi

（1）RFID

RFID, Radyo Frekanslı Tanımlama'nın kısaltmasıdır. Prensip olarak, hedefi tanımlamak amacıyla okuyucu ve etiket arasında temassız veri iletişimi sağlanır. RFID yaygın olarak kullanılmaktadır. Tipik uygulamalar arasında hayvan çipleri, araç çip alarmları, erişim kontrolü, otopark kontrolü, üretim hattı otomasyonu ve malzeme yönetimi yer almaktadır. Tam bir RFID sistemi üç bölümden oluşur: okuyucu (Reader), elektronik etiket (Tag) ve veri yönetim sistemi.

（2）NFC

NFC'nin Çince tam adı "yakın alan iletişim teknolojisi"dir. NFC, temassız radyo frekanslı tanımlama (RFID) teknolojisi temel alınarak geliştirilmiş ve kablosuz ara bağlantı teknolojisiyle birleştirilmiştir. Günlük hayatımızda giderek daha popüler hale gelen çeşitli elektronik ürünler için çok güvenli ve hızlı bir iletişim yöntemi sağlar. NFC'nin Çince adındaki "yakın alan" ifadesi, elektromanyetik alanın yakınındaki radyo dalgalarını ifade eder.

Uygulama alanları: Erişim kontrolü, devam takibi, ziyaretçi takibi, toplantı giriş-çıkış kaydı, devriye ve diğer alanlarda kullanılır. NFC, insan-bilgisayar etkileşimi ve makine-makine etkileşimi gibi işlevlere sahiptir.

（3）Bluetooth

Bluetooth teknolojisi, kablosuz veri ve ses iletişimi için açık bir küresel spesifikasyondur. Düşük maliyetli kısa menzilli kablosuz bağlantılara dayalı olarak sabit ve mobil cihazlar için bir iletişim ortamı oluşturan özel bir kısa menzilli kablosuz bağlantı teknolojisidir.

Bluetooth, cep telefonları, PDA'lar, kablosuz kulaklıklar, dizüstü bilgisayarlar, ilgili çevre birimleri vb. dahil olmak üzere birçok cihaz arasında kablosuz bilgi alışverişi sağlayabilir. "Bluetooth" teknolojisinin kullanımı, mobil iletişim terminal cihazları arasındaki iletişimi etkili bir şekilde basitleştirebilir ve ayrıca cihaz ile internet arasındaki iletişimi de başarıyla basitleştirerek veri iletimini daha hızlı ve verimli hale getirebilir ve kablosuz iletişimin yolunu genişletebilir.


4. Kablolu iletişim

（1）USB

USB, İngilizce'de Universal Serial Bus'ın kısaltmasıdır ve bilgisayarlar ile harici cihazlar arasındaki bağlantı ve iletişimi standartlaştırmak için kullanılan harici bir veri yolu standardıdır. Bilgisayar alanında uygulanan bir arayüz teknolojisidir.

(2) Seri iletişim protokolü

Seri iletişim protokolü, başlangıç ​​biti, ana veri, kontrol biti ve durdurma biti gibi veri paketinin içeriğini belirleyen ilgili özelliklere atıfta bulunur. Verilerin normal şekilde gönderilip alınabilmesi için her iki tarafın da tutarlı bir veri paketi formatı üzerinde anlaşması gerekir. Seri iletişimde yaygın olarak kullanılan protokoller arasında RS-232, RS-422 ve RS-485 bulunur.

Seri iletişim, çevre birimleri ve bilgisayarlar arasında veri hatları üzerinden veri bit bit ileten bir iletişim yöntemini ifade eder. Bu iletişim yöntemi daha az veri hattı kullanır ve uzun mesafeli iletişimde iletişim maliyetlerinden tasarruf sağlayabilir, ancak iletim hızı paralel iletime göre daha düşüktür. Çoğu bilgisayar (dizüstü bilgisayarlar hariç) iki adet RS-232 seri portuna sahiptir. Seri iletişim ayrıca enstrümantasyon ve ekipman için yaygın olarak kullanılan bir iletişim protokolüdür.

(3) Ethernet

Ethernet, bir bilgisayar yerel alan ağı teknolojisidir. IEEE organizasyonunun IEEE 802.3 standardı, fiziksel katman kablolaması, elektronik sinyaller ve ortam erişim katmanı protokolleri de dahil olmak üzere içeriği belirten Ethernet'in teknik standardını formüle eder.

（4）MBus

MBus uzaktan sayaç okuma sistemi (symphonic mbus), esas olarak ısı sayaçları ve su sayaçları gibi tüketim ölçüm cihazlarında kullanılan Avrupa standardı 2 telli bir veri yoludur.

2. Ağ katmanı ve iletim protokolü

1、IPv4

İnternet İletişim Protokolü Sürüm 4, İnternet Protokolünün geliştirme sürecindeki dördüncü revizyon ve bu protokolün yaygın olarak kullanılan ilk sürümüdür. IPv4, İnternetin çekirdeğidir ve İnternet Protokolünün en yaygın kullanılan sürümüdür.

2、IPv6

İnternet Protokolü sürüm 6, IPv4'ün en büyük sorunu olan sınırlı ağ adresi kaynakları nedeniyle tercih edilmiştir; bu durum internetin uygulama ve gelişimini ciddi şekilde kısıtlamaktadır. IPv6 kullanımı sadece ağ adresi kaynaklarının sayısı sorununu çözmekle kalmaz, aynı zamanda birden fazla erişim cihazının internete bağlanmasının önündeki engelleri de ortadan kaldırır.

3、TCP

İletim Kontrol Protokolü (TCP), bağlantı odaklı, güvenilir, bayt akışına dayalı bir taşıma katmanı iletişim protokolüdür. TCP, birden fazla ağ uygulamasını destekleyen katmanlı bir protokol hiyerarşisine uyum sağlamak üzere tasarlanmıştır. TCP, farklı ancak birbirine bağlı bilgisayar iletişim ağlarına bağlı bir ana bilgisayardaki işlem çiftleri arasında güvenilir iletişim hizmetleri sağlamak için kullanılır. TCP, alt düzey protokollerden basit, muhtemelen güvenilir olmayan veri paketi hizmetleri alabileceğini varsayar.

4、6DüşükPAN

6LoWPAN, IPv6 tabanlı, yani IEEE 802.15.4 üzerinden IPv6 kullanan düşük hızlı bir kablosuz kişisel alan ağı standardıdır.

3. Uygulama katmanı protokolü

1、MQTT Çevirisi

MQTT (Mesaj Kuyruğu Telemetri İletimi), Çince'de telemetri iletim protokolü olarak adlandırılır. Temelde iki mesaj modu sunar: abonelik/yayınlama. Daha basit, hafif ve kullanımı kolaydır. Özellikle kısıtlı ortamlarda (düşük bant genişliği, yüksek ağ gecikmesi ve kararsız ağ iletişimi) mesaj dağıtımı için uygundur. Nesnelerin İnterneti (IoT) için standart bir iletim protokolüdür.

In many cases, including in constrained environments such as machine-to-machine (M2M) communications and the Internet of Things (IoT). It has been widely used in communication sensors through satellite links, medical equipment for occasional dialing, smart homes, and some miniaturized devices.

2、CoAP Çevirisi

CoAP (Kısıtlı Uygulama Protokolü), Nesnelerin İnterneti dünyasında web benzeri bir protokoldür. Standart bir internet ağı üzerinden uzaktan kontrol edilmesi veya izlenmesi gereken küçük, düşük güç tüketimli sensörler, anahtarlar, vanalar ve benzeri bileşenler için uygundur. Sunucunun desteklenmeyen türlere yanıt vermesi gerekmez.

3、REST/HTTP Dönüştürücüsü

RESTful, kaynak tabanlı bir yazılım mimarisi stilidir. Kaynak olarak adlandırılan şey, ağ üzerindeki bir varlık veya ağ üzerindeki belirli bir bilgidir. Bir resim veya bir şarkı bir kaynaktır. RESTful API, HTTP protokolüne dayalı bir uygulamadır. (HTTP, basit ve hızlı bir uygulama katmanı protokolüdür).

REST spesifikasyonlarına uyan uygulamalar veya tasarımlar RESTful olarak adlandırılır ve REST spesifikasyonlarına göre tasarlanmış API'lere RESTful API'ler denir.

4.DDS protokolü

DDS (Veri Dağıtım Servisi), dağıtılmış gerçek zamanlı veri dağıtım servisi ara katman protokolüdür. Dağıtılmış gerçek zamanlı ağlarda "TCP/IP" gibidir. Gerçek zamanlı ağlarda ağ protokolü ara bağlantı sorunlarını çözmek için kullanılır. İşlevi "otobüs üzerinde otobüs"e eşdeğerdir.

5、AMQP Çevirisi

AMQP veya Gelişmiş Mesaj Kuyruklama Protokolü, birleşik mesajlaşma hizmetleri sağlayan bir uygulama katmanı standardı gelişmiş mesaj kuyruklama protokolüdür. Uygulama katmanı protokolleri için açık bir standarttır ve mesaj odaklı ara yazılımlar için tasarlanmıştır. Bu protokole dayalı istemciler ve mesaj ara yazılımları mesaj iletebilir ve farklı istemci/ara yazılım ürünleri, farklı geliştirme dilleri vb. ile sınırlı değildir. Erlang'daki uygulamalar arasında RabbitMQ vb. bulunur.

6、XMPP Çevirisi

XMPP, Standart Evrensel İşaretleme Dili'nin bir alt kümesi olan XML'e dayalı bir protokoldür ve XML ortamında geliştirme esnekliğini miras alır. Bu nedenle, XMPP tabanlı uygulamalar oldukça ölçeklenebilirdir. Genişletildikten sonra, XMPP, genişletilmiş bilgiler göndererek kullanıcı ihtiyaçlarını karşılayabilir ve içerik yayınlama sistemleri ve adres tabanlı hizmetler gibi uygulamalar XMPP üzerine inşa edilebilir.

4. Bazı iletişim protokollerinin karşılaştırılması

1. NB-IoT protokolü ile LoRa protokolü arasındaki karşılaştırma

Öncelikle frekans bandı. LoRa, 1 GHz'nin altındaki lisanssız frekans bantlarında çalışır ve uygulama için ek ücret gerektirmez. NB-IoT ve hücresel iletişim, 2113 sayılı yasa ile yetkilendirilmiş ve ücretli olan 1 GHz'nin altındaki frekans bantlarını kullanır.

İkinci olarak, pil ömrü. LoRa modülleri, parazit yönetimi, ağ çakışması, ölçeklenebilirlik vb. konularda benzersiz özelliklere sahiptir, ancak hücresel protokollerle aynı hizmet kalitesini sağlayamaz. Hizmet kalitesi hususları nedeniyle, NB-IoT, LoRa ile aynı pil ömrünü sağlayamaz.

Üçüncüsü, ekipman maliyetleri. Uç cihazlar için LoRa protokolü, NB-IoT'den daha basittir, geliştirilmesi daha kolaydır ve mikroişlemcilerle daha uyumludur. Aynı zamanda, düşük maliyetli, nispeten olgun teknolojiye sahip LoRa modülleri piyasada zaten bulunabiliyor ve yükseltilmiş sürümleri ardı ardına piyasaya sürülecek.

Dördüncüsü, ağ kapsamı ve dağıtım takvimi. NB-IoT standardı 2016 yılında duyuruldu. Ağ dağıtımına ek olarak, ilgili ticarileştirme ve endüstri zincirinin kurulması daha uzun zaman alacak ve daha fazla araştırma gerektirecektir. LoRa'nın tüm endüstri zinciri nispeten olgunlaşmış durumda ve ürünleri "piyasaya sürülmeye hazır". Aynı zamanda, dünyanın birçok ülkesinde ulusal çapta ağ dağıtımı devam ediyor veya tamamlanmış durumda.

2. Bluetooth, WiFi ve ZigBee protokollerinin karşılaştırılması

Şu anda WiFi'nin avantajı yaygın olarak kullanılması ve binlerce evde popüler hale gelmiş olmasıdır; ZigBee'nin avantajı düşük güç tüketimi ve kendi kendini organize eden ağ yapısıdır; UWB taşıyıcısız kablosuz iletişim teknolojisinin avantajı iletim hızıdır; Bluetooth'un avantajı ise basit ağ bağlantısıdır. Bununla birlikte, bu üç teknolojinin de kendi dezavantajları vardır ve hiçbir teknoloji akıllı evlerin tüm gereksinimlerini tam olarak karşılayamaz.

Bluetooth teknolojisinin ortaya çıkışı, kısa mesafeli kablosuz iletişimi mümkün kıldı; ancak karmaşık protokolleri, yüksek güç tüketimi ve yüksek maliyeti, düşük maliyet ve düşük güç tüketimi gerektiren endüstriyel kontrol ve ev ağları için uygun değildir. Özellikle Bluetooth'un en büyük engeli, sınırlı iletim menzilidir. Genellikle etkili menzil yaklaşık 10 metredir. Zayıf parazit önleme yeteneği ve bilgi güvenliği sorunları gibi problemler de, daha fazla gelişmesini ve geniş ölçekli uygulamasını kısıtlayan başlıca faktörlerdir.

WiFi, her zaman kablosuz sinyallere erişebilen kısa mesafeli bir kablosuz iletim teknolojisidir. Son derece mobil olup ofis ve ev ortamlarında kullanım için daha uygundur. Elbette WiFi'nin de ölümcül bir dezavantajı vardır. WiFi, verileri havadan gönderip alan ve veri sinyallerini iletmek için radyo dalgalarını kullanan radyo frekansı teknolojisini kullandığı için dış müdahalelere daha duyarlıdır.

ZigBee, uluslararası kabul görmüş bir kablosuz iletişim teknolojisidir. Her bir ağ portu 65,000'den fazla porta erişim sağlayabilir; bu da ev, sanayi, tarım ve diğer alanlarda kullanım için uygundur. Ancak Bluetooth ve WiFi ağ terminalleri yalnızca 10 porta erişim sağlayabilir, bu da ailelerin ihtiyaçlarını açıkça karşılayamaz. ZigBee ayrıca düşük güç tüketimi ve düşük maliyet avantajlarına da sahiptir.

3. Comparison between MQTT protocol and CoAP protocol

MQTT, farklı istemciler arasında bir aracı proxy üzerinden mesaj iletmek için kullanılan çoktan çoğa bir iletişim protokolüdür. Üreticileri ve tüketicileri birbirinden ayırır ve istemcinin mesajları yayınlamasına, proxy'nin ise yönlendirme ve kopyalama işlemlerine karar vermesine olanak tanır. MQTT bir miktar kalıcılığı desteklese de, en iyi şekilde gerçek zamanlı veri iletişim veri yolu olarak kullanılır.

CoAP, öncelikle istemciler ve sunucular arasında durum bilgisi içeren verileri iletmek için kullanılan noktadan noktaya bir protokoldür. Kaynakları gözlemlemeyi desteklese de, CoAP en iyi şekilde durum bilgisi içeren bir aktarım modeline uygundur ve tamamen olay tabanlı değildir.

MQTT istemcisi uzun süreli bir TCP bağlantısı kurar. Bu genellikle sorun olmadığı anlamına gelir. Hem CoAP istemcisi hem de sunucu UDP paketleri gönderip almaktadır. NAT ortamında, CoAP'ye izin vermek için tünelleme veya port yönlendirme kullanılabilir veya LWM2M'de olduğu gibi, cihaz önce ön uç bağlantısını başlatabilir.

MQTT, istemcilerin anlamasına yardımcı olacak mesaj türü etiketleri veya diğer meta verileri için destek sağlamaz. MQTT mesajları herhangi bir amaç için kullanılabilir, ancak iletişimin sağlanabilmesi için tüm istemcilerin yukarı yönlü veri formatını bilmesi gerekir. Bunun yerine CoAP, içerik müzakeresi ve keşfi için yerleşik destek sağlayarak cihazların birbirlerini tespit etmelerini ve veri alışverişi yapmanın bir yolunu bulmalarını sağlar.

Her iki protokolün de avantajları ve dezavantajları vardır ve doğru olanı seçmek uygulamanıza bağlıdır.

Bu makale "Pekin Nesnelerin İnterneti Akıllı Teknoloji Uygulamaları DerneğiFikri mülkiyet haklarının korunmasını destekliyoruz, lütfen yeniden yayınlarken orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir ihlal söz konusuysa, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.