物联网中的协议和标准化计划

摘 要：互联技术的发展刺激了采用互联网连接的“智能”设备的使用，这些设备使用先进的分析和实时数据处理技术进行遥感，驱动和智能监控。在本文中，我们将从互操作性的角度回顾和讨论IOT协议和标准化计划的最新发展。特别是，我们着眼于应用程序层协议和解决方案的互操作性问题。

关键词：物联网协议;互操作性;CoAP;协议栈

一、 引言

世界各地的研究人员和创新型初创公司正在开发大量的端到云的解决方案。尽管此类项目和方案提供了来自Internet的设备的集成和控制，但它们并不总是使用标准化协议，因此在全球范围内使用时可能导致互操作性挑战。使用现有Internet协议将机器对机器（M2M）和无线传感器网络（WSN）接入已建立的Internet服务是一种趋势。这导致将以IP为中心的标准协议引入智能设备的领域。

物联网面临的两个最大挑战是低功率设备的存在（它们需要运行数月或数年而无法获得任何电能充电）以及通过有损网络进行频繁的数据交换。这些独有的特征和挑战使得现有互联网协议的使用不尽如人意。

本文提供了简要的入门知识，描述了正在研究并且处于不同实施阶段的协议栈和标准化措施。第2节提供了在构建涉及智能产品的各种快速原型解决方案时出现的一些难题。第3节概述了在构建标准驱动的IOT协议栈方面所做的研究。第4节提出了一些需要解决的与互操作性相关的问题。第五部分以结论结尾，概述了我们未来工作的方向。

二、 新兴困境

涉及物联网的较新解决方案面临新的困境。智能设备，低功耗设备和WSN试图超越狭窄的部署域，希望连接到云/互联网，但受到约束和限制。然后是世界范围内的Internet，它非常成功，可以随意地采用现有的标准技术（例如HTTP，SMTP，SSH等），而不必担心电源/数据丢失的限制。因此，双方自然而然地试图同化和协调。这是挑战，也是机遇。为此，可以在多个方向进行创新：

a. 通过设备计算能力/网络技术的进步（例如低功耗微控制器，更长寿命的电池和备用电源，更便宜的存储和带宽等），可以缓解资源限制。这些发展可使较新的物联网能够引入成熟的互联网技术域。但是这些通常是高投入，高影响力的创新，并且往往涉及研究预算非常大的公司（例如，Intel Atom Processors for IOT等）

b. 标准化机构和联盟正在努力定义较新的协议，这些协议针对特定用例/基础部署方案进行了优化。这些协议和标准的采用涉及政府标准机构如ETSI，IETF/IAB等组织以及ZigBee，Dash 7等联盟之间的合作。

c. 将有一个（可能是一个较长的）混合部署阶段，通过网关，中间件等将高度专业化/优化的WSN的网络与互联网的其余部分连接在一起。在未来几年，可能会出现大量的增量创新。也将需要对一些定义良好的开放标准的协议的理解。

三、 物联网协议栈

（一）标准驱动的方法

嵌入式网络传感器研究人员已经同意“互联网协议可以应用于最小的设备”这一想法。IPv6具有无限的地址空间，允许2128个或大约3.4×1038个唯一地址。定义了一个新的协议6LoWPAN，以使IPv6数据包能够在低功率且有损的个人局域网（LLN）上传输;已经定义了网关或中间件的结构草案，该网关或中间件提供了6LoWPAN与外部IPv6网络之间的互操作性。6LoWPAN协议的物理层和MAC层是IEEE 802.15.4标准。802.15.4-2006是用于低功率和低速率（250 kbps的数据传输）LLN的物理或第1层协议。

（二）其他物联网联盟和协议

除了基于IEFT标准的计划外，还有其他一些协议也在讨论开发和实施的各个阶段。从物联网解决方案实施角度来看，一些相关的协议是：

a. 消息队列遥测传输（MQTT）–由IBM研究人员开发，它被设计为轻量级的发布/订阅消息传输连接协议。该协议已与IBM WebSphere应用服务器集成。

b. ZigBee联盟-ZigBee（XBee）是一组应用程序配置文件，用于创建基于802.15.4-2003标准的低速无线网状网络。尽管ZigBee不能直接与IEFT标准（如6LoWPAN）相提并论，但已在小型自组织网络，智能家居和与智能对象相关的应用中广泛实施。

四、 应用程序级互操作性方案-MQTT和CoAP

MQTT协议描述了该协議非常适合资源受限的环境，这些环境具有以下特征：网络昂贵，带宽低或不可靠;在处理器或内存有限的嵌入式设备上运行。MQTT是一种开放式发布/订阅协议，用于遥测消息的异步传输。它使用基于代理的非对称结构，其中复杂性转移到了具有更高资源能力的代理节点上。MQTT基于TCP/IP协议，而MQTT-S是非TCP/IP协议的扩展。

MQTT-S尝试使用以内容为中心的通信范式而非以网络地址为中心的异步通信提供抽象。预计这种去耦将允许扩展和动态应用程序拓扑。但是，在三种主要类型的发布/订阅系统中，基于主题的系统最容易实现，而基于类型和基于内容的系统则更难实现。基于类型的通信要求类型信息在发布者和订阅者之间另外作为元数据交换，这增加了受限设备的开销。

五、 结论

尽管就互操作性而言，上述的场景可能不是迫在眉睫的需求，但它代表了随着基于各种定制协议的IOT解决方案的迅速发展而产生的需求。互操作性不只是提供协议代理服务类型。提供互操作性的中间件需要知道报头（固定和可变）以及消息有效负载中所包含的上下文和含义。这些中间件将在使资源受限设备上的应用程序保持最佳状态的同时，发挥关键作用。

参考文献：

[1]KIM K， YOO S， KIM H， et al. Interoperability of 6LoWPAN. draft-daniel-6lowpaninteroperability-01，IETF，vol.7，2005.

[2]孙利民，张书钦，李志，等.无线传感器网络：理论及应用[M].北京：清华大学出版社，2018.

作者简介：

黄凌，江苏省靖江市，南京信息职业技术学院电子信息学院。