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仍处多协议格局,物联网世界难以统一 · 2018-11-30

 

 

 

 

“物“是物联网世界的主角,他们通过各种各样的协议连接入网。通俗的讲,就好比他们都在在说各种各样的”语言“,在各自的小范围内可以沟通,但跨出边界就很难互相理解。以至于今天我们所建立的物联网,还是一个个隔离的世界

 

为了加深对此的理解,我们先看看一些基本的概念。

 

首先谈谈什么是“协议”。《新华字典》里的解释为:协议是国家、政党或团体间经过谈判、协商后取得的一致意见。用于物联网,可以理解为使“物物“之间可以对话的一种文字约定。我们再看下网络模型,最常见的是OSI模型(开放式系统互联通信参考模型)和TCP/IP。

 

开放式系统互联通信参考模型(OSI模型:Open System Interconnection Reference Model,ISO/IEC 7498-1),是国际标准化组织提出的一种概念模型,是使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。

 

互联网协议(Internet Protocol Suite)是一个网络通信模型,以及一整个网络传输协议家族,为互联网的基础通信架构。它常被通称为TCP/IP协议族(英语:TCP/IP Protocol Suite,或TCP/IP Protocols),简称TCP/IP。

 

该协议家族的两个核心协议:TCP(传输控制协议)和IP(网际协议),为该家族中最早通过的标准。这些协议最早发源于美国国防部(缩写为DoD)的ARPA网项目,因此也被称作DoD模型(DoD Model)。

 

这个协议族由互联网工程任务组负责维护。TCP/IP提供点对点的链接机制,将数据应该如何封装、定址、传输、路由以及在目的地如何接收,都加以标准化。

 

它将软件通信过程抽象化为四个抽象层,采取协议堆栈的方式,分别实现出不同通信协议。协议族下的各种协议,依其功能不同,被分别归属到这四个层次结构之中,常被视为是简化的七层OSI模型。

 

 

仍处多协议格局,物联网世界难以统一

 

 

除了在计算机、通信领域用到这两个模型外,在工业领域也常用这两个模型来解释各种工业协议。在物联网世界中,工业设备是重要的组成部分。IEEE Industrial Electronics magazine有篇文章《The Future of Industrial Communication》列出了一些协议、技术出现的时间点。随着技术的发展,有很多种协议出现以适应市场的需求。

 

仍处多协议格局,物联网世界难以统一

 

 

当今的物联网世界用到的协议有两大类,通信类和工业类。

 

比如最早出现的通信类协议Ethernet,就是现在著名的以太网,是物理层的协议,为满足计算机之间的通信而被制定出来的,于上世纪70年代出现。到2000年左右,以太网被广泛使用,成为人们日常生活的一部分,对当今的世界产生了深刻的影响。

 

而工业类协议是在工业界为解决工业设备之间的通信而被研制出来的。如Modbus是最早的工业协议之一,是一种应用层的串行通信协议,是Modicon公司(现在的施耐德电气Schneider Electric)于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议的业界标准,被电梯等行业广泛采纳。

 

工业协议种类繁多,有些只是在通信模型的某一层,有些会跨几个层级,从通信模型的概念去理解,各种类型的协议与上、下层的协议分工合作,共同可以满足某类业务需求,实现“物物”之间的通信。

 

以现场总线为例看下工业协议特点,现场总线(Field bus)是一种工业数据总线,它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、传感器、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

 

现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输,是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。每种总线都有其产生的背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的,由于不同领域的自动化需求各有其特点,因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定的领域的满足度高一些,应用多一些,适用性好一些。

 

现场总线是自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

 

它的特点是一般规定了底层的标准,对于高层的协议未做统一规定,导致各家虽然用的是同一种总线,但还是不能互通,一般被用于一些特定领域的封闭系统中。

 

每种总线大都有其应用的领域,比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域;LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域;DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业,而这些划分也不是绝对的,每种现场总线都力图将其应用领域扩大,彼此渗透。

 

由于各个国家各个公司的利益之争,虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准,统一的标准仍未完成。

 

很多公司也推出其各自的现场总线技术,但彼此的开放性和互操作性还难以统一。工业协议种类繁多,现场总线只是工业协议的一个分支。由于应用领域的差异,不同的产业的要求很难用一种技术协议来满足。

 

比如有些要求高实时性,反馈信号与系统根据反馈信号做出的控制信号之间要及时,在毫秒级,有些系统对时延却不太在意。另外不同业务对成本和性能的要求不同,有些需要高性能,也可以承受较高的成本,有些对成本很敏感,但对性能要求不高。

 

这些不同的需求导致了在协议设计时思路不同,据不完全统计,目前用于汽车、工业控制、智能建筑等领域的工业协议有上百种,如果算上各厂商在标准协议上衍生出来的各种版本,那总数就不计其数了。跨越行业边界是需要做各种协议对接的,也就是将数据表示的含义以各自行业中的规范转化一下。比如在一个协议中规定“0”代表打开开关,“1’代表关闭开关,但另一个行业可能完全相反,互相联通时必须先”翻译“一下。

 

最近在物联网世界通信类协议中出现了LoRa、NB-IOT、MQTT、CoAP, AMQP等诸多新名称,有些是物理层的,有些是数据链路层或数据层的。均是为了适应物联网的需求,将各种各样的物以最佳方式联入网络而产生的。这些协议是为不同的物设计的,例如低功耗广域网类的协议适合传感器类的“物”,比较轻量级,发的是小包、低频次的数据。

 

而数据层的MQTT协议也是为大量计算能力有限,且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议,它有三种消息发布服务质量:“至多一次”, “至少一次”, “只有一次”,例如有些位于边远地带的只有电池供电的传感器,可以丢失一些数据但要求终端能长时间工作,则可以选择“至多一次”;“只有一次”,确保消息到达一次,这一级别可用于计费系统中,确保消息不会重复或丢失,以免导致不正确的结果。

 

对比工业类协议,通信类的协议从一开始就将互联互通放到了非常重要的位置,各种国际标准组织通过征求各方意见制定的协议使不同厂商的设备可以互联互通。

 

各主要厂商在标准制定时深入参与,在产品研发时以标准为依据,并且要通过各种互通性(Interoperability)测试。在实际应用时也必须要克服各种技术困难将系统联通。比如在使用互联网时,普通用户根本不需考虑底层网络是哪种协议、设备是哪家公司生产的,甚至不用考虑服务是那个国家的运营商提供的,只要使用就好。

 

目前物联网中各种物还在一个个相对封闭的网络里存在,很难跨越网络边界。而按照通信协议的思路,工业物联网的发展需要一个可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享。

 

但以太网的技术应用到工业领域中面临着很多挑战,比如实时性,这在很多工业领域中是最重要的需求。标准以太网不是真正的实时系统,借用以太网的概念, PROFINET-isochronous real time (IRT) or EtherCAT被研制出来以适用于低时延要求的领域,如motion control applications。目前在市场上都是非标准的技术或非标准的以太网。

 

由IEEE802.1Q制定的Ethernet time-sensitive networking是工业界对标准化实时以太网的探索。TSN在网络协议层堆栈中,位于第二层,数据链路层,标准以太网之上。TSN从底层架构中改变了以太网的不确定性,将它转变为确定性网络。作为底层的通用架构,TSN使得更多企业可以在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合提高了工业设备的连接性和通用性,并且为包括大数据分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供更快的发展路径。

 

 

仍处多协议格局,物联网世界难以统一

 

 

我们已经看到了当今的物联网世界的存在多种多样的协议,每种的产生都有其特定的背景,在各自的层级中和各应用领域中发挥着重要的作用,同时又不可避免的要与上下层级的协议共同工作。

 

即使我们只谈论某一个层级,物联网世界的多协议格局——“多国语言“还会一直存在吗?有没有可能哪种语言能“一统江湖”?

 

比如TSN雄心勃勃想要基于标准架构的网络又能提供可靠稳定的实时性,为重构各行业提供解决方案。如果TSN被广泛采用,工业界多年来形成的各种封闭系统有望被打开。但各个领域目前的市场占领者,他们会守住自己的地盘,保住自己的利益,没有足够的驱动力估计是不会去大力推广这种技术的。后进入的公司面对各行各业的巨大壁垒,能够依赖TSN闯出自己的一片天地吗?

 

 物联网的世界很精彩,物联网的世界也很无奈,希望有一天物物之间能够毫无障碍的通信,大量精彩的应用能够被容易的开发,迎来物联网的新时代。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

来源:   作者   TulipHe

 

 

 

 

 

 
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