Giao thức mạng trong IoT

Mặc dù các mô hình TCP/IP và OSI cung cấp cho bạn những tóm tắt hữu ích để thảo luận về các giao thức mạng và các công nghệ cụ thể thực hiện từng giao thức, trong thực tế, một số giao thức không phù hợp với các mô hình này. Ví dụ: giao thức TLS (Transport Layer Security) thực hiện mã hóa để đảm bảo tính riêng tư và toàn vẹn dữ liệu của lưu lượng mạng có thể được xem là hoạt động trên các lớp OSI 4, 5 và 6. Một số giao thức mạng được chấp nhận rộng rãi trong IoT và phù hợp với các lớp mô hình TCP/IP được mô tả bảng 3.3.

Bảng 3.3 Ánh xạ giữa giao thức mạng IoT và mô hình TCP/IP

Mô hình TCP/IP

  

IoT protocols – Giao thức mạng IoT

4

Appication layer

HTTPs, XMPP, CoAP, MQTT, AMQP

3

Transport layer

UDP, TCP

2

Internet layer

Ipv6, 6LoWPAN, RPL

1

Network access & physical layer

IEEE 802.15.4, Wifi (802.11 a/b/g/n), Ethernet (802.3), GSM, CDMA, LTE

Nhiều công nghệ mạng mới nổi và cạnh tranh đang được áp dụng trong IoT. Nhiều công nghệ được cung cấp bởi các nhà cung cấp khác nhau hoặc nhắm vào các thị trường khác nhau như tự động hóa gia đình, chăm sóc sức khỏe hoặc IoT công nghiệp, thường cung cấp các triển khai thay thế của cùng một giao thức tiêu chuẩn. Ví dụ, IEEE 802.15.4 mô tả hoạt động của các mạng khu vực cá nhân không dây tốc độ thấp (LR-WPANs) và được triển khai bởi một số mạng như ZigBee, Z-Wave, EnOcean, SNAP và 6LoWPAN.

Giao thức mạng ở lớp vật lý

Mạng có dây

Hệ sinh thái IoT thường được coi là bao gồm các thiết bị không dây, tuy nhiên trong thực tiễn, tùy vào ứng dụng, kết nối mạng trong hệ thống IoT sẽ sử dụng mạng có dây.

Được triển khai rộng rãi để kết nối có dây trong các mạng cục bộ, Ethernet cải tiến tiêu chuẩn IEEE 802.3. Không phải tất cả các thiết bị IoT cần phải là thiết bị không dây. Ví dụ: các cảm biến được cài đặt trong hệ thống tự động hóa tòa nhà có thể sử dụng các công nghệ mạng có dây như Ethernet.

Bảng 3.4 Bảng so sách đặc tính kỹ thuật mạng có dây Ethernet

Loại mạng

Phương tiện truyền dẫn

Tầm truyền

Thông lượng

Topo mạng

Ethernet

Twisted pair: 10BaseT

Coaxial: 10Base2/ 10Base5

Fibre: 10BaseF

10Base2: 0.5-200m

10Base5: 500m

10BaseT: 100m

10BaseF: 2km

10 Mbps

Bus, Star, Tree

Fast Ethernet

Twisted pair: 100BaseTx Fibre: 100BaseFx

100BaseTx: 100m (Cat 5)

100BaseFx: 2km

100 Mbps

Star

Gigabit Ethernet

Twisted pair: 1000BaseT

Fibre: 1000BaseX

1000BaseT: 100m(Cat 5) 1000BaseLX: 5km

1000BaseT: 1 Gbps 1000BaseX: 4.268 Gbps

Star

Mạng không dây

Các mạng IoT ở lớp 1 bao gồm vệ tinh, Wifi và Ethernet, cũng như các giải pháp chuyên dụng hơn như LPWAN, Bluetooth Low Energy, ZigBee, NFC và RFID.

(Mạng diện rộng công suất thấp) là một loại công nghệ được thiết kế để truyền thông không dây tầm xa, năng lượng thấp và do đó chúng rất lý tưởng để sử dụng trong các triển khai quy mô lớn của các thiết bị IoT công suất thấp như cảm biến không dây. Các công nghệ LPWAN bao gồm LoRa (giao thức lớp vật lý LongRange), Haystack, SigFox, LTE-M và NB-IoT (Narrow-Band IoT).

  • Cellular 
    Các tiêu chuẩn LPWAN NB-IoT và LTE-M nhằm mục đích cung cấp các tùy chọn giao tiếp IoT năng lượng thấp, chi phí thấp bằng cách sử dụng các mạng di động hiện có. NB-IoT là tiêu chuẩn mới nhất trong số các tiêu chuẩn này và tập trung vào giao tiếp tầm xa giữa số lượng lớn các thiết bị chủ yếu trong nhà. LTE-M và NB-IoT được phát triển riêng cho IoT, tuy nhiên các công nghệ di động hiện tại cũng thường được áp dụng cho giao tiếp không dây tầm xa. Chúng bao gồm 2G (GSM), phần lớn được sử dụng trong các thiết bị cũ và hiện đang được loại bỏ, cũng như CDMA, 3G, 4G và 5G.
  • Bluetooth Low Energy (BLE) 

BLE là phiên bản năng lượng thấp của giao thức truyền thông không dây Bluetooth 2.4 GHz phổ biến. Nó được thiết kế để liên lạc tầm ngắn (không quá 100 mét), topo mạng thường dạng sao, với một thiết bị chính điều khiển một số thiết bị phụ. Bluetooth hoạt động trên cả hai lớp 1 (PHY) và 2 (MAC) của mô hình OSI. BLE phù hợp nhất với các thiết bị truyền lượng dữ liệu thấp, vì các thiết bị được thiết kế chế độ “sleep” để tiết kiệm năng lượng khi chúng không truyền dữ liệu. Các thiết bị IoT cá nhân như máy theo dõi sức khỏe mang/đeo thường sử dụng BLE.

  • ZigBee 
    ZigBee cũng hoạt động trên phổ không dây 2.4GHz, nhưng nó có phạm vi rộng hơn BLE lên tới 100 mét. Nó cũng có tốc độ dữ liệu thấp hơn một chút (tối đa 250 kbps so với 270 kbps cho BLE) so với BLE. ZigBee là một giao thức mạng dạng lưới và không giống như BLE, không phải tất cả các thiết bị đều có thể “Sleep”, tùy thuộc vào vị trí của chúng trong lưới và liệu chúng có cần hoạt động như bộ định tuyến hoặc bộ điều khiển trong lưới hay không. ZigBee được thiết kế để xây dựng các ứng dụng tự động hóa gia đình, như điều khiển đèn. Một công nghệ khác có liên quan chặt chẽ với ZigBee là Z-Wave, cũng dựa trên MAC IEEE.15.15.4. Z-Wave cũng được thiết kế để tự động hóa gia đình và đó là một công nghệ độc quyền được phát hành gần đây dưới dạng thông số kỹ thuật trong phạm vi công cộng.
  • NFC (near field communication)

Giao thức NFC được sử dụng cho giao tiếp phạm vi rất nhỏ (tối đa 4 cm), chẳng hạn như giữ thẻ NFC hoặc thẻ bên cạnh đầu đọc. NFC thường được sử dụng cho các hệ thống thanh toán, nhưng nó cũng hữu ích cho các hệ thống đăng ký và nhãn thông minh trong theo dõi tài sản trong các ứng dụng IoT công nghiệp

  • RFID 
    RFID là viết tắt của Nhận dạng Tần số Vô tuyến. Thẻ RFID lưu trữ số nhận dạng và dữ liệu và được gắn vào thiết bị để đọc bởi đầu đọc RFID. Phạm vi điển hình của RFID là ít hơn một mét. Thẻ RFID có thể là chủ động, thụ động hoặc thụ động được hỗ trợ. Thẻ thụ động là lý tưởng cho các thiết bị không có pin, vì ID được đọc thụ động. Các thẻ hoạt động phát định kỳ ID của chúng, trong khi các thẻ thụ động được hỗ trợ sẽ hoạt động khi có đầu đọc RFID. Dash7 là một giao thức truyền thông sử dụng RFID hoạt động được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng IoT công nghiệp để liên lạc tầm xa an toàn. Tương tự như NFC, ứng dụng nổi bật của RFID là theo dõi các mặt hàng tồn kho trong các ứng dụng IoT bán lẻ và công nghiệp.
  • Wifi  

Wifi là mạng không dây tiêu chuẩn dựa trên thông số kỹ thuật của IEEE 802.11a/b/g/n. 802.11n cung cấp thông lượng dữ liệu cao nhất, nhưng với chi phí tiêu thụ điện năng cao, vì vậy các thiết bị IoT chỉ có thể sử dụng 802.11b hoặc g vì lý do bảo tồn năng lượng. Mặc dù wifi được sử dụng trong nhiều thiết bị IoT, nhưng các giải pháp mạng tiêu thụ năng lượng thấp hơn và tầm xa trở nên phổ biến rộng rãi hơn, có khả năng wifi sẽ được thay thế bởi các giải pháp thay thế công suất thấp hơn này.

Bảng 3.5 Bảng so sách đặc tính kỹ thuật kỹ thuật mạng không dây tầm ngắn

Loại mạng

Tần số

Tầm truyền

Thông lượng

Độ trễ

Topo mạng

Nguồn tiêu thụ

Wi-Fi

1 GHz

1 km

40 Mbps

100 ms

Mesh

Low

Bluetooth

2.4 GHz

100 m

2 Mbps

6 ms

Point to point

Low

Z-wave

800-900 MHz

100 m

100 kbps

NA

Mesh

Low

Zigbee

2.4 GHz

100 m

250 kbps

10 ms

Mesh

Low

NFC

13.56 MHz

10 cm

424 kbps

100 ms

Point to point

Low

Bảng 3.6 Bảng so sách đặc tính kỹ thuật kỹ thuật mạng không dây tầm xa

Loại mạng

Tần số

Tầm truyền

Thông lượng

Độ trễ

Topo mạng

Nguồn tiêu thụ

GMS/GPRS

Tùy khu vực

Lên tới 100km

384 kbps

0.15-1s

Mesh

High

LTE CAT 1

10 Mbps

0.05-0.1 s

Point to point

Medium

LTE CAT 0

1 Mbps

NA

Mesh

Medium

LTE CAT NB1 (NBIoT)

250 kbps

1.6-10s

Mesh

Low

LTE CAT M1 (eMTC)

1 Mbps

10-15 ms

Point to point

Low

Bảng 3.7 Bảng so sách đặc tính kỹ thuật kỹ thuật mạng không dây tầm xa LPWAN

Loại mạng

Tần số

Tầm truyền

Thông lượng

Topo mạng

Nguồn tiêu thụ

LoraWAN

Various (sub – 1 GHz)

15 km

50 kbps

Star

Very Low

Sigfox

900 MHz

50 km

10 kbps

Star

Very Low

Weighless

Various (sub – 1 GHz)

5 km

10 Mbps

Star

Very Low

Ingenu

Various (sub – 1 GHz)

1500 km

38 kbps

Star

Very Low

Giao thức lớp internet

Lớp mạng internet liên quan đến việc xác định và định tuyến các gói dữ liệu. Các công nghệ thường được áp dụng cho IoT có liên quan đến lớp này bao gồm IPv6, 6LoWPAN và RPL.

  • IPv6 
    Tại Lớp Internet, các thiết bị được xác định bởi các địa chỉ IP. IPv6 thường được sử dụng cho các ứng dụng IoT qua địa chỉ IPv4 cũ. IPv4 bị giới hạn ở các địa chỉ 32 bit, chỉ cung cấp tổng cộng khoảng 4,3 tỷ địa chỉ, ít hơn số lượng thiết bị IoT hiện tại được kết nối, trong khi IPv6 sử dụng 128 bit và do đó cung cấp 2128 địa chỉ (khoảng 340 tỷ tỷ tỷ tỷ) địa chỉ. Trong thực tế, không phải tất cả các thiết bị IoT đều cần địa chỉ công cộng. Trong số hàng chục tỷ thiết bị dự kiến ​​sẽ kết nối với IoT trong vài năm tới, nhiều thiết bị sẽ được triển khai trong các mạng riêng hoặc cục bộ sẽ sử dụng địa chỉ riêng và chỉ liên lạc với các thiết bị hoặc dịch vụ khác trên mạng bên ngoài qua gateway.
  • 6LoWPAN 
    Mạng cá nhân không dây công suất thấp IPv6 (6LoWPAN) cho phép IPv6 được sử dụng trên các mạng không dây 802.15.4. 6LoWPAN thường được sử dụng cho các mạng cảm biến không dây và giao thức Thread cho các thiết bị tự động hóa gia đình cũng chạy trên 6LoWPAN.
  • RPL  Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks

Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng công suất thấp và tổn thất (RPL) được thiết kế để định tuyến lưu lượng IPv6 qua các mạng năng lượng thấp như các mạng được triển khai trên 6LoWPAN. RPL có thể tính toán đường dẫn tối ưu bằng cách xây dựng biểu đồ của các nút trong mạng dựa trên các số liệu và ràng buộc động như giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng hoặc độ trễ.

Giao thức lớp ứng dụng

HTTP và HTTPS có mặt khắp nơi trong các ứng dụng internet, điều này cũng đúng trong IoT, với giao diện RESTful HTTP và HTTPS được triển khai rộng rãi. CoAP (Constrained Application Protocol) giống như một lightweight HTTP thường được sử dụng kết hợp với 6LoWPAN trên UDP. Các giao thức MQTT, AMQP và XMPP cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng IoT.

  • MQTT: Message Queue Tel Remotery Transport (MQTT) là một giao thức nhắn tin dựa trên publish/subscribe được thiết kế để sử dụng trong các tình huống băng thông thấp, đặc biệt là cho các cảm biến và thiết bị di động trên các mạng không đáng tin cậy.
  • HTTP: Sự lựa chọn công nghệ của bạn ở lớp này sẽ phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể của dự án IoT của bạn. Ví dụ, đối với hệ thống tự động hóa gia đình có nhiều cảm biến, MQTT sẽ là một lựa chọn tốt vì nó rất tốt để thực hiện nhắn tin trên các thiết bị mà không cần nhiều dung lượng lưu trữ hoặc xử lý vì giao thức đơn giản và nhẹ để thực hiện.

Design by Dr.S

Tags: ,