Протоколы связи IIoT
Протоколы связи являются ключевым компонентом объекта, соответствующего требованиям промышленного Интернета вещей и концепции Индустрии 4.0, и используются для обеспечения связи между облачными серверами для передачи данных или получения инструкций.
Промышленный Интернет вещей (IIoT) и облачные вычисления являются основными элементами для объекта, действующего в рамках Индустрии 4.0. Устройства IIoT должны обмениваться данными с облачными серверами для передачи данных или получения инструкций. Для обеспечения этой связи используются различные протоколы. В этой статье мы рассмотрим три основных протокола связи для связи IIoT, а именно HTTP, WebSockets и MQTT.
Протокол передачи гипертекста (HTTP)
HTTP – это самый популярный протокол прикладного уровня, используемый в Интернете. Протокол асимметричен и не имеет состояния, что означает, что связь не является двунаправленной и не зависит от предыдущих запросов от клиентов. Клиент отправляет запрос на сервер, и сервер удовлетворяет запрос, если это возможно.
Для приложений IIoT интерфейсы прикладного программирования (API) HTTP RESTful обычно используются для чтения, записи и обновления информации на облачных серверах. API обеспечивает канал связи между устройствами IIoT и сервером облачных вычислений. API-интерфейсы HTTP используют методы HTTP для передачи информации. Четыре основных метода HTTP – это GET, POST, DELETE и PUT. REST расшифровывается как REpresentational State Transfer и представляет собой архитектурный шаблон программирования для связи между различными компонентами через Интернет или сеть. API, которые придерживаются принципов REST, считаются RESTful. API-интерфейсы RESTful масштабируемы и подходят для связи между машинами.
Когда устройства IIoT подключены к облачным серверам с помощью RESTful HTTP API, они могут взаимодействовать друг с другом. Устройство IIoT может отправлять данные на сервер, а также получать данные с сервера с помощью запросов GET и PUT. HTTP был разработан для обеспечения связи по сети, и его конструкция не предназначалась для приложений IIoT. Частота и скорость передачи данных по HTTP недостаточны для крупномасштабных приложений IIoT. Энергопотребление HTTP также довольно велико, что имеет значение, когда большое количество устройств IIoT должно взаимодействовать с облачными серверами. Несмотря на это, HTTP является жизнеспособным вариантом, когда устройства с современными протоколами недоступны. Он также используется, когда приложения IIoT привязаны к устаревшим системам.
WebSocket
WebSocket – это протокол связи, который работает через соединение TCP/IP между двумя системами. WebSocket – это полнодуплексный канал связи, то есть связь может осуществляться в обоих направлениях одновременно. Полнодуплексная связь может осуществляться через одно соединение TCP/IP. Для полнодуплексной связи с WebSocket не требуется несколько подключений. Это делает его более подходящим для связи IIoT, чем HTTP, который является однонаправленным по своей природе.
Клиент и сервер в связи WebSocket инициируют полнодуплексный канал для связи. Процедура установления открытого соединения между клиентом и сервером называется рукопожатием. Рукопожатие выполняется с помощью HTTP-запроса GET. После завершения рукопожатия соединение между клиентом и сервером всегда остается открытым. Соединение прерывается только тогда, когда клиент или сервер явно закрывает соединение. WebSocket является относительно новым протоколом связи по сравнению с HTTP и гораздо менее распространенным. Однако преимущества этой технологии побуждают разработчиков создавать широкий спектр приложений IIoT с помощью WebSocket. Поскольку канал между устройствами IIoT и облачным сервером всегда открыт, между системами может передаваться большой объем данных, потребляя гораздо меньше энергии и полосы пропускания. Это также делает его более подходящим протоколом связи для приложений IIoT.
Некоторые из преимуществ использования WebSocket по сравнению с HTTP:
- Передача информации через WebSockets происходит быстрее, чем HTTP-запросы.
- WebSockets используют гораздо меньшую пропускную способность по сравнению с HTTP.
- Отсутствие задержки в связи между IIoT и облачным сервером, поскольку для связи используется полнодуплексный канал.
- Брандмауэры не могут блокировать веб-сокеты.
- Веб-сокеты могут обходить прокси.
- WebSocket – это стандартная интернет-технология. Для внедрения WebSocket не требуется дополнительное оборудование или специальные знания.
- WebSocket не следует использовать на устройствах, работающих от аккумуляторов. Поскольку полнодуплексное соединение всегда открыто, оно довольно быстро разряжает батареи. В таких случаях лучше использовать HTTP, так как запросы отправляются только тогда, когда это необходимо.
Протокол для передачи последовательности сообщений с телеметрическими данными (MQTT)
MQTT – это протокол связи, разработанный специально для устройств IIoT. Протокол был разработан IBM для обеспечения экономичной связи между датчиками в нефтяной промышленности и удаленными серверами с использованием спутников. Раньше этот протокол был проприетарным, но теперь это открытый протокол, поддерживаемый OASIS.
MQTT также является протоколом прикладного уровня, таким как HTTP. Как и HTTP, протокол MQTT также работает поверх уровня TCP/IP. В WebSocket и HTTP устройства IIoT подключаются напрямую к облачному серверу, определяя URL-адрес или IP-адрес облачной инфраструктуры. MQTT использует другую модель связи. С MQTT устройствам IIoT не нужно знать IP-адрес облачного сервера, а серверу не нужно знать IP-адрес устройств IIoT. Связь между устройствами IIoT и сервером происходит через посредника, называемого брокером. Брокер может находиться либо в локальной сети, либо через Интернет. Несмотря на это, все общение между клиентами протокола проходит через этого брокера.
Вместо методов в HTTP MQTT использует концепцию топиков публикации/подписки. Темы — это сегментированные данные, относящиеся к одной категории. Например, данные о температуре системы могут быть одной темой, а данные влажности могут быть другой темой. Клиенты могут публиковать данные в теме, что означает, что они могут добавлять данные в тему. Клиенты также могут подписаться на темы, и они будут получать данные только из этой темы. Маршрутизацией всех данных занимается брокер. Протокол MQTT имеет разные стандарты для определения глубины и частоты данных, которые должны быть опубликованы или подписаны.
Преимущества использования MQTT над HTTP или WebSocket:
- MQTT имеет небольшой вес и использует ограниченные ресурсы по сравнению с другими протоколами.
- Протокол MQTT потребляет меньше энергии для работы.
- MQTT также быстрее, чем протокол HTTP.
- MQTT специально разработан для межмашинного взаимодействия.
- MQTT ориентирован на данные, тогда как HTTP ориентирован на документы. Ориентированный на данные подход подходит для приложений Industry 4.0, особенно для машинного обучения.
- Подходящий протокол, когда есть ограничения, такие как ограничения по энергопотреблению, ограничения обработки, ограничения памяти, высокая задержка, ненадежные сети и т. д.
© digitrode.ru