Практическое занятие № 5 изучение протоколов интернета вещей

1. Цель работы

Приобретение навыков в выборе протоколов интернета вещей.

2. Задание

Исследовать протоколы интернета вещей.

3. Протоколы IoT и iIoT

Определение и ключевые характеристики:

IoT (Интернет вещей) ­­– cеть физических объектов ("вещей"), оснащенных датчиками, программным обеспечением и другими технологиями для сбора и обмена данными через Интернет или другие сети. Основные характеристики: массовость устройств, разнообразие применений (умный дом, носимые устройства, умный город, сельское хозяйство), часто ограниченные ресурсы устройств (энергия, вычислительная мощность, память).

IIoT (Промышленный интернет вещей) – подмножество IoT, ориентированное на применение в промышленности. Основные характеристики: высокая надежность, детерминизм (предсказуемое время доставки сообщений), безопасность, работа в суровых условиях, интеграция с существующими промышленными системами (SCADA, MES, ERP) и протоколами (Modbus, OPC UA). Применения: умные фабрики, мониторинг оборудования, предиктивное обслуживание, автоматизация процессов.

Ключевые протоколы IoT:

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Легковесный протокол обмена сообщениями по принципу "издатель-подписчик" (publish-subscribe). Идеален для устройств с ограниченными ресурсами и ненадежных сетей. Использует брокер для маршрутизации сообщений.

CoAP (Constrained Application Protocol): Специализированный веб-протокол для устройств с ограниченными ресурсами. Основан на RESTful архитектуре (аналогично HTTP), использует UDP для уменьшения накладных расходов, поддерживает наблюдение за ресурсами (observe).

HTTP/HTTPS (Hypertext Transfer Protocol / Secure): Широко распространенный протокол, но из-за своей тяжеловесности (заголовки, TCP-соединения) менее оптимален для очень ограниченных устройств. Часто используется устройствами с достаточными ресурсами (шлюзы, приложения) или для взаимодействия с облаком.

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol): Более функциональный протокол обмена сообщениями, чем MQTT (очереди, подтверждения, транзакции). Требует больше ресурсов, чаще используется на уровне серверов/шлюзов или в сложных IoT-системах.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): Протокол сетевого уровня для построения низкоскоростных, дальнодействующих (до 10-15 км в сельской местности), энергоэффективных беспроводных сетей LPWAN. Оптимален для сенсоров, рассредоточенных на большой территории.

Zigbee: Спецификация для сетей с низким энергопотреблением на основе стандарта IEEE 802.15.4. Строит самоорганизующиеся mesh-сети. Популярен в умном доме и зданиях.

Bluetooth/BLE (Bluetooth Low Energy): Технология ближнего радиуса действия (PAN) с очень низким энергопотреблением. Широко используется в носимых устройствах, датчиках ближнего действия, взаимодействии со смартфонами.

Ключевые протоколы IIoT:

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture): Независимый от платформы сервис-ориентированный стандарт для безопасного и надежного обмена данными в промышленной автоматизации. Поддерживает сложные информационные модели, обеспечивает безопасность "из коробки", работает поверх TCP/IP или собственных протоколов (для детерминизма). Краеугольный камень современных IIoT.

MQTT: Также широко применяется в IIoT для передачи телеметрии с машин и датчиков в системы более высокого уровня или облако. Особенно в сценариях, где не требуется жесткий детерминизм.

Time-Sensitive Networking (TSN): Набор стандартов IEEE 802.1, расширяющих стандартный Ethernet для обеспечения детерминированной, гарантированной доставки данных с низкой задержкой и джиттером. Не протокол прикладного уровня, а основа для построения детерминированных сетей IIoT.

DDS (Data Distribution Service): Протокол обмена данными в реальном времени по принципу "издатель-подписчик" без центрального брокера (децентрализованный). Обеспечивает высокую производительность, надежность и детерминизм. Часто используется в критически важных системах (аэрокосмическая, оборона, медицина, автоматизация).

Протоколы уровня полевой шины (адаптированные): Многие традиционные промышленные протоколы (Modbus TCP, Profinet, EtherNet/IP) интегрируются в IIoT-архитектуры, часто через шлюзы или напрямую, если поддерживают Ethernet/IP.