文｜TulipHe

“物“是物聯(lián)網(wǎng)世界的主角，他們通過各種各樣的協(xié)議連接入網(wǎng)。通俗的講，就好比他們都在在說各種各樣的”語言“，在各自的小范圍內(nèi)可以溝通，但跨出邊界就很難互相理解。以至于今天我們所建立的物聯(lián)網(wǎng)，還是一個個隔離的世界。

為了加深對此的理解，我們先看看一些基本的概念。

首先談?wù)勈裁词?ldquo;協(xié)議”。《新華字典》里的解釋為：協(xié)議是國家、政黨或團(tuán)體間經(jīng)過談判、協(xié)商后取得的一致意見。用于物聯(lián)網(wǎng)，可以理解為使“物物“之間可以對話的一種文字約定。我們再看下網(wǎng)絡(luò)模型，最常見的是OSI模型（開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型）和TCP/IP。

開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（OSI模型：Open System Interconnection Reference Model，ISO/IEC 7498-1），是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的一種概念模型，是使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)框架。

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol Suite）是一個網(wǎng)絡(luò)通信模型，以及一整個網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議家族，為互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信架構(gòu)。它常被通稱為TCP/IP協(xié)議族（英語：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），簡稱TCP/IP。

該協(xié)議家族的兩個核心協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和IP（網(wǎng)際協(xié)議），為該家族中最早通過的標(biāo)準(zhǔn)。這些協(xié)議最早發(fā)源于美國國防部（縮寫為DoD）的ARPA網(wǎng)項(xiàng)目，因此也被稱作DoD模型（DoD Model）。

這個協(xié)議族由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組負(fù)責(zé)維護(hù)。TCP/IP提供點(diǎn)對點(diǎn)的鏈接機(jī)制，將數(shù)據(jù)應(yīng)該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標(biāo)準(zhǔn)化。

它將軟件通信過程抽象化為四個抽象層，采取協(xié)議堆棧的方式，分別實(shí)現(xiàn)出不同通信協(xié)議。協(xié)議族下的各種協(xié)議，依其功能不同，被分別歸屬到這四個層次結(jié)構(gòu)之中，常被視為是簡化的七層OSI模型。

除了在計(jì)算機(jī)、通信領(lǐng)域用到這兩個模型外，在工業(yè)領(lǐng)域也常用這兩個模型來解釋各種工業(yè)協(xié)議。在物聯(lián)網(wǎng)世界中，工業(yè)設(shè)備是重要的組成部分。IEEE Industrial Electronics magazine有篇文章《The Future of Industrial Communication》列出了一些協(xié)議、技術(shù)出現(xiàn)的時間點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，有很多種協(xié)議出現(xiàn)以適應(yīng)市場的需求。

當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)世界用到的協(xié)議有兩大類，通信類和工業(yè)類。

比如最早出現(xiàn)的通信類協(xié)議Ethernet，就是現(xiàn)在著名的以太網(wǎng)，是物理層的協(xié)議，為滿足計(jì)算機(jī)之間的通信而被制定出來的，于上世紀(jì)70年代出現(xiàn)。到2000年左右，以太網(wǎng)被廣泛使用，成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑瑢Ξ?dāng)今的世界產(chǎn)生了深刻的影響。

而工業(yè)類協(xié)議是在工業(yè)界為解決工業(yè)設(shè)備之間的通信而被研制出來的。如Modbus是最早的工業(yè)協(xié)議之一，是一種應(yīng)用層的串行通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，被電梯等行業(yè)廣泛采納。

工業(yè)協(xié)議種類繁多，有些只是在通信模型的某一層，有些會跨幾個層級，從通信模型的概念去理解，各種類型的協(xié)議與上、下層的協(xié)議分工合作，共同可以滿足某類業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)“物物”之間的通信。

以現(xiàn)場總線為例看下工業(yè)協(xié)議特點(diǎn)，現(xiàn)場總線（Field bus）是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。每種總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域。總線是為了滿足自動化發(fā)展的需求而產(chǎn)生的，由于不同領(lǐng)域的自動化需求各有其特點(diǎn)，因此在某個領(lǐng)域中產(chǎn)生的總線技術(shù)一般對這一特定的領(lǐng)域的滿足度高一些，應(yīng)用多一些，適用性好一些。

現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

它的特點(diǎn)是一般規(guī)定了底層的標(biāo)準(zhǔn)，對于高層的協(xié)議未做統(tǒng)一規(guī)定，導(dǎo)致各家雖然用的是同一種總線，但還是不能互通，一般被用于一些特定領(lǐng)域的封閉系統(tǒng)中。

每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行業(yè)的過程控制領(lǐng)域；LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對的，每種現(xiàn)場總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。

由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術(shù)委員會/國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。

很多公司也推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。工業(yè)協(xié)議種類繁多，現(xiàn)場總線只是工業(yè)協(xié)議的一個分支。由于應(yīng)用領(lǐng)域的差異，不同的產(chǎn)業(yè)的要求很難用一種技術(shù)協(xié)議來滿足。

比如有些要求高實(shí)時性，反饋信號與系統(tǒng)根據(jù)反饋信號做出的控制信號之間要及時，在毫秒級，有些系統(tǒng)對時延卻不太在意。另外不同業(yè)務(wù)對成本和性能的要求不同，有些需要高性能，也可以承受較高的成本，有些對成本很敏感，但對性能要求不高。

這些不同的需求導(dǎo)致了在協(xié)議設(shè)計(jì)時思路不同，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前用于汽車、工業(yè)控制、智能建筑等領(lǐng)域的工業(yè)協(xié)議有上百種，如果算上各廠商在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上衍生出來的各種版本，那總數(shù)就不計(jì)其數(shù)了。跨越行業(yè)邊界是需要做各種協(xié)議對接的，也就是將數(shù)據(jù)表示的含義以各自行業(yè)中的規(guī)范轉(zhuǎn)化一下。比如在一個協(xié)議中規(guī)定“0”代表打開開關(guān)，“1’代表關(guān)閉開關(guān)，但另一個行業(yè)可能完全相反，互相聯(lián)通時必須先”翻譯“一下。

最近在物聯(lián)網(wǎng)世界通信類協(xié)議中出現(xiàn)了LoRa、NB-IOT、MQTT、CoAP, AMQP等諸多新名稱，有些是物理層的，有些是數(shù)據(jù)鏈路層或數(shù)據(jù)層的。均是為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的需求，將各種各樣的物以最佳方式聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的。這些協(xié)議是為不同的物設(shè)計(jì)的，例如低功耗廣域網(wǎng)類的協(xié)議適合傳感器類的“物”，比較輕量級，發(fā)的是小包、低頻次的數(shù)據(jù)。

而數(shù)據(jù)層的MQTT協(xié)議也是為大量計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，它有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”，例如有些位于邊遠(yuǎn)地帶的只有電池供電的傳感器，可以丟失一些數(shù)據(jù)但要求終端能長時間工作，則可以選擇“至多一次”；“只有一次”，確保消息到達(dá)一次，這一級別可用于計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，確保消息不會重復(fù)或丟失，以免導(dǎo)致不正確的結(jié)果。

對比工業(yè)類協(xié)議，通信類的協(xié)議從一開始就將互聯(lián)互通放到了非常重要的位置，各種國際標(biāo)準(zhǔn)組織通過征求各方意見制定的協(xié)議使不同廠商的設(shè)備可以互聯(lián)互通。

各主要廠商在標(biāo)準(zhǔn)制定時深入?yún)⑴c，在產(chǎn)品研發(fā)時以標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，并且要通過各種互通性(Interoperability)測試。在實(shí)際應(yīng)用時也必須要克服各種技術(shù)困難將系統(tǒng)聯(lián)通。比如在使用互聯(lián)網(wǎng)時，普通用戶根本不需考慮底層網(wǎng)絡(luò)是哪種協(xié)議、設(shè)備是哪家公司生產(chǎn)的，甚至不用考慮服務(wù)是那個國家的運(yùn)營商提供的，只要使用就好。

目前物聯(lián)網(wǎng)中各種物還在一個個相對封閉的網(wǎng)絡(luò)里存在，很難跨越網(wǎng)絡(luò)邊界。而按照通信協(xié)議的思路，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要一個可互操作的系統(tǒng)，并支持多個制造商、協(xié)議和機(jī)構(gòu)在同一個網(wǎng)絡(luò)上共享。

但以太網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中面臨著很多挑戰(zhàn)，比如實(shí)時性，這在很多工業(yè)領(lǐng)域中是最重要的需求。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不是真正的實(shí)時系統(tǒng)，借用以太網(wǎng)的概念， PROFINET-isochronous real time (IRT) or EtherCAT被研制出來以適用于低時延要求的領(lǐng)域，如motion control applications。目前在市場上都是非標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)或非標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)。

由IEEE802.1Q制定的Ethernet time-sensitive networking是工業(yè)界對標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)時以太網(wǎng)的探索。TSN在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層堆棧中，位于第二層，數(shù)據(jù)鏈路層，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)之上。TSN從底層架構(gòu)中改變了以太網(wǎng)的不確定性，將它轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定性網(wǎng)絡(luò)。作為底層的通用架構(gòu)，TSN使得更多企業(yè)可以在此架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)OT和IT的融合。這種融合提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，并且為包括大數(shù)據(jù)分析以及智能的、連接的系統(tǒng)和機(jī)器在內(nèi)的新的業(yè)務(wù)提供更快的發(fā)展路徑。

我們已經(jīng)看到了當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)世界的存在多種多樣的協(xié)議，每種的產(chǎn)生都有其特定的背景，在各自的層級中和各應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，同時又不可避免的要與上下層級的協(xié)議共同工作。

即使我們只談?wù)撃骋粋€層級，物聯(lián)網(wǎng)世界的多協(xié)議格局——“多國語言“還會一直存在嗎？有沒有可能哪種語言能“一統(tǒng)江湖”？

比如TSN雄心勃勃想要基于標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又能提供可靠穩(wěn)定的實(shí)時性，為重構(gòu)各行業(yè)提供解決方案。如果TSN被廣泛采用，工業(yè)界多年來形成的各種封閉系統(tǒng)有望被打開。但各個領(lǐng)域目前的市場占領(lǐng)者，他們會守住自己的地盤，保住自己的利益，沒有足夠的驅(qū)動力估計(jì)是不會去大力推廣這種技術(shù)的。后進(jìn)入的公司面對各行各業(yè)的巨大壁壘，能夠依賴TSN闖出自己的一片天地嗎?

 物聯(lián)網(wǎng)的世界很精彩，物聯(lián)網(wǎng)的世界也很無奈，希望有一天物物之間能夠毫無障礙的通信，大量精彩的應(yīng)用能夠被容易的開發(fā)，迎來物聯(lián)網(wǎng)的新時代。（本文首發(fā)鈦媒體）

更多精彩內(nèi)容，關(guān)注鈦媒體微信號（ID：taimeiti），或者下載鈦媒體App