物聯(lián)網(wǎng)世界仍處多協(xié)議格局,有沒有一種語言能“一統(tǒng)江湖”?
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)
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