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本文和大家一起探讨IoT网络的几个重要特征

网络是IoT设备非常关键的部分,本文和大家一起探讨IoT网络的几个重要特征,及AliOS Things尝试提供的一些解决方案。 IoT网络的特征包括IP网络,UDP网络,多种通信手段及拓扑。而AliOS Things也尝试提供包括CoAP,SAL,uMesh等技术方案来应对这些挑战。
网络是IoT设备非常关键的部分,本文和大家一起探讨IoT网络的几个重要特征,及AliOS Things尝试提供的一些解决方案。
IP网络 
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今天是一个多样化的时代,不管什么技术都有多种标准存在,明争暗斗,每个人都有自己的小算盘,想要形成一个大一统的标准非常困难。从这个角度来说,IP网络的存在是个奇迹。IP网络真正做到了无种族,无国界,即插即用。IP网络可以为万物互联提供一个很好的基础。这种趋势也越来越明显,Zigbee推出了Zigbee IP,而谷歌也推出了同样基于802.15.4的Thread,Silicon Labs,TI等Zigbee核心厂商也纷纷支持(谷歌收购的Nest所使用的Thread是Silicon Labs开发的)。
IP网络还能给物联网带来几个明显的好处:
IP之上有大量成熟的软件栈,比如安全组件TLS/DTLS 
IPv6能提供足够多的地址空间 
大量熟悉socket的软件开发人员 
当然IP只是提供了一个通道,还需要有上层的协议来做保证“彼此听得懂”,现在比较流行的有阿里云的ICA联盟,OCF,Google Weave,HomeKit的存在,这个话题在此不展开。
UDP网络 
IP之上主要的两个传输层协议:TCP和UDP。应该说,目前为止,TCP都是碾压UDP的,一般听到的都是TCP/IP,几乎没听过UDP/IP。
TCP是一种面向连接的,可靠的,基于字节流的传输层协议。TCP的保活/重传/拥塞控制提供了一个很好的性能/健壮性折衷,对网络环境较好,实时性要求不高的应用来说,比如Web时代最流行的HTTP,TCP是非常好的选择。但是慢慢开始有人觉得TCP做得太多了,TCP的握手协议成为很多的Web API的性能的瓶颈,比如谷歌提出了QUIC(Quick UDP Internet Connection)试图通过UDP来进一步提高用户的网络体验。
在物联网,TCP的问题就更突出了,因为物联网环境经常面临网络信号不好,带宽有限,功耗苛刻。最近风头正劲的NB-IoT就是一个典型的例子。大多数NB-IOT的终端设备工作在电池环境下,传输速率较低,应用场景多种多样。TCP的面向连接,超时重传机制消耗更多的内存,同时也影响了功耗。
设想一下常见的传感器定时上传数据的场景:采集数据,上报数据,睡眠。因为定时上报,很多情况下,偶尔丢失数据是可以接受的。但是TCP为了提高数据到达率,其保活和重传机制会降低电池寿命,同时重传机制会消耗内存。
目前主流的云端通道协议还是基于TCP,主要是MQTT,包括阿里云IoT套件,Amazon,Azure。而阿里云IoT套件也支持CoAP,Google Weave也主要采用了UDP作为通信手段。
多种通信技术并存 
不同的通信技术,其速率,覆盖范围,可靠性,功耗,部署,成本都是不同的,没有一种技术能包治百病。3G/4G网络在覆盖范围上优于WiFi,但是在速率,功耗,成本上又不如WiFi。WiFi在速率上秒杀BLE,但是功耗又被BLE秒杀。
物联网领域,LPWA(Low Power Wide Area)技术NB-IoT,LoRa,SigFox受到广泛关注,其低功耗广覆盖的特点,简化了各种复杂环境下的部署。基于802.15.4的WSN(Wireless Sensor Network)[3]技术Zigbee,Wi-Sun,在功耗和成本优势明显,适合大规模部署。
WiFi/BLE在消费电子类的普及度,其应用受到广泛关注。WiFi由于不需要网关,受到各种家电厂商的青睐(但是家里的智能设备越来越多时,AP的连接数将成为瓶颈)。同时,面向物联网WiFi联盟于2016年推出了WiFi的低功耗版本,802.11ah(Wi-Fi HaLow)[4]。BLE随着5.0的推出,更快的速率,更大的mtu,除了提高现有的点到点通信体验,基于BLE构建WSN也变得可能,对Zigbee等现有技术构成了威胁。
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多种连接方式及网络拓扑并存 
下图是常见的网络拓扑: 
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图1 互联网全球连接快照图,可以隐约看出一棵棵树的存在。在以太网中,Tree和Bus较为常见,有线局域网内部是一个Bus拓扑,但是从访问互联网的角度,需要经过网关,网关就成为了树的根节点,所以也是一种Tree拓扑。而在无线局域网中,WiFi是Star拓扑,WSN以Tree/Mesh为主。在广域网包括LPWA,可以看作以基站为主的Star拓扑,基站之间则是Mesh拓扑。
在现有的以太网构成的骨干网基础上,在物联网中相信WSN/LPWA会有越来越多的应用。WSN的低成本低功耗,配合LPWA的低功耗广覆盖,可以覆盖非常广的物联网场景。
AliOS Things的网络特性 
针对上述的特点,AliOS Things从多个纬度提供相应的组件以更好的支持IoT设备的网络需求。除了基于LwIP2.0高度优化的协议栈外,还提供了以下丰富的组件:
基于CoAP的全链路优化 
AliOS Things支持基于CoAP的上云通道(比如阿里云IoT套件),同时支持基于CoAP的FOTA,使得构建一个全UDP的系统成为可能。关于AliOS Things上的CoAP支持的进一步信息可以参考:AliOS Things全链路优化-CoAP FOTA。
图片描述
SAL网络适配层 
在IoT设备上MCU外挂通信模块非常常见,而MCU和通信模块之间的通信方式也多种多样,为了降低复杂度,经常是通信模块上跑了完整的TCP/IP协议栈,而MCU通过AT或者私有协议去控制。针对这种情况,AliOS Things通过SAL组件,对上层提供标准socket接口,对下则可以基于SAL device适配私有协议。对于常见的AT模块,AT Parser进一步降低了对接的复杂度。进一步信息参考:AliOS Things网络适配框架 - SAL。
uMesh 
uMesh是无线协议无关的,IP之下,MAC之上的自组织网络协议栈。uMesh是一种Routing Mesh,支持树状拓扑和网状拓扑,树状拓扑下采用结构化地址路由,极大的减少了路由表大小。uMesh可以无缝和TCPIP协议栈对接,从而使得各类资源受限的无线设备可以简单的接入IP网络。uMesh是AliOS Things为复杂网络设计的,解决最后一公里通信问题的技术。

(责任编辑:ioter)

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