淺談物聯網分組數據傳輸協議

糜 雷

在社會時代飛速發展的趨勢下，我國經濟建設也在不斷地突破向前。尤其是在互聯網行業快速發展的今天，很多領域已經和互聯網緊密結合，形成了先進的行業技術。在互聯網飛速發展的同時，物聯網應運而生。物聯網現在已經逐漸進入了我們的生活，對我們的生活方式有了很大的改變。筆者嘗試對接入層傳輸協議結構模型和接入層傳輸信道的使用方法及內層傳輸協議的數據格式進行了一個探索，希望能夠對未來物聯網的發展盡一些綿薄之力。

引言：物聯網最早出現是在一九九九年，美國的麻省理工學院首次提出了物聯網這個名詞。而我們一般所說的“物聯網”其實是有兩層含義的——廣義的定義和狹義的定義。首先來說廣義的“物聯網”，它指的就是信息所構建的空間與物理空間相融合后產生的結果，廣義的物聯網其實就是我們日常生活中的各種實物之間的信息化、數字化，在人的互相交往之中、人與生活中的物品的互動之中、物品與物品的關系之中都可以實現信息的交流；而狹義的“物聯網”指的就是一定范圍內部的物與物之間的網絡聯系，這里面所包含的是生活或者生產中物品與物品之間的關系或一些信息化的設備與生產生活物品之間的聯系。為了能夠提高物聯網傳輸數據的效率，現在進行物聯網數據傳輸的基礎主要有兩個：互聯網和各種專用網。但是，因為還沒有在物聯網界達成一個統一的協議，因此物聯網行業中的分組數據的傳輸還是比較割裂和分散的，這也對未來各種數據的交流與共享的以及未來與互聯網的融合也因此會受到阻礙，因此對于物聯網的傳輸協議進行深入的探討也是非常有必要的。

1.現有傳輸協議的分析

因為物聯網的數據有不同的類型，也因此現有的物聯網數據分組協議有內層和外層兩種。內層的傳輸協議主要是通過傳感器或者是控制器對我們所需要進行數據采集和數據監控的目標物品來進行控制，這個層面屬于接入層；而外層協議的主要作用是對大量的數據進行長距離的傳輸，圖1展現的是上文提到的分層結構。

圖1

1.1 外層協議

外層協議所要傳輸的數據量比較大，而且所需要的網絡是需要跨境、跨區域的?，F在我國主要是通過通信骨干網絡來進行數據傳輸基于TCP/IP協議來進行數據傳輸。但是因為IPv4地址資源消耗殆盡，并且物聯網對于地址的需求量激增、這就會使得IPv6地址也面臨同樣的問題，因此大家提出了一個新的想法：也就是通過內層傳輸協議來處理IP地址不夠這個問題，即把IP地址作為一個目標地址，而內層地址則是物品標示，這樣就能夠在內層中進行應用數據傳輸。

1.2 內層協議

內層協議主要的工作就是在網絡區域內進行分組數據傳輸，這個系統最大的特點就是需要給每一個傳感器和監測點都分配一個地址，這些地址之中就包含著無限的分組數據，但是這些數據監測的范圍是有限的，而且監測的內容具有相似性。一種比較傳統的方式是采用有線連接實現區域內的數據傳輸。此外還有一種方法是采用無線傳輸，通常我們所說的無線傳輸是指WiFi技術、GPRS技術、紅外技術、Zig-Bee技術等等，這些技術有各自不同的傳輸協議，但是在內部它們之間還沒有達成一致的共識，因此在轉換的時候就會出現問題。

2.分組交換

分組交換也稱為包交換，它將用戶通信的數據劃分成多個更小的等長數據段，在每個數據段的前面加上必要的控制信息作為數據段的首部，每個帶有首部的數據段就構成了一個分組。首部指明了該分組發送的地址，當交換機收到分組之后，將根據首部中的地址信息將分組轉發到目的地，這個過程就是分組交換。能夠進行分組交換的通信網被稱為分組交換網。

分組交換的本質就是存儲轉發，它將所接受的分組暫時存儲下來，在目的方向路由上排隊，當它可以發送信息時，再將信息發送到相應的路由上，完成轉發。其存儲轉發的過程就是分組交換的過程。

3.分組數據內網傳輸協議

要想協調不同的區域協議，就需要我們在外層協議和內層協議之間創立一個新的銜接協議，如圖2所示。在圖2中，接入層的傳輸協議是需要在內層各種不同標準協議中提取我們所需要的數據，并在這個中間添加一個地址識別碼，這樣就能夠獲得一個含有物品標識的數據分組。這些原始數據可以和我們的傳輸目標地址相結合，這樣就能夠形成一套數據包。物聯網分組數據內網傳輸協議主要分為以下兩種類型：

圖2

3.1 微型區內物聯網數據傳輸協議

物理網中數據傳輸的方式和傳輸協議主要是受到數據的傳輸距離影響。像WiFi、ZigBee這類傳輸方式可在非常廣泛的微型區域范圍內形成一個覆蓋區域，每個區都可以設立訪問的接入點，在微型區內物聯網數據傳輸協議中，接入點可以直接和外層網絡相結合，加大傳輸數據的數量，但同時這種技術可能會讓信道上的數據量加大，這樣可能會導致信道被搶占，讓數據遭到破壞。

3.2 近距離傳感區物聯網數據傳輸協議

現在已經有很多成熟的近距離傳感技術被創造出來，比如說：紅外技術、藍牙技術、RFID技術等等，這些技術能夠幫助我們進行信號傳遞。因為傳感器和信號接入點之間的距離比較近，通常只有幾米左右，在這種近距離內，我們可以使用那些傳感器自身成熟的協議。但是如果傳輸的距離比較遠，使用這些協議就不太方便了。此時我們可以選擇有線連接或者選擇GPRS連接方式，這樣能夠更加簡單快捷。

4.接入層傳輸協議結構

4.1 傳輸特點

物聯網的數據傳輸有兩大特點：首先是大部分的傳感器或控制器所能夠傳輸的數據量比較小。 但是如果我們使用IP協議就會需要攜帶過多的數據，占用過多的空間。這樣就會造成空間的浪費。其次因為物聯網在進行數據傳輸的時候，數據在發送過程中不是不間斷的。只有在傳感器狀態發生變化的時候才會進行數據傳輸。

4.2 傳輸信道的使用

在解決數據傳輸時出現沖突在這個問題上，有兩種可行的辦法：同步傳輸，或異步傳輸。

同步傳輸指的是因為接入點的接入需要占用時隙，因此可以把信道分為多個時隙，再由接入點設備向內層網絡發送同步時隙，當每個接收點接收到信號以后，就能夠以此信號為參考，并在隨后上傳自己的數據，這樣就能夠保證數據傳輸的秩序性，不會造成沖突。而且因為節點所占用的空間比較小，因此能夠分出來很多時隙。

異步傳輸方式的過程中也是將信道劃分為多個時隙，但是劃分之后并不會像同步傳輸那樣發送一個同步信號，這就需要各個接入點搶占時隙。在某個接入點需要發送數據之前，需要先對信道進行一個檢測，在確保這個時候沒有數據占用信道之后再發送自己的數據，如果檢測到信道上有數據，那就會進行隨機時間的等待，在進行下一輪檢測。

4.3 傳輸協議的數據格式

接入層的內部，會有地址身份的驗證以及在驗證過程中產生的數據，而且這些數據因為數量不多，因此只需要兩個字節來表示所需要的數據。每個檢測點或控制點傳輸的數據包括地址或身份和該點所檢測到的數據，此外地址也可以用兩個字節來表示，一個字節代表的是傳感器所在的微型區號，一共有128bit。另外一個字節表示傳感器的編號地址，也是有128bit。這樣看來，每個時隙就需要四個字節用來傳輸數據，這樣就可以節省下來大量的數據空間，可以創造大量的時隙信道，這樣有利于在傳輸過程中對信號進行監測。當接入點接收到檢測信號以后，會對這些數據進行存儲，然后通過骨干網傳輸協議將數據變成諸如SDH、TCP/IP、MPLS等數據格式后再進行傳輸。

圖3 接入層內層傳輸協議數據格式

5.小結

物聯網的數據傳輸現在還沒有一個統一的共識，因此在實際使用中我們主要還得根據需要檢測對象來選取所需要的傳輸信道，以及這個信道所對應的協議。這也能快速解決一些企業想在工作中進行物聯網設置時所遇到的困難。但是只有能夠將不同種類的物品通過互聯網聯系在一起才算是真正的萬物相通。為了物聯網技術能在未來更好的發展，外層網絡和內層網絡在各自演進的同時也要兼顧互相之間的協作能力。