物聯網世界仍處多協議格局，有沒有一種語言能「一統江湖」？

文｜TulipHe

「物「是物聯網世界的主角，他們通過各種各樣的協議連接入網。通俗的講，就好比他們都在在說各種各樣的」語言「，在各自的小範圍內可以溝通，但跨出邊界就很難互相理解。以至於今天我們所建立的物聯網，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。

首先談談什麼是「協議」。《新華字典》里的解釋為：協議是國家、政黨或團體間經過談判、協商後取得的一致意見。用於物聯網，可以理解為使「物物「之間可以對話的一種文字約定。我們再看下網路模型，最常見的是OSI模型（開放式系統互聯通信參考模型）和TCP/IP。

開放式系統互聯通信參考模型（OSI模型：Open System Interconnection Reference Model，ISO/IEC 7498-1），是國際標準化組織提出的一種概念模型，是使各種計算機在世界範圍內互連為網路的標準框架。

互聯網協議（Internet Protocol Suite）是一個網路通信模型，以及一整個網路傳輸協議家族，為互聯網的基礎通信架構。它常被通稱為TCP/IP協議族（英語：TCP/IP Protocol Suite，或TCP/IP Protocols），簡稱TCP/IP。

該協議家族的兩個核心協議：TCP（傳輸控制協議）和IP（網際協議），為該家族中最早通過的標準。這些協議最早發源於美國國防部（縮寫為DoD）的ARPA網項目，因此也被稱作DoD模型（DoD Model）。

這個協議族由互聯網工程任務組負責維護。TCP/IP提供點對點的鏈接機制，將數據應該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標準化。

它將軟體通信過程抽象化為四個抽象層，採取協議堆棧的方式，分別實現出不同通信協議。協議族下的各種協議，依其功能不同，被分別歸屬到這四個層次結構之中，常被視為是簡化的七層OSI模型。

除了在計算機、通信領域用到這兩個模型外，在工業領域也常用這兩個模型來解釋各種工業協議。在物聯網世界中，工業設備是重要的組成部分。IEEE Industrial Electronics magazine有篇文章《The Future of Industrial Communication》列出了一些協議、技術出現的時間點。隨著技術的發展，有很多種協議出現以適應市場的需求。

當今的物聯網世界用到的協議有兩大類，通信類和工業類。

比如最早出現的通信類協議Ethernet，就是現在著名的乙太網，是物理層的協議，為滿足計算機之間的通信而被制定出來的，於上世紀70年代出現。到2000年左右，乙太網被廣泛使用，成為人們日常生活的一部分，對當今的世界產生了深刻的影響。

而工業類協議是在工業界為解決工業設備之間的通信而被研製出來的。如Modbus是最早的工業協議之一，是一種應用層的串列通信協議，是Modicon公司（現在的施耐德電氣Schneider Electric）於1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表。Modbus已經成為工業領域通信協議的業界標準，被電梯等行業廣泛採納。

工業協議種類繁多，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，各種類型的協議與上、下層的協議分工合作，共同可以滿足某類業務需求，實現「物物」之間的通信。

以現場匯流排為例看下工業協議特點，現場匯流排（Field bus）是一種工業數據匯流排，它主要解決工業現場的智能化儀器儀錶、感測器、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。

現場匯流排就是以數字通信替代了傳統4-20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。每種匯流排都有其產生的背景和應用領域。匯流排是為了滿足自動化發展的需求而產生的，由於不同領域的自動化需求各有其特點，因此在某個領域中產生的匯流排技術一般對這一特定的領域的滿足度高一些，應用多一些，適用性好一些。

現場匯流排是自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現為分散式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

它的特點是一般規定了底層的標準，對於高層的協議未做統一規定，導致各家雖然用的是同一種匯流排，但還是不能互通，一般被用於一些特定領域的封閉系統中。

每種匯流排大都有其應用的領域，比如FF、PROFIBUS-PA適用於石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程式控制制領域；LonWorks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用於樓宇、交通運輸、農業等領域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用於加工製造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場匯流排都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。

由於各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會（IEC/ISA）就著手開始制定現場匯流排的標準，統一的標準仍未完成。

很多公司也推出其各自的現場匯流排技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統一。工業協議種類繁多，現場匯流排只是工業協議的一個分支。由於應用領域的差異，不同的產業的要求很難用一種技術協議來滿足。

比如有些要求高實時性，反饋信號與系統根據反饋信號做出的控制信號之間要及時，在毫秒級，有些系統對時延卻不太在意。另外不同業務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。

這些不同的需求導致了在協議設計時思路不同，據不完全統計，目前用於汽車、工業控制、智能建築等領域的工業協議有上百種，如果算上各廠商在標準協議上衍生出來的各種版本，那總數就不計其數了。跨越行業邊界是需要做各種協議對接的，也就是將數據表示的含義以各自行業中的規範轉化一下。比如在一個協議中規定「0」代表打開開關，「1』代表關閉開關，但另一個行業可能完全相反，互相聯通時必須先」翻譯「一下。

最近在物聯網世界通信類協議中出現了LoRa、NB-IOT、MQTT、CoAP, AMQP等諸多新名稱，有些是物理層的，有些是數據鏈路層或數據層的。均是為了適應物聯網的需求，將各種各樣的物以最佳方式聯入網路而產生的。這些協議是為不同的物設計的，例如低功耗廣域網類的協議適合感測器類的「物」，比較輕量級，發的是小包、低頻次的數據。

而數據層的MQTT協議也是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網路的遠程感測器和控制設備通訊而設計的協議，它有三種消息發布服務質量：「至多一次」， 「至少一次」， 「只有一次」，例如有些位於邊遠地帶的只有電池供電的感測器，可以丟失一些數據但要求終端能長時間工作，則可以選擇「至多一次」；「只有一次」，確保消息到達一次，這一級別可用於計費系統中，確保消息不會重複或丟失，以免導致不正確的結果。

對比工業類協議，通信類的協議從一開始就將互聯互通放到了非常重要的位置，各種國際標準組織通過徵求各方意見制定的協議使不同廠商的設備可以互聯互通。

各主要廠商在標準制定時深入參與，在產品研發時以標準為依據，並且要通過各種互通性(Interoperability)測試。在實際應用時也必須要克服各種技術困難將系統聯通。比如在使用互聯網時，普通用戶根本不需考慮底層網路是哪種協議、設備是哪家公司生產的，甚至不用考慮服務是那個國家的運營商提供的，只要使用就好。

目前物聯網中各種物還在一個個相對封閉的網路里存在，很難跨越網路邊界。而按照通信協議的思路，工業物聯網的發展需要一個可互操作的系統，並支持多個製造商、協議和機構在同一個網路上共享。

但乙太網的技術應用到工業領域中面臨著很多挑戰，比如實時性，這在很多工業領域中是最重要的需求。標準乙太網不是真正的實時系統，借用乙太網的概念， PROFINET-isochronous real time (IRT) or EtherCAT被研製出來以適用於低時延要求的領域，如motion control applications。目前在市場上都是非標準的技術或非標準的乙太網。

由IEEE802.1Q制定的Ethernet time-sensitive networking是工業界對標準化實時乙太網的探索。TSN在網路協議層堆棧中，位於第二層，數據鏈路層，標準乙太網之上。TSN從底層架構中改變了乙太網的不確定性，將它轉變為確定性網路。作為底層的通用架構，TSN使得更多企業可以在此架構上實現OT和IT的融合。這種融合提高了工業設備的連接性和通用性，並且為包括大數據分析以及智能的、連接的系統和機器在內的新的業務提供更快的發展路徑。

我們已經看到了當今的物聯網世界的存在多種多樣的協議，每種的產生都有其特定的背景，在各自的層級中和各應用領域中發揮著重要的作用，同時又不可避免的要與上下層級的協議共同工作。

即使我們只談論某一個層級，物聯網世界的多協議格局——「多國語言「還會一直存在嗎？有沒有可能哪種語言能「一統江湖」？

比如TSN雄心勃勃想要基於標準架構的網路又能提供可靠穩定的實時性，為重構各行業提供解決方案。如果TSN被廣泛採用，工業界多年來形成的各種封閉系統有望被打開。但各個領域目前的市場佔領者，他們會守住自己的地盤，保住自己的利益，沒有足夠的驅動力估計是不會去大力推廣這種技術的。後進入的公司面對各行各業的巨大壁壘，能夠依賴TSN闖出自己的一片天地嗎?

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

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！