物联网通讯协议卡位战启动

2015-03-30 21:29:48来源: CTIMES
   过去SONY社长安藤国威应邀,来台湾年底资讯月进行演讲时曾说到:SONY未来的数位产品都将支援IPv6,因为欧美已经把IPv4申请与使用了差不多,加上日本电子产品年产量这么多,必然要使用IPv6才能与Internet接轨。

而今年,一位台北科技大学的教授在一个场合中说道:物联网要发展必须等到IPv6够成熟普及才有可能,否则任何环境位置、器物都要上网,IP数根本不够。事实上即便在IPv4的有限IP下,只要让闸道器获得IP,不一定每个感测节点都要具有IP,且闸道器与节点间的沟通方式标准,应当也是可行,不一定非要到各节点IP。



图一 : 现阶段的物联网,尚缺乏最佳的通讯方式,也缺乏一致的通讯方式。
不过,上述也点出了一点,那就是现阶段的物联网,尚缺乏最佳的通讯方式,也缺乏一致的通讯方式,因此已有许多资通讯大厂布局于此。

例如Google购并的Nest Labs就提出Thread通讯协定,Nest Labs技术主管认为现有通讯协定对家用物联网环境而言没有一个是合适的,因而另行制订Thread协定,该主管认为Wi-Fi会有路由器故障就完全停摆的问题,ZigBee的路由协定较无效率也较耗电,ZigBee PRO缺乏原生性的IP协定支援,Z-Wave一样不支援IP且技术偏封闭,OpenWSN则在安全性上不足。

ARM购并Sensinode Oy

Google购并Nest Labs,知名的ARM则在2013年8月购并芬兰的Sensinode Oy,为的也是布局物联网所需的通讯协定,购并Sensinode Oy后取得6LoWPAN(让ZigBee网路与IPv6接轨的协定)、CoAP、OMA LW M2M、MQTT、TLS、DTLS等,其中MQTT、CoAP确实是因应物联网而有的协定。



图二 : ARM mbed支援多种IoT协定
在购并Sensinode之前,ARM本身就有一个穿戴式、物联网的开放原始码专案,称为mbed,购并Sensinode后,ARM把这些通讯协定软体进行分配,一部份拨给mbed OS,即物联网无线感测器节点用的作业系统与相关软体,另一部份拨给mbed Device Server,即物联网闸道器所用的相关软体。

类似的,Intel很早即购并Wind River(开发工具)、McAfee(资讯安全)等软体业者,也是为了强化嵌入式应用市场,因此相关软体也用于物联网应用上,例如传输加密安全方面即倚赖McAfee。

值得注意的是,虽然业者发动购并或提出新通讯协定技术,是为了让自身的本有业务,能更顺利扩展延伸到物联网市场,但毕竟购并与发展新技术也是要花费成本时间,单纯从原有业务回收此一成本,可能有些难度。

因此,Nest Labs虽然表示Thread技术不收权利金,但依然与其他业者共同成立了Thread Group,负责对采行Thread技术的电子产进行测试验证,而验证自然需要收费,加入Thread Group的会员企业也要支付会费。

同样的,ARM将Sensinode的软体分别拨给mbed OS与mbed Device Server后,前者ARM采完全免费策略,但后者则需要收授权费。

Qualcomm购并CSR

当然,Bluetooth也开始朝物联网应用方向努力,4.1版的Bluetooth也能够用Mesh方式构成网路,因此协定部份必然也要新开发、新验证,也因为Mesh技术的出现,使Qualcomm购并CSR(CSR的蓝牙Mesh技术称为CSRMesh),希望能掌握另一种切入物联网市场的机会,且在此之前Microchip也想购并CSR。

协定不仅上述几个,其他尚有XMPP、DDS、AMQP等,以上所谈均是网路层面、偏底层的物联网通讯协定,而之前OIC与AllSeen所角逐的,是应用程式层面、偏高层的物联网通讯协定。

且众人皆知OIC与AllSeen是重量级科技业者的集合,但高层次的物联网通讯标准,也要把政府、国际机构的想法一并考虑,如欧洲ETSI提出自有的M2M标准,国际间也合作提出OneM2M标准等。

关于这些,国外甚至有文章直接以“IoT Protocol War”来形容,很明显的,掌握物联网的关键通讯协定,如同卡到交通干道、黄金地段的重要位置,这也是各业者、机构均积极布局、研拟、购并的原因,短期内恐难但到停战止歇。

各方通讯标准皆为物联网动起来

目前物联网常用的一种无线通讯方式是Sub-1GHz,即是指低于1GHz频段的通讯,如315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等,此方面缺乏标准,各业者各行其是,但IEEE有意统一此一应用,提出IEEE 802.11ah,预计2016年3月完成制订。

3GPP R12

IEEE 802.11标准某种程度上代表着Wi-Fi阵营,而3GPP阵营也不放过市场机会,在现行LTE Advanced的后续标准中增订内容,提出机器型通讯(Machine-Type Communications, MTC),期望用LTE基地台来充当闸道器,接收大量的感测器节点的感测资讯,此已经列入3GPP R12之后的技术提案。

Bluetooth 4.1

再来是Bluetooth,4.0版的Bluetooth进入Bluetooth Smart、Bluetooth Low Energy(BLE)的新时代,4.0版增订的两项应用型态:防丢器与Beacon室内导览,目前都在大幅成长中,但Bluetooth也在2013年12月提出4.1版,4.1版提出Mesh连接型态,不再受限于过去Scatternet的主仆角色明确的连接型态,很明显是针对物联网市场而来,因为物联网的基础是无线感测器网路(Wireless Sensor Network, WSN),此网路多使用Mesh连接型态,或称Ad-hoc型态,即随意连线的意思。



图三
而近期Qualcomm购并CSR,CSR在过去古典蓝牙(Bluetooth Classic)是最大市占率的晶片业者,但近年来表现不尽理想,而之所以能被Qualcomm购并,主要在于CSR提出的新技术CSRmesh,有助于开拓物联网市场。同样的着眼,使Microchip试图购并CSR,但最终因出价较低而被Qualcomm得手。

另外也不能忽视本来就是物联网位置的ZigBee,其中数位家庭、家用物联网被认为最重要,所以ZigBee的诸多应用型态,以家庭自动化最先完成定义,早于2007年就完成,称为ZHA(ZigBee Home Automation)。

不过ZHA的推行进度仍不如理想,ZigBee联盟中的GreenPeak公司于2013年1月提出Open Smart Home Framework(简称OSF),试图只取广大ZigBee的一部分来专精、加速发展,好让家庭物联网更快普及。

Tread

但是OSF也推行有限,因而2014年7月Google旗下的Nest Labs结合另6家业者共同提出Thread无线技术,Thread颇类似ZigBee IP技术,但后者主要在支援公用事业的节能管理,即ZSE 2.0(ZigBee Smart Energy),前者则锁定家庭自动化。



图四 : Nest Labs结合6家业者共同提出Thread无线技术
为何要再行提出Thread?Nest Labs方面认为,Wi-Fi因为集中由路由器掌控一切,一旦路由器故障,整个Wi-Fi网路就会停摆,等于单点故障影响一切,这个不能接受。而Z-Wave技术不支援原生IP协定,且它的闸道器过于复杂,且不是很开放性的标准。

另外ZigBee IP的路由协定不是很有效率,不能很省电,ZigBee PRO也一样不是原生支援IP,或者OpenWSN虽表现理想,但较缺乏传输加密,以及缺乏新增节点时的安全验证。总之,Nest Labs认为各种现行标准都有些不足,而Thread是更理想的选择。

Thread技术预计2015年正式提出1.0版,而且记取过去Google发展标准的一些教训,Thread提出后暂时没有后续展望规划(Roadmap),就只会有1.0版,至少持续整个2015年,以避免规格的纷乱(Fragment),Android即受此困扰过。

Thread技术目前免权利金,不过加入Thread Group的业者会员需要缴年费,Thread Group也将在2015年规格发布后,提供Thread产品的测试认证。

结论

综合上述,Wi-Fi Alliance的IEEE 802.11ah、3GPP的3GPP R12、Bluetooth SIG的4.1、ZigBee Alliance的ZHA或OSF、Google/Nest Labs的Thread等,都在角逐全面或家庭领域的物联网市场,而这些都还是通讯底层的互通标准,如Allseen、OIC则是应用高层的互通标准,也是另一番角力。

不仅业者结盟投入,也不仅现有联盟延伸投入,包含国区或全球管理机构也热衷,如欧洲的电信标准组织ETSI(European Telecommunication Standards Institute)、美国的ATIS(The Alliance for Telecommunications Industry Solutions)、TIA(Telecommunications Industry Association),及世界电信组织ITU-T(International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector)等,也都在制订M2M相关标准,看来物联网仍需一大段时日才能走向共通。



图五
物联网通讯路线的不同主张

从2013年9月Intel宣布大力进军穿戴式电子与物联网,及张忠谋直言半导体业的未来为物联网后,物联网热潮已延续一年多,但物联网的通讯方式各家各有看法,且认为现有的通讯方式仍不足以实现理想的物联网,因而纷纷订立新标准、新协定。



图六 : Intel力主的OIC是希望建立一个共通的标准,确保装置与装置间的连结性。
高层次的标准(在此指应用层)即有Qualcomm为主的AllSeen,以及Intel力主的OIC,但在此我们不谈高层标准,而专注在底层基础标准,此方面也已战斗了一年,至今未停歇。

2013年12月Bluetooth 4.1版推出后,Bluetooth也可以支援Mesh型网路,摆明进军物联网,且宣布支援IPv6、6LoWPAN,但具体的支援方式则未明确定义。而后2014年1月Google买下Nest Labs,而后Nest Labs提出Thread通讯协定,该协定与ZigBee相同,均使用IEEE 802.15.4基础所发展成,亦即只要换掉现有ZigBee晶片的韧体,就能改行Thread协定,不需要为此设计或生产新晶片。

已有ZigBee为何还要推行Thread?Thread主要强调支持IPv6、6LoWPAN等协定,ZigBee虽也能支援IPv6、6LoWPAN,但仅限于ZigBee IP,ZigBee/ZigBee PRO与ZigBee RF4CE则否,但ZigBee IP目前仅限智慧电网、电动车充电使用,ZigBee联盟现阶段无意在物联网领域全面采行。

为何ZigBee联盟不愿全面采行?原因在于成本与功耗,若每个感测器节点都能以IP协定通讯运作,节点的运算效能、硬体资源必须更高,连带增加成本与用电,因此认为现阶段只要闸道器支援IP协定即可,外界若希望得知每个节点的状态,或操控节点运作,只要连线至闸道器,透过闸道器进行读写操控,也能达到相同效果。

Thread的另一个主张是避免单点故障,所以即便Thread主打数位家庭的物联网应用,也要求要有2个闸道器,不可只装设1个。所谓单点故障即是单一装置故障时,导致整个系统停摆,例如家用的Wi-Fi路由器一旦坏去,家中所有Wi-Fi装置都会无法使用。

也因为ZigBee联盟尚未有IP全面普及化的打算,因此2014年10月的ZigBee 3.0标准出炉,仅是将原有ZigBee PRO上的6个应用型态整合成一体,进行归纳统整动作,而非加入新功效、新应用。

相对的,Thread与Bluetooth的支持者认为IP化是不可逆的趋势,因此均力主感测节点能配发到IP,以IP协定进行通讯,所以2014年12月新制订完成的Bluetooth 4.2,就提出IPSP的型态(Profile)标准,使IPv6/6LoWPAN的应用方式标准化,即呼应与延续之前发表的Bluetooth 4.1。

Bluetooth用4.1、4.2版因应物联网,ZigBee用3.0版因应物联网,而Thread也预计在2015年1月推出1.0版标准,且Thread方面已表示暂时不提出后续的标准展望路线图(Roadmap),且保证整个2015年就只会有Thread 1.0版,不会有更新改版。

Thread方面此一主张与作法,推估是记取Google过往推行Android的教训,过频繁推出新版、且战且走的标准订立,使Android的版本过于零碎、紊乱,成了后续统合上的难题。

所以,Thread将集中火力推展1.0版,不倾向密集改版,而不提供后续展望,也让业者不要再观望,直接有决心从1.0版就投入,让标准推行的气势更广泛有效。

当然,Wi-Fi、LTE-Advanced也没有坐视,LTE-Advanced的3GPP机构,近期提出3GPP R12版即已加入一些物联网功效,但更完整的物联网功效要到R13版才有,Wi-Fi倚赖的IEEE 802.11组织,也以IEEE 802.11ah为物联网发展目标,但目前规划至2016年3月标准才能出炉,但在此之前,仍不排除有人偷跑,先推出Pre版、Draft版的方案,过去的11n、11ac均势如此,多比正式标准早1、2年先行。由此可知,通讯技术、协定的物联网热战,恐怕短期内不易停火。

关键字:物联网通讯协议

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0330/article_40988.html
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