浅谈物联网分组数据传输协议

糜 雷

在社会时代飞速发展的趋势下，我国经济建设也在不断地突破向前。尤其是在互联网行业快速发展的今天，很多领域已经和互联网紧密结合，形成了先进的行业技术。在互联网飞速发展的同时，物联网应运而生。物联网现在已经逐渐进入了我们的生活，对我们的生活方式有了很大的改变。笔者尝试对接入层传输协议结构模型和接入层传输信道的使用方法及内层传输协议的数据格式进行了一个探索，希望能够对未来物联网的发展尽一些绵薄之力。

引言：物联网最早出现是在一九九九年，美国的麻省理工学院首次提出了物联网这个名词。而我们一般所说的“物联网”其实是有两层含义的——广义的定义和狭义的定义。首先来说广义的“物联网”，它指的就是信息所构建的空间与物理空间相融合后产生的结果，广义的物联网其实就是我们日常生活中的各种实物之间的信息化、数字化，在人的互相交往之中、人与生活中的物品的互动之中、物品与物品的关系之中都可以实现信息的交流；而狭义的“物联网”指的就是一定范围内部的物与物之间的网络联系，这里面所包含的是生活或者生产中物品与物品之间的关系或一些信息化的设备与生产生活物品之间的联系。为了能够提高物联网传输数据的效率，现在进行物联网数据传输的基础主要有两个：互联网和各种专用网。但是，因为还没有在物联网界达成一个统一的协议，因此物联网行业中的分组数据的传输还是比较割裂和分散的，这也对未来各种数据的交流与共享的以及未来与互联网的融合也因此会受到阻碍，因此对于物联网的传输协议进行深入的探讨也是非常有必要的。

1.现有传输协议的分析

因为物联网的数据有不同的类型，也因此现有的物联网数据分组协议有内层和外层两种。内层的传输协议主要是通过传感器或者是控制器对我们所需要进行数据采集和数据监控的目标物品来进行控制，这个层面属于接入层；而外层协议的主要作用是对大量的数据进行长距离的传输，图1展现的是上文提到的分层结构。

图1

1.1 外层协议

外层协议所要传输的数据量比较大，而且所需要的网络是需要跨境、跨区域的。现在我国主要是通过通信骨干网络来进行数据传输基于TCP/IP协议来进行数据传输。但是因为IPv4地址资源消耗殆尽，并且物联网对于地址的需求量激增、这就会使得IPv6地址也面临同样的问题，因此大家提出了一个新的想法：也就是通过内层传输协议来处理IP地址不够这个问题，即把IP地址作为一个目标地址，而内层地址则是物品标示，这样就能够在内层中进行应用数据传输。

1.2 内层协议

内层协议主要的工作就是在网络区域内进行分组数据传输，这个系统最大的特点就是需要给每一个传感器和监测点都分配一个地址，这些地址之中就包含着无限的分组数据，但是这些数据监测的范围是有限的，而且监测的内容具有相似性。一种比较传统的方式是采用有线连接实现区域内的数据传输。此外还有一种方法是采用无线传输，通常我们所说的无线传输是指WiFi技术、GPRS技术、红外技术、Zig-Bee技术等等，这些技术有各自不同的传输协议，但是在内部它们之间还没有达成一致的共识，因此在转换的时候就会出现问题。

2.分组交换

分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。能够进行分组交换的通信网被称为分组交换网。

分组交换的本质就是存储转发，它将所接受的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程。

3.分组数据内网传输协议

要想协调不同的区域协议，就需要我们在外层协议和内层协议之间创立一个新的衔接协议，如图2所示。在图2中，接入层的传输协议是需要在内层各种不同标准协议中提取我们所需要的数据，并在这个中间添加一个地址识别码，这样就能够获得一个含有物品标识的数据分组。这些原始数据可以和我们的传输目标地址相结合，这样就能够形成一套数据包。物联网分组数据内网传输协议主要分为以下两种类型：

图2

3.1 微型区内物联网数据传输协议

物理网中数据传输的方式和传输协议主要是受到数据的传输距离影响。像WiFi、ZigBee这类传输方式可在非常广泛的微型区域范围内形成一个覆盖区域，每个区都可以设立访问的接入点，在微型区内物联网数据传输协议中，接入点可以直接和外层网络相结合，加大传输数据的数量，但同时这种技术可能会让信道上的数据量加大，这样可能会导致信道被抢占，让数据遭到破坏。

3.2 近距离传感区物联网数据传输协议

现在已经有很多成熟的近距离传感技术被创造出来，比如说：红外技术、蓝牙技术、RFID技术等等，这些技术能够帮助我们进行信号传递。因为传感器和信号接入点之间的距离比较近，通常只有几米左右，在这种近距离内，我们可以使用那些传感器自身成熟的协议。但是如果传输的距离比较远，使用这些协议就不太方便了。此时我们可以选择有线连接或者选择GPRS连接方式，这样能够更加简单快捷。

4.接入层传输协议结构

4.1 传输特点

物联网的数据传输有两大特点：首先是大部分的传感器或控制器所能够传输的数据量比较小。 但是如果我们使用IP协议就会需要携带过多的数据，占用过多的空间。这样就会造成空间的浪费。其次因为物联网在进行数据传输的时候，数据在发送过程中不是不间断的。只有在传感器状态发生变化的时候才会进行数据传输。

4.2 传输信道的使用

在解决数据传输时出现冲突在这个问题上，有两种可行的办法：同步传输，或异步传输。

同步传输指的是因为接入点的接入需要占用时隙，因此可以把信道分为多个时隙，再由接入点设备向内层网络发送同步时隙，当每个接收点接收到信号以后，就能够以此信号为参考，并在随后上传自己的数据，这样就能够保证数据传输的秩序性，不会造成冲突。而且因为节点所占用的空间比较小，因此能够分出来很多时隙。

异步传输方式的过程中也是将信道划分为多个时隙，但是划分之后并不会像同步传输那样发送一个同步信号，这就需要各个接入点抢占时隙。在某个接入点需要发送数据之前，需要先对信道进行一个检测，在确保这个时候没有数据占用信道之后再发送自己的数据，如果检测到信道上有数据，那就会进行随机时间的等待，在进行下一轮检测。

4.3 传输协议的数据格式

接入层的内部，会有地址身份的验证以及在验证过程中产生的数据，而且这些数据因为数量不多，因此只需要两个字节来表示所需要的数据。每个检测点或控制点传输的数据包括地址或身份和该点所检测到的数据，此外地址也可以用两个字节来表示，一个字节代表的是传感器所在的微型区号，一共有128bit。另外一个字节表示传感器的编号地址，也是有128bit。这样看来，每个时隙就需要四个字节用来传输数据，这样就可以节省下来大量的数据空间，可以创造大量的时隙信道，这样有利于在传输过程中对信号进行监测。当接入点接收到检测信号以后，会对这些数据进行存储，然后通过骨干网传输协议将数据变成诸如SDH、TCP/IP、MPLS等数据格式后再进行传输。

图3 接入层内层传输协议数据格式

5.小结

物联网的数据传输现在还没有一个统一的共识，因此在实际使用中我们主要还得根据需要检测对象来选取所需要的传输信道，以及这个信道所对应的协议。这也能快速解决一些企业想在工作中进行物联网设置时所遇到的困难。但是只有能够将不同种类的物品通过互联网联系在一起才算是真正的万物相通。为了物联网技术能在未来更好的发展，外层网络和内层网络在各自演进的同时也要兼顾互相之间的协作能力。