Microsoft Azure IoT – IoT İletişim Protokolleri ve Çalışma Prensiplerinin Detayları

 

Merhabalar, bu makalemizde IoT eko sistemi içerisinde çalışan aygıtların tamamının kullandığı, kullanmak zorunda olduğu protokollerin işleyişi, nerelerde kullanıldığı ve protokol özelliklerini paylaşacağım.

MS Azure IoT veya benzeri bulut tabanlı/ on premise sistemlerde IoT Yönetimi için temel olarak kullanılan protokollerin bilinmesine dair detayları paylaşacağım.

 

Protokol Nedir?

Protokol cihazların kendi aralarında iletişim kurabilmesi için kullandıkları belli temel kurallara bağlı olarak inşa edilen ve cihazların karşılıklı iletişim kurduklarında, ortak yayın frekansı, ortak kapı numarası vb. değerler ile eş paydada buluştuğu iletişim ağının en temel gereksinimlerindendir. Protokoller kümesinin detaylarını “OSI” referans modeli incelemektedir.

 

Protokol tercih edilirken, cihaz üzerinde tüketeceği güç, ip adres yapısı, ip kapasitesi, yönlendirme protokolleri, protokol güvenlik uyumlulukları ve network yönetimi başlıkları altında incelenerek protokol tercihine karar verilmelidir.

LoWPAN, 6LoWPAN, Zigbee, Ziwave, BLE, RF Protokolleri, TCP/IP, UDP, HTTPS, HTTP, CoAP, MQTT

 

IEEE 802.15.4 Endüstri Standartı Protokol Yapısı;

Küçük paket boyutlarına sahiptir, 128 Byte’lık MAC adresi bilgisi, 102 Byte’lık payload kapasitesine sahiptir.

64 bit MAC adresi bilgisi kullanır ancak, taşıma esnasında 16bit’lik kısa adres formlarıyla anons edilir

Çoklu topoloji tiplerini desteklerler, Star, Hub, Mesh, Full Mesh gibi.

AES şifreleme metodunu desteklerler

Veri aktarım hızları 20kbps ile 250kbps arasındadır

10m ile 30m mesafe aralığında iletişim sağlayabilir

 

 

LoWPAN;

Düşük maliyetli cihazlarda, düşük güç tüketimi ihtiyacı olan ürünler için “wireless” standartıdır

IEEE 802.15.4 ile uyumlu, IEEE 802.15.3 protokolünü kullanır

Network ağ topoloji tipi olarak, “star” ve “mesh” dizaynında çalışabilir. Birden fazla “mesh” ve “star” protokolleri birlikte çalışabilirler.

Günümüz şartlarında bu protokol kullanılabilir.

 

6LoWPAN;

IP protokolü ara yüzü kullanır

Düşük güç tüketimine sahiptirler

ISM yayın frekansın kullanır 2.4 Ghz yayın frekansında çalışırlar

2.4Ghz kablosuz iletişiminde, Wifi, Bluetooth ve Zigbee gibi protokoller ile çalışabilirler

Gömülü uygulamalar için uzun ömürlü batarya ihtiyaçlarından ötürü tercih edilen protokoller sınıfına girer

API’lar ile basit bir şekilde özelleştirilebilir

Protokol “stack” yapısı aşağıdaki gibidir

 

IoT Protokolleri Node’dan Ağ Geçidine, Ağ geçidinden Sunucuya iki kategoride protokolleri sınıflandırabilir.

 

Zigbee;

Düşük veri aktarım kapasitesi

Düşük güç tüketimi

Lisansız yayın bandın da çalışma

Global 2.4Ghz yayın frekansında 250kbps

868Mhz Avrupa Yayın bandında 20kbps desteği

915Mhz Kuzey Amerika yayın bandında 40kbps desteği

30m ile 90m arası çalışma mesafe aralığı var

Hibrid topoloji yapılarında çalışabilirler

 

Zigbee protokolü İçerik Yapısı

ZWave;

900Mhz ile 100kbps çalışma aralığına sahiptir

232 nod’a kadar cihaz desteği vardır

250 civarında üreticiye desteği olan bir konsorsiyuma sahiptir

Mesh networkler üzerinde dizayn edilebilir birincil ve ikincil kontroller mantığı ile çalışabilirler

 

BLE;

Temelde Bluetooth özelliklerini kullanır, Bluetooth v4.0 özellikleri sayesinde düşük güç tüketimine sahiptir

Kablosuz teknolojilerine ait genel gelişim tablosu aşağıdaki gibidir

 

İletişim Protokolleri ve Kanalları

TCP/IP;

IP tabanlı iletişim ve temel erişim protokollerini kullanır

Hata kontrolü, kararlı çalışma, bilgisayarlar arası iletişim, yerel ve uzak ağlar gibi birçok kullanım alanına ve yeteneğine sahiptir

OSI referans modelinde “Transport” katmanında çalışırlar

 

UDP;

Mesaj gönderme, alma, ses ve görüntü aktarımı gibi koşullarda yüksek iletim hızına sahip olan durumlarda kullanılır

Doğrulama ve paket iletimi konusunda güvenli değildir

HTTP;

“World Wide Web” protokolü ile veri iletimine aracılık eder

Mantıksal “hyper” linklerle birlikte text tabanlı iletişimi sağlar

 

HTTPS;

HTTP protokolü ile aynı çalışma timeline sahiptir, ancak güvenli olan versiyonudur

SSL veya TLS güvenlik anahtarları kullanarak uygulama katmanında veriyi gizler

CoAP;

CoAP “Constrained Application Protocol”

HTTP ve Restful konsept yapısını kullanır

HTTP protokolü ile birlikte çalışabilir

GET, PUT, POST ve Delete mesajlarını istemcilere yollayarak çalışırlar

CoAP paketleri HTTP TCP flow paketlerine göre daha düşük boyutlardadır

CoAP protokolü iletimde UDP protokolünü kullanır, TCP çalışmazlar

 

CoAP Protokolü çalışma doğası aşağıdaki gibidir;

MQTT;

Küçük boyuttaki mesaj paketlerini iletmek için kullanılır

Mesaj iletimi için asenkron iletişim modeli kullanır

Küçük paket yapısına sahip olduğu için, düşük bant genişliklerine ihtiyaç duyarlar

Yayınlama ve Abonelik modellerine sahiptir

Uygulaması, Kurulması kolaydır ve düşük güç, basit protokol yapılandırmalarına sahiptir

TCP tabanlı çalışırlar,6LowPAN ile birlikte çalışabilirler, TCP iletişimi sayesinde

Kablosuz bağlantılarda kesilmelere karşı önlem almaya çalışırlar

Açık kaynak ve Apache organizasyonuna aittir

Uzak veri ölçümlemeleri için uygundur

Sensör ve dışarıdan gelen verilerin iletişimlerini MQTT Broker’lar karşılar

 

MQTT Mesaj iletimi ve Abonelik dağıtımı aşağıdaki gibidir;

   

 

MQTT-S , MQTT ,CoAP ve Rest API çalışması özetleri aşağıdaki tablodaki gibidir.

 

IoT protokolleri temellerini, cihaz Yönetimi için bilinmesi gerekenler gibi temel detayların ardından, protokollere dair birtakım detayları ve kullanım alanlarına dair bilgilere bu makaleleri seri halde okuduktan sonar elde etmiş olacaksınız.

 

Umarım faydası olur,

 

Keyifli okumalar.