Термин «Протокол» имеет довольно широкую область применения. Помимо IT сферы, к которой относится область «умного дома», вы скорее всего, неоднократно сталкивались с данным термином в других профессиональных областях.
В юриспруденции существует понятие «протокол собрания» (акционеров предприятия, собственников жилья и др.), структурированный документ, в котором зафиксирован ход проведения мероприятия, включая выдвинутые участниками предложения и принятые на нем решения. Так же существуют протоколы судебного заседания, проведения спортивного мероприятия, дознания (в правоохранительных органах), протокол разногласий (на стадии согласования договора).
В международных отношениях «Протокол» — исторически сложившийся свод правил и предписаний, в соответствии с которым регламентируется и регулируется порядок официальных церемоний и мероприятий (переговоры, подписание двусторонних документов), официальная переписка, форма одежды и т. п. Например: дипломатический протокол, дворцовый, придворный протокол.
В медицине существует «Протокол диагностики и лечения» — систематически разработанный план лечения того или иного заболевания. В данном случае «протокол» определяет алгоритм действий по выявлению заболевания и определяет схему лечения пациента.
«Информационные технологии» — сфера относительно молодая, поэтому некоторые термины заимствуются ей из других сфер исходя из смыслового контекста. Например: «порт» (port – англ. «гавань»), «шлюз» (gateway – англ., «ворота»), «хаб» (hub – англ., «узел»), «вирус» (virus – лат. «яд», англ. «вирус, как мельчайший живой организм, не имеет клеточного строения, паразитирует только внутри других клеток») и др.
В число заимствованных терминов входит и «Протокол», это четко регламентированная система стандартов и правил приема/передачи данных посредством информационно-вычислительных сетей. Применение того или иного протокола определяет технология и среда передачи информации (например: беспроводная – IrDA, Bluetooth, Wi-Fi или проводная – Ethernet, ADSL, силовая электропроводка).
Протоколы позволяют «общаться на одном языке» различным устройствам, с разными операционными системами, с открытым и проприетарным программным обеспечением.
Протоколы обеспечивают совместимость взаимодействия, благодаря стандартизированным структуре и синтаксису обмена информацией, определяют алгоритм кодирования, упаковки и маркировки данных, как в локальных сетях, так и в глобальной сети Интернет.
Протоколы управляют передачей информации, регламентируют порядок отправки/приёма пакетов; установление и разрыв соединения; синхронизацию потоков данных; контроль скорости (управление потоком). Они согласуют параметры связи, позволяют устройствам «договариваются» о скорости передачи, размерах пакетов, методах кодирования и прочее.
Протоколы являются частью механизма адресации и маршрутизации, устанавливают, как указывать отправителя и получателя, а также выбирать оптимальный путь доставки (например, через IP‑адреса).
Ряд протоколов создавались для обеспечения надежной и безопасной передачи данных, реализуют шифрование (SSH/TLS), аутентификацию, защиту от несанкционированного доступа.
Протоколы носят основополагающую функцию при организации информационного обмена в цифровом пространстве,
без протоколов:
- невозможно было бы создать глобальные сети (включая Интернет);
- устройства разных вендоров не смогли бы взаимодействовать между собой;
- передача данных стала бы хаотичной и ненадёжной;
- исчезли бы гарантии доставки и сохранности информации.
Примеры ключевых протоколов:
- TCP — надёжная доставка с контролем порядка пакетов.
- IP — маршрутизация и адресация в сетях.
- HTTP/HTTPS — передача веб‑контента (с шифрованием в случае HTTPS).
- FTP — передача файлов.
- DNS — преобразование доменных имён в IP‑адреса.
- SSH — защищённое удалённое управление.
- MQTT — энергоэффективный обмен для IoT‑устройств.
Перед тем, как перейти к непосредственному описанию популярных протоколов «Умного Дома», хотелось бы упомянуть том, что протоколы в сети работают одновременно, образуя иерархически организованный набор, так называемый, «стек протоколов».
Сетевая модель OSI (The Open Systems Interconnection model – «Модель взаимодействия открытых систем») — это эталонная модель описания сетевого взаимодействия, включающая стек протоколов, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO), которая «обеспечивает общую основу для координации разработки стандартов с целью взаимодействия систем». В модели OSI компоненты системы связи разделены на семь уровней: физический, канал передачи данных, сетевой, транспортный, сеансовый, презентационный (представления) и прикладной.
Большинство сайтов в Интернет обычно рассказывают про протоколы Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, Thread, Matter, но если углубиться в вопрос, то в работе экосистемы Умного Дома задействовано гораздо большее количество протоколов, для обычного пользователя, не очевидных на первый взгляд.
Давайте разбираться.
Начнем с устройств, которые подключаются к сети через беспроводную технологию Wi-Fi (набор протоколов IEEE 802.11), это может быть ZigBee хаб, умная колонка с голосовым ассистентом, умные приборы (чайники, кофе-машины, роботы-пылесосы, отопительные котлы, системы управления климатом и многое др.), умные актуаторы (розетки, встраиваемые модули, контроллеры LED лент, лампочки, приводы), датчики, устройства контроля доступа и видеонаблюдения (IP-камеры, домофонные устройства).
Чтобы все эти устройства могли обмениваться между собой данными, они должны получить адреса в сети, для этого используется целый набор протоколов TCP/IP плюс протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol — протокол динамической настройки узла). Если устройство подразумевает удаленное управление через сервер производителя, то тут подключается протокол DNS (англ. Domain Name System «система доменных имён», уровень OSI — «прикладной»), который позволяет «найти» нужный сайт/сервер в сети Интернет, определив его IP адрес по доменному имени. Чтобы ваше подключение к серверу было безопасным, помогает протокол шифрования SSL/TLS.
Когда вас нет дома и вы подключаетесь к своим IP-камерам для удаленного мониторинга, вы используете протоколы RTSP (Real-Time Streaming Protocol), RTP (который работает поверх протокола UDP). К примеру, технология WebRTC использует два протокола шифрования:
- DTLS (Datagram Transport Layer Security) — защищает данные при установке соединения.
- SRTP (Secure Real Time Transport Protocol) — шифрует аудио- и видеопотоки.
Теперь поговорим про Bluetooth, который я бы назвал реализацией технологии, а не протоколом, так как он представляет из себя стек протоколов, обязательные из них LMP, L2CAP и SDP. Кроме того, устройства, связывающиеся с Bluetooth, обычно используют протоколы HCI и RFCOMM. Технология Bluetooth достаточно универсальна, она позволяют как разово (по необходимости) осуществлять передачу файлов между цифровыми устройствами (например, перенос документов или фотографий со смартфона на ноутбук), так и обеспечивать постоянное подключение и синхронизацию данных (напр., между смартфоном и умными часами, компьютером и клавиатурой/мышью). В большинстве случаев Bluetooth используется для трансляции аудиопотока на «беспроводные» медиа устройства, такие как колонки и наушники. С 4-ой версии у Bluetooth появился инновационный профиль Bluetooth Low Energy (LE) — с пониженным потреблением энергии.
Часто модуль Bluetooth идет в связке с модулем Wi-Fi. Для чего это делается? Многие устройства IoT (Интернета вещей) не имеют графического интерфейса для настройки подключения к беспроводной сети Wi-Fi, поэтому подразумевается, что пользователь сначала подключается к «умному устройству» посредством смартфона/планшета через Bluetooth и далее в приложении разработчика производит настройку.
IrDA (InfraRed Data Association), ИК‑порт (инфракрасный порт) — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи.
Самая распространенная функция ИК-порта, это управление бытовой техникой и мультимедиа устройствами. Даже сегодня, в некоторые модели смартфонов для этого встраивают ИК-порт.
Для «Умного Дома» вы можете приобрести специальные ИК пульты, которые настраиваются для отправки команд всем вашим устройствами в которых нет встроенных «умных» модулей управления. Например, удаленно управлять кондиционером, медиацентром или TV.
В конце 1990-х начале 2000-х годов ИК-порт был достаточно популярен, так как был встроен в большинство мобильных телефонов, смартфонов, КПК (Карманный Персональный компьютер) и ноутбуков, что позволяло устройствам между собой обмениваться небольшими файлами. Через ИК-порт можно было с мобильного телефона на ноутбук (или ПК с внешним USB модулем ИК-порта) раздавать интернет или запускать синхронизацию данных.
Данная технология имела ряд минусов
Основные причины отказа от IrDA были:
- Усложнение сборки корпусов устройств, в которых монтировалось ИК-прозрачное окно.
- Ограниченная дальность действия и требования прямой видимости пары приёмник-передатчик.
- Относительно низкая скорость передачи данных первых реализаций стандарта. В последующих ревизиях стандарта этот недостаток исправили: скоростные возможности немного превышают, например, возможности одной из самых распространённых на сегодняшний момент версии протокола Bluetooth (спецификация 4.0). Однако широкого распространения скоростные варианты IrDA получить уже не успели.
IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) — представляет обязательный протокол самого низкого уровня среди спецификаций IrDA. Соответствует физическому уровню сетевой модели OSI.
Выше, мы с вами разобрали «универсальные» сетевые технологии и протоколы, которые задействованы не только в работе «умного дома», но и в целом, в работе локальных и глобальных информационно-вычислительных сетей, обеспечивают взаимодействие цифровых устройств. Теперь давайте рассмотрим сравнительную таблицу ниже, в которой указаны все самые распространенные современные беспроводные технологии/протоколы, которые используются для связи «умных устройств» в Smart Home (Smart House) инфраструктуре.
Самые внимательные и подкованные в современных технологиях сразу заметят, что в сравнительной таблице отсутствует стандарт Matter (2021 год). Мы умышленно не включили данную технологию в перечень, так как она базируется на совместном использовании стека Wi-Fi + Bluetooth LE + ZigBee. О ней мы подробно расскажем в отдельной статье, ссылку вы сможете найти ниже.
| Wi-Fi — технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Логотип Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Alliance. Термин Wi-Fi считается сокращением слов Wireless Fidelity, что дословно можно перевести как «беспроводная правильность» или «беспроводная точность». Но чаще термин никак не расшифровывается. При этом один из основателей «Wi-Fi Alliance» заявил, что буквосочетание Wi-Fi было придумано как маркетинговое название новой технологии, оно изначально не было аббревиатурой и ничего не означало. В настоящее время обозначение «Wi-Fi» объединяет целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Основными диапазонами Wi-Fi считаются 2,4 ГГц (2412—2472 МГц), 5 ГГц (5160-5825 МГц), 6 ГГц (5955-7115 МГц). | Подробнее >> |
| Bluetooth (от слов англ. blue — синий и tooth — зуб, произносится /bluːtuːθ/), блюту́с — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, интернет-планшеты, принтеры, цифровые фотоаппараты, мыши, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры и акустические системы на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Дальность связи в старых версиях протокола составляла до 10 м; в более новых версиях можно достичь до 1500 м, но дальность сильно зависит от разных факторов, в том числе преград и помех, даже в одном помещении. | Подробнее >> |
| Z-Wave — это беспроводная радиотехнология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). | Подробнее >> |
| Zigbee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня — уровня приложений APS (англ. application support sublayer) и сетевого уровня NWK, — использующих сервисы нижних уровней — уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. Zigbee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные сети (WPAN). Спецификация Zigbee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей). | Подробнее >> |
| Thread — это технология IPv6 с низким энергопотреблением для ячеистых сетей в продуктах Интернета вещей (IoT). Спецификация протокола Thread доступна бесплатно, однако для этого необходимо согласиться с лицензионным соглашением с конечным пользователем (EULA), в котором говорится: «Для внедрения, использования и распространения технологии Thread и спецификаций Thread Group необходимо членство в Thread Group». Этот протокол, который часто используется для передачи Matter (эта комбинация известна как Matter over Thread), всё чаще применяется для подключения маломощных устройств умного дома с питанием от аккумулятора. | Подробнее >> |
| Matter — единый стандарт подключения для умного дома с открытым исходным кодом, который позволяет объединять IoT-устройства разных производителей в единую сеть. Идея создания общепринятого стандарта для разных экосистем устройств интернета вещей зародилась в 2019 году в рамках проекта «Connected Home over IP» (CHIP), который был переименован в Matter в 2021 году. Проект был запущен четырьмя технологическими гигантами (Amazon, Apple, Google и Samsung SmartThings) совместно с альянсом CSA, ранее известным как Zigbee Alliance. | Подробнее >> |
На данном этапе мы дошли до протоколов, которые не так известны широкому кругу обычных пользователей, как вышеперечисленные. Некоторые из них, на сегодняшний день, не имеют широкого распространения в нашей стране, другие используются в дорогостоящих профессиональных инсталляциях, третьи рассчитаны в большей степени на промышленное применение.
| HiTE Pro — уникальный Российский технологический стек, имеющий Собственный протокол передачи данных в радиоэфире, не требующий большого количества энергии для отправки, при этом демонстрирующий высокую дальность и надежность. Особенности протокола: малый объем посылки, универсальный формат передачи данных для разных устройств, контрольная сумма для проверки корректности расшифрованных данных, шифрование посылки AES128; программная оптимизация передачи данных по радиоканалу для повышения дальности и стабильности соединения, использующая как собственные разработки, так и современные передовые подходы: Listen Before Talk (LBT), дублирование отправки со случайными интервалами, разнесение частот для приема передачи данных, высокую скорость передачи данных (быстрое освобождение эфира) и т.д. | Подробнее >> |
| X10 — международный открытый промышленный стандарт, применяемый для связи электронных устройств в системах домашней автоматизации. Стандарт X10 определяет методы и протокол передачи сигналов управления электронными модулями, к которым подключены бытовые приборы, с использованием обычной электропроводки или беспроводных каналов. | Подробнее >> |
| Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий — ведомый (англ. master-slave; в стандарте Modbus используются термины client-server). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232 и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP. | Подробнее >> |
| MQTT (англ. message queuing telemetry transport) — упрощённый сетевой протокол, работающий поверх TCP/IP, ориентированный на обмен сообщениями между устройствами по принципу «издатель — подписчик». | Подробнее >> |
| Insteon — это запатентованная система домашней автоматизации (домотики), которая позволяет выключателям, светильникам, датчикам протечки, пультам дистанционного управления, датчикам движения и другим устройствам с электрическим питанием взаимодействовать друг с другом через линии электропередачи, радиочастотную (РЧ) связь или и то, и другое. | Подробнее >> |
| One-Net — первый открытый протокол беспроводной сети передачи данных, разработанный для целей автоматизации зданий и управления распределёнными объектами. One-Net может быть использован со множеством существующих приёмопередатчиков (трансиверов) и микроконтроллеров самых разных производителей. | Подробнее >> |
| KNX — коммуникационная шина, широко используемая для автоматизации зданий. Стандарт шины KNX стал развитием более ранней разработки EIB (аббр. от англ. European Installation Bus, рус. Европейская установочная шина, Европейская шина установочных изделий). EIB — устаревшее обозначение, но оно продолжает использоваться, особенно в Европе. Иногда используется обозначение EIB/KNX. Продукция KNX распространяется под несколькими торговыми марками. Наиболее известны Instabus, ABB i-Bus, Tebis, Theben. | Подробнее >> |
| LonWorks (англ. local operating network) — сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления. Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как витая пара, линии электропитания, оптоволокно и беспроводные радиочастотные. LonWorks широко используется для автоматизации различных процессов и функций зданий, например, управление освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием. | Подробнее >> |
| BACnet (англ. Building Automation and Control network) — сетевой протокол, применяемый в системах автоматизации зданий и сетях управления. BACnet-устройство — это устройство системы автоматизации (контроллер, датчик, исполнительный механизм), поддерживающее протокол BACnet. Сеть BACnet — промышленная сеть, состоящая из BACnet-устройств. Разработка протокола BACnet началась в июне 1987. Цель разработки состояла в создании унифицированного, не зависящего от производителей оборудования, стандарта для передачи данных в системах автоматизации здания. BACnet стал в 1995 году стандартом ASHRAE/ANSI (135), а в 2003 году стандартом ISO (16484-5). Стандарт постоянно совершенствуется в различных рабочих группах. | Подробнее >> |
| EnOcean — это беспроводная технология аккумуляции энергии, которая используется в основном в системах автоматизации зданий, но также и в других областях, таких как промышленность, транспорт и логистика. В марте 2012 года беспроводной стандарт EnOcean был утверждён в качестве международного стандарта ISO/IEC 14543–3–10, который оптимизирован для беспроводных решений со сверхнизким энергопотреблением и функцией сбора энергии. Стандарт охватывает уровни 1–3 модели OSI (Open Systems Interconnection, «Взаимодействие открытых систем»), которые являются физическими уровнями, уровнями передачи данных и сетевыми уровнями. Компания EnOcean предлагает свою технологию и лицензии на запатентованные функции в рамках альянса EnOcean. | Подробнее >> |
| Протокол LoRa или LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) — это протокол беспроводной связи, разработанный для маломощных глобальных сетей (LPWAN), которые используются в приложениях Интернета вещей (IoT). Это маломощный беспроводной протокол с большим радиусом действия, который позволяет передавать небольшие пакеты данных на большие расстояния с низким энергопотреблением, что делает его идеальным для приложений IoT, которым требуется низкая скорость передачи данных и возможность подключения на большом расстоянии. LoRaWAN работает в нелицензируемом диапазоне и использует частотную модуляцию с расширенным спектром для обеспечения связи на больших расстояниях при низком энергопотреблении. Протокол LoRaWAN также использует звездообразную топологию, при которой отдельные конечные устройства взаимодействуют с центральным шлюзом, что позволяет сети охватывать большие территории с минимальной инфраструктурой. | Подробнее >> |
| NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) — стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объёмами обмена данными. Разработан консорциумом 3GPP в рамках работ над стандартами сотовых сетей нового поколения. Первая рабочая версия спецификации представлена в июне 2016 года.Предназначен для подключения к цифровым сетям связи широкого спектра автономных устройств. Например, медицинских датчиков, счетчиков потребления ресурсов, устройств умного дома и т. п. В быту такие системы связи получили обобщающее наименование интернет вещей (англ. Internet of Things (IoT)). NB-IoT является одним из трех стандартов IoT, разработанных 3GPP для сотовых сетей связи: eMTC (enhanced Machine-Type Communication), NB-IoT и EC-GSM-IoT. eMTC обладает наибольшей пропускной способностью и разворачивается на оборудовании LTE. NB-IoT сеть может быть развернута как на оборудовании сотовых сетей LTE, так и отдельно, в том числе поверх GSM. EC-GSM-IoT предоставляет наименьшую пропускную способность и разворачивается поверх сетей стандарта GSM. | Подробнее >> |
| Sigfox 0G — это глобальный сетевой протокол Low-Power Wide-Area (LPWA), основанный в 2010 году и используемый более чем 70 операторами сети Sigfox 0G по всему миру. Эта беспроводная сеть была разработана для безопасного и недорогого подключения объектов с низким энергопотреблением, таких как счётчики электроэнергии, с передачей небольшого объёма данных. | Подробнее >> |
| Протоко́л ограни́ченных приложе́ний (англ. Constrained Application Protocol, CoAP) — это специализированный веб-протокол передачи данных, оптимизированный для устройств с ограниченными ресурсами (памятью, вычислительной мощностью) и сетей с потерями, используемых в беспроводных сенсорных сетях для построения интернета вещей (IoT). Протокол основан на архитектурном стиле REST и использует методы, аналогичные HTTP (GET, POST, PUT, DELETE), что упрощает его интеграцию с веб-системами через прокси-серверы. Ключевыми особенностями CoAP являются легковесная архитектура с компактным бинарным заголовком и асинхронная модель связи, включающая механизм «наблюдения» за ресурсами для получения уведомлений об их изменении. | Подробнее >> |
Протоколы — это «язык» цифровой коммуникации, без которого невозможны современные сети, интернет, облачные сервисы и межмашинное взаимодействие.