通訊模型(Communication Model)主要是在描繪感知器(Actor)在連線與訊息傳遞時所使用的通訊堆疊(Communication Stack),如圖三所示。而這樣的通訊堆疊則是調整自ISO/OSI 所提出的通訊堆疊[Larmouth, 1994],但更關注在IoT的系統需求與特性上。


圖3. Communication Model
圖3. Communication Model
在這通訊堆疊中,最重要的是ID層(ID Layer)的部分,在這一層中會將ID從網路位址中分離出來,因為在具有移動特性的情境中,裝置可能會在不同種類的網路中游走,一會兒透過WiFi連網,另一會兒可能又改變透過3G連網,所以裝置的ID要能夠自網路位址分離出來。

通訊模型

(Communication Model)

Physical Layer:這裡的Physical Layer與OSI所定義的模型的一樣,並不特別強調或傾向某些技術。

Link Layer:這一層主要是在強調網路資料整合的部份,目前大部分的網路技術都有其各自相似但不同的資料格式,以及安全防護機制,為了讓IoT系統能夠全面地橫跨各種不同的網路,勢必要進行必要的資料轉換動作,而Link Layer這一層便是在進行資料的轉換,同時也提供了統一的功能與介面給更上層的元件來呼叫使用(例如:初始、傳送封包、接收封包、...等)。

Network Layer:和OSI模型所提出的網路層(Network Layer)一致,網路層為資料傳送之目的地定址,再選擇出傳送資料的最佳路線,設備有:路由器。只不過為了能夠支援更高的管理、互動以及擴充性,這一層需要對每種可能的網路提供一組共通的通訊範本。

ID-Layer:這一層是IoT通訊架構專有的層級,這裡所指的ID是指虛擬實體的識別碼(VE-ID),這識別碼包含在傳送的位址之中並從位址分離出來,而位址則是指通訊涵蓋範圍的中心點。在ID Layer這層中允許使用一個共通的解析平台來分析IoT中實體的ID。另外關於安全、認證與高階的服務也會在此層出現,並用來對位於不同網路中的各種裝置進行統一的定址。

End-to-end Layer:此層主要關注的是資料傳輸的功能、proxies / gateways 的支援及跨網路時參數的調整,因為其建構在ID 與網路層之上,所以End-to-end Layer便夠提供完整全球M2M的通訊模型。

Data Layer:Data Layer是位在通訊堆疊的頂端,其負責資料的處理,有關IoT中資料應該包含哪些東西,則在IoT Information Model中描述。


頻道模型

(Channel Model for IoT Communication)

圖2是在描述裝置之間在進行點對點資料傳輸時封包傳遞的過程,資訊從資訊來源(Information Source),經由傳送器(Transmitter)送到頻道(Channel)之中,在頻道中會受到干擾源(Noise Source)的影響,之後經由接收器(Receiver)接收資訊後到達目的地(Destination)。

圖2. 一般通訊系統之資料傳遞過程之概念圖
圖2. 一般通訊系統之資料傳遞過程之概念圖


依據圖2的概念圖將其轉換到現在所使用的網路上時,則是如圖3所示,網際網路(Internet)是資料傳送的頻道,而在在網際網路兩邊則由閘道(Gateway)來扮演資料的傳送器與接收器,而資料的來源與目的地則是兩個網路環境(Network)。


圖3. 現在網路的Channel模型
圖3. 現在網路的Channel模型

而IoT定義了一個頻道模型(Channel Model),透過不同的頻道來區分受限制的網路(Constrained Network)還是不受限制的網路(Unconstrained Network)。
  • 不受限制的網路(Unconstrained Network)指的是能夠與現今網際網路相容的網路,一般是指高速(傳輸速率在Mbit/sec以上)且可信賴的網路,例如今日走有線的網際網路,延遲的時間較短且主要的影響是網路塞車。
  • 受限制網路(Constrained Network)則是指不可信賴且傳輸速率較慢的網路(一般是指小於1Mbit/sec,例如 IEEE802.15.4)。這類型的網路延遲的時間比較長,主要是受限實體傳輸頻率較低的關係。
而在IoT情境下,訊息的傳遞可能會橫跨多種受限制或不受限制的網路,如何才能夠順利地連接網路並傳遞資料,在這當中隱藏了許多可以探討的議題。

圖4是代表單一受限制的網路,在最小規模的IoT情境之中,頻道本身包含了一個受限制的網路,稱之為 WSN island (無線感知網路島)。可以想像是一個以點對點形成的網路,舉例來說:「一組可透過ZigBee通訊的感知器(裝置),感知器彼此間可形成一個點對點的網路,相互傳遞封包以做到資訊的接收、傳遞、散播...等動作,這樣一組裝置所形成的網路便是無線感知網路島」。
圖4. IoT中Constrained Network的Channel
圖4. IoT中Constrained Network的Channel


將IoT的情境變得複雜一點,則頻道可能會銜接數個受限制的網路(可能是運用不同的網路技術),此時便如圖5所示透過閘道來串連起這些網路。更複雜的情況便是混合了受限制與不受限制的網路,如圖6所示。舉例來說:「就是不同房間的兩組無線感知網路島透過某個閘道(頻道)進行訊息的傳遞,或是將訊息傳送到網際網路上」
圖5. IoT中有橫跨兩個限制網路的Channel模型
圖5. IoT中有橫跨兩個限制網路的Channel模型

圖6. IoT情境中橫跨限制與無限制網路的Channel模型
圖6. IoT情境中橫跨限制與無限制網路的Channel模型


當然在IoT的情境之中,受限制的網路可以透過網際網路將訊息傳遞到另一個受限制的網路中,訊息傳遞的過程則於圖7所示。
圖7. 透過經由Interner橫跨兩個有限制網路的Channel模型
圖7. 透過經由Interner橫跨兩個有限制網路的Channel模型



為了達到上述各種IoT的情境,以下兩點是必須具備的條件:
  • 裝置本身要能夠用各種不同的通訊協定進行通訊;
  • 在閘道上需要有額外的處理機制才能將訊息傳遞與接收自受限制與不受限制網路


網路配置圖


最後,通訊模型還提出了一個IoT網路配置圖(如圖8所示),並提出許多型態的元件以支持物聯網網路的運作。在此圖中,應用程式(Application)是安裝與執行在應用程式節點(Application Node)上,而這樣的應用程式符合領域模型中所謂的主動式數位品(Active Digital Artefact)。而應用程式節點會用控制點(Control Points)及資料端點(Data End Points)來和外界通訊,以此來操控感知器/反應器或是接收/傳遞資料。而模型中也描述了感知器是如何傳送資料給處理元件的,此時負責整合的工作將會在資料被傳遞至資料端點前被啟動起來。最末端,模型也定義了閘道並放置於應用程式節點與控制/資料端點之間,以使得位於不同網路中的節點得以相互傳遞/接收資訊。

圖8. IoT網路節點配置圖
圖8. IoT網路節點配置圖