重构通讯网络：传统协议难以应对物联网挑战

当我们在冥思苦想物联网到底该如何运作时，往往会忽略传统智慧的组网机制，特别是广域网（WAN）和无线网络。在传统网络中，带宽和频谱资源昂贵并且十分有限，然而传输数据量却很大而且在持续增长。尽管桌面有线网络（大多数传统互联网）的超配置数据通路已司空见惯，但对于广域网和无线网络来说，这种做法的确不够实际，毕竟代价太昂贵。无线网络的成本通常是传统有线 IP 网络的十倍之多，因此，运营商会将绝大部分高额成本转嫁给用户。 无线世界除了带来成本的增加，也难以避免潜在的数据丢包和竞争等问题。传统组网协议包含了很多校验和双重校验的机制，以确保数据的完整性，从而最小化高额的重传代价。实际上，这些限制也造就了如今我们所熟知的协议栈，如 TCP/IP 和 802.11 等。

引入“啁啾”信号然而，对于物联网来说，这种情况完全不同。毋容置疑，无线和广域网带宽的成本依然很高。众多网络的边缘连接（物联网边缘）通常是无线的而且有损的，因此，任何物联网架构首先必须考虑这些因素。但是多数边缘设备的数据流量非常小，而且任何独立消息的传递都是无关紧要的。如前所述，物联网是有损的、间歇性的网络，因此，即便是错过了某段时间（甚至更长一段时间）的收发数据，终端设备依然能够很好地运行。也正是这种自给自足的特性，有效地降低了任何独立消息的危急性。

经过对各种已有选择进行评估，并深入考虑物联网的架构需求，不难发现，我们非常有必要去定义一种新的数据帧（包）。这种新的数据帧仅仅为物联网边缘设备提供必要的功能开销，我们将这种小的数据包定义为“啁啾”信号，它将成为这种新型物联网架构的基本构成要素。“啁啾”信号在很多方面都不同于传统的互联网协议数据包。“啁啾”信号的基本特性如下：●“啁啾”信号仅包含最小的开销负载、传输指向“箭头”、简单的“非唯一”地址以及适度的校验和； ●“啁啾”信号本身是一种独立的非紧急设计模式； ●“啁啾”信号不包含重传或应答协议。为了将“啁啾”业务通过传统互联网进行传输，必须增加一些额外的功能（如全局寻址、路由等），这主要由其他网络设备进行自主处理，它们会为接收到的简易“啁啾”信号增加辅助信息。因此，在一个“啁啾”信号包内增设这些功能完全没有必要。

轻量级与一次性与传统网络帧结构形成鲜明对比的是，物联网“啁啾”信号更像是花粉或鸟鸣，是一种轻量级的、传播广泛的信号，而且携带信息只针对其“感兴趣”的汇聚单元或终端设备。物联网是以接收方为中心的模式，而非传统以发射方为中心的 IP 模式。由于物联网“啁啾”信号量小，且独立“啁啾”信号是非致命的，当然也就无须过多地关注重传机制及其可能引起的广播风暴，然而这对传统 IP 来说却是极其危险的。

当然，有效的物联网转发节点可以对数据进行裁剪并封装，来自终端设备的周期性或间歇性的广播风暴并不会造成严重的问题，因为“啁啾”信号量小（拥塞更少），且独立信号是非紧急的，必要时转发节点可能会丢弃部分冗余“啁啾”信号。

物联网功能取舍这种全新的组网理念在于，既然是基于轻量级组件的大规模网络，那就完全不必去考虑臃肿的数据包、发布者的安全性以及任何单一消息的可靠传递。在某种意义上，物联网可以理解为一种“雌性”（面向接收者）架构，而非传统的“雄性”IP 架构（面向发送者）。

然而，如果网络无法传递任何消息，那物联网也就毫无意义可言。那我们到底该如何管理这种公认的不可预测连接呢？答案也许会令人惊讶，仍然是“超配置”模式，但仅限于“啁啾”设备与转发节点之间的局部化超配置。换言之，这些短小精悍的“啁啾”信号可以一遍又一遍地进行重发，通过这种蛮力手段来确保其中的一些信号成功传递。

冗余效率如图 2—2 所示，由于数据块非常小，这种物联网边缘的超配置成本是微乎其微的。这些数据通常利用本地 WiFi、蓝牙、红外等无线方式进行处理，因此，不会被任何运营商计入成本开销。这种模式有着显著的优势，既然任一独立消息都被认为是非紧急的，那就完全没必要承担任何差错恢复或完整性校验所带来的额外开销（避免出现乱码的基本校验和除外）。每一个“啁啾消息仅包含一个地址、短数据段以及校验和。在某种程度上，这些消息本身也是 IP 数据包所需要的内容。“啁啾”在许多方面类似于简单网络管理协议（SNMP）的概念，SNMP 可通过简单的“GET”和“SET”指令进行消息获取和系统配置。
重要的是，产生“啁啾”信号的终端设备所承载的开销和复杂度非常低，这也是物联网必须要做到的一点。最有效的集成方案应该是“片上啁啾”模式，即在一个简单的标准化封装内，集成最基本的数据输入 / 输出和发送 / 接收等功能。

“啁啾”信号也包含了消息传送“箭头”，用以标识消息的传递方向，明确该消息到底是指向终端设备，还是指向汇聚单元（参见图 2—3）。发往终端设备的消息，只需携带终端设备的地址即可，对于其他海量的简易终端设备而言，消息的指向以及从何而来，它们并不关心。这些设备需要做的只是广播和收听，对于它们来说，本地相关性才是最重要的。
因此，终端设备可能沉浸于无数传输的跌宕起伏之中。它们可能持续地进行消息广播，同时，也允许转发节点和汇聚单元对冗余消息进行删除或忽略。同样，它们也可能接收到无数相同的消息，通过检测发现其中发生变化的那些，并立即作出响应。

本质上，这种“啁啾”协议意味着“奢侈的”本地重传，然而，本地带宽实际上非常廉价甚至完全免费（可以理解为“离线状态”）。既然转发节点的设计旨在最小化冗余或重复的业务流，WAN 到传统互联网的开销和业务也就大大减少了。

值得注意的是，不同于传统网络终端设备（如智能手机和笔记本电脑），物联网的绝大多数终端设备可能并不会同时具备发送和接收功能。例如，一个空气质量传感器只需要发送它所测量的当前状态，从通电开始发送，并重复发送这种“啁啾”信息，直到电源关闭为止。这样一来，就大大简化了众多终端设备所必需的嵌入式软硬件设计。

转自： 物联网智库