物联网应用层协议的多标准评估分析模型

论文标题

• 中文标题：物联网应用层协议的多标准评估分析模型

• 英文标题：An analytical model for multi-criteria evaluation of IoT application layer protocols

作者信息

• 作者：Dilyana Dimitrova

• 所属单位：Department of Information Technologies, Nikola Vaptsarov Naval Academy, Varna, Bulgaria

• 邮箱：[email protected]

论文出处

• 会议名称：2024 8th International Symposium on Innovative Approaches in Smart Technologies (ISAS)

• DOI：10.1109/ISAS64331.2024.10845381

• 版权信息：©2024 IEEE

摘要

随着物联网（IoT）的快速发展，选择高效且安全的通信协议以支持多样化的IoT应用成为新的挑战。应用层协议如MQTT、HTTP和CoAP在实现IoT系统中的可靠数据传输、安全性和可扩展性方面发挥着重要作用。每种协议都有其独特的优点和局限性，使得协议选择成为一个复杂的决策问题，尤其是在嵌入式设备中。本研究应用层次分析法（AHP）创建了一个结构化的多标准评估模型，用于选择最适合的IoT应用层协议。通过评估六个关键标准——可扩展性、延迟、可靠性、资源消耗、安全性和实现复杂性——来确定最优协议，以实现嵌入式设备之间的安全通信。研究结果表明，MQTT是在所选协议中最有效的协议，在可扩展性、延迟和资源效率方面得分很高，使其适合大规模IoT部署。该研究强调了AHP在协议选择中的重要性，增强了IoT架构规划中的决策制定。该框架可以适应其他IoT相关的选择过程，为将协议性能与特定IoT需求对齐提供了一种系统化的方法。

引言

“物联网”（IoT）描述了一个由物理对象组成的网络，包括家电、汽车和其他物品，这些对象集成了软件、传感器和网络连接，以允许它们通信和收集信息。它代表了一个新技术时代，许多资源受限的设备通过互联网相互连接和通信。IoT架构可以分为三层——感知层、网络层和应用层。应用层协议（ALPs）至关重要，因为它们定义了IoT设备和系统之间数据的格式化、传输和处理方式。像MQTT、CoAP和HTTP这样的协议建立了独特的数据格式和消息约定，使得不同制造商的IoT设备能够“说同一种语言”。这是创建无缝集成的IoT系统的关键，无论设备的来源或设计差异如何。应用层协议在数据传输效率方面具有关键优势。许多IoT设备在带宽有限、内存有限和处理能力有限的情况下运行。安全性是IoT系统和应用层协议的另一个重要方面。这些协议保护数据在网络中的传输，防御隐私并防止未经授权的访问。可靠性和数据管理是应用层协议对IoT系统至关重要的进一步原因。某些协议包括机制，以确保数据可靠地交付，尽管存在网络中断或设备故障。应用层协议的可扩展性和灵活性使它们适合大规模IoT部署。选择最合适的IoT应用层协议具有挑战性，因为存在多种选择。每种协议都有其自身的一组特性，使得很难确定哪种最适合特定用例。在这种情况下，必须考虑网络约束、数据安全性和IoT设备的资源限制等因素。此外，IoT技术和协议的快速发展增加了复杂性，因为新的协议经常出现，每个都声称解决了现有限制。做出明智的决策需要一种系统化的方法来评估和优先考虑这些多样化标准，确保所选协议与应用的具体需求和约束相一致。本研究的主要目的是开发一个结构化的决策模型，使用层次分析法（AHP）来评估和选择最适合的IoT应用层协议，基于关键标准，增强各种IoT应用中协议选择的客观性和有效性。

相关工作综述要点

• 多项研究对应用层协议进行了评估和比较，但缺乏使用AHP进行选择的研究。

• 现有研究主要依赖专家知识和预定义标准，适应性有限。

• 本研究提出使用AHP来系统化选择过程，提高决策的客观性和有效性。

层次分析法（AHP）要点

• AHP是一种系统化的决策工具，通过定义标准和评估替代方案来分解复杂决策过程。

• 决策层次模型通常包括三个层次：目标、标准和替代方案。

• 通过成对比较标准和替代方案，计算权重并评估一致性。

提出的多标准评估模型要点

• 目标：确定最适合嵌入式设备安全通信的IoT应用层协议。

• 选择的标准：可扩展性、延迟、可靠性、资源消耗、安全性和实现复杂性。

• 评估的协议：MQTT、HTTP和CoAP。

协议评估结果要点

• 通过AHP方法对MQTT、HTTP和CoAP进行比较。

• MQTT在可扩展性、延迟、可靠性和资源消耗方面得分最高。

• HTTP和CoAP在某些领域表现良好，但MQTT在关键标准上表现更为平衡。

结论要点

• MQTT是嵌入式设备安全通信的最适协议，具有良好的可扩展性、低延迟、可靠性和低资源消耗。

• AHP方法为选择最适合的IoT应用层协议提供了一种系统化的方法，有助于提高IoT架构规划的决策质量。