Převodník, sběrnice, bridge, gateway: v čem je rozdíl?

Nejde jen o název na štítku

Klíčové poznatky

• Převodník, bridge, gateway a repeater popisují různé funkce. Některé z těchto funkcí se u jednoho zařízení mohou překrývat, ale pojmy nejsou zaměnitelné.
• Sběrnice, rozhraní a protokol popisují různé aspekty komunikace, a proto by pojmy jako M-Bus, RS-485 a Modbus neměly být brány jako synonyma.
• Jedno zařízení může mít současně několik technicky platných popisů, například může fungovat jako M-Bus master vůči připojeným měřidlům, jako převodník vůči jiné síti, a zároveň plnit funkci dataloggeru.
• Repeater slouží k prodloužení dosahu existující komunikace, ne k jejímu překladu do jiného protokolu.
• Převodník zpřístupní jeden signál, rozhraní, protokol nebo komunikační metodu v jiném prostředí, což z něj dělá zvlášť užitečné řešení pro retrofit projekty.
• Gateway propojuje různé síťové nebo komunikační domény, ale jeho přesná role závisí na architektuře. U LoRaWAN gateway předává rádiové pakety mezi koncovými zařízeními a Network Serverem, NB-IoT místo toho využívá mobilní síť.
• Nejspolehlivější způsob, jak pochopit, co zařízení skutečně dělá, je sledovat cestu dat: co vstupuje, co se děje uvnitř, co vystupuje a jaká infrastruktura následuje.

‍

Hledání zařízení, které propojí stávající měřidlo se systémem vzdáleného odečtu, rychle narazí na nejednotnou terminologii. Převodník, bridge, gateway, repeater, koncentrátor a datalogger se objevují napříč datasheety, někdy u zařízení, která vypadají téměř stejně.

Některé z těchto pojmů se překrývají. Jiné popisují jasně odlišné funkce. Nejjednodušší způsob, jak je rozlišit, není spoléhat na název produktu, ale sledovat cestu dat.

Sběrnice, rozhraní a protokol nejsou totéž

Než se podíváme na jednotlivá zařízení, pomůže oddělit tři pojmy, které se často pletou dohromady.

Sběrnice poskytuje komunikační cestu mezi více zařízeními. M-Bus je navržen speciálně pro komunikaci s měřidly a jeho drátová fyzická a linková vrstva je definována v normě EN 13757-2. Bezdrátový M-Bus (wM-Bus) patří do stejné rodiny EN 13757, ale místo toho využívá rádiovou komunikaci.

RS-485 naproti tomu definuje elektrické charakteristiky pro sériovou komunikaci, ne aplikační protokol. Modbus je protokol a může například běžet přes RS-485. RS-485 a Modbus tedy nejsou synonyma, i když je produktové popisy často uvádějí vedle sebe.

Bližší srovnání těchto technologií popisuje článek o M-Bus, wM-Bus a RS-485.

Jedno zařízení může mít několik rolí

Terminologie může být matoucí i z dalšího důvodu: různé pojmy mohou popisovat různé role nebo funkce téhož fyzického zařízení.

Například zařízení připojené k několika drátovým M-Bus měřidlům. Vůči těmto měřidlům může fungovat jako M-Bus master, který zahajuje komunikaci s připojenými M-Bus zařízeními. Pokud pak zpřístupní data z měřidel přes LoRaWAN, totéž zařízení lze zároveň popsat jako M-Bus na LoRaWAN převodník. Pokud navíc ukládá odečty lokálně mezi jednotlivými přenosy, plní i funkci dataloggeru.

Tyto popisy si navzájem neodporují. Odpovídají jen na různé otázky o zařízení: jakou má roli na M-Bus síti, jak propojuje tuto síť s jiným komunikačním prostředím, a co dělá s daty uvnitř.

Tento rozdíl je důležitý při srovnávání datasheetů. Dva výrobci mohou ve svých produktových názvech zdůrazňovat různé funkce, i když je podkladová architektura podobná.

Repeater: prodloužení existující komunikace

Repeater prodlužuje existující komunikační segment tím, že regeneruje nebo znovu vysílá signál. Jeho účelem je komunikaci prodloužit, ne ji překládat do jiného protokolu. Na drátové M-Bus síti může repeater například prodloužit komunikační segment, zatímco komunikace samotná zůstává M-Bus. Stejná komunikace, jen dál.

Bridge: propojení komunikačních prostředí

Bridge je pojem, jehož význam silně závisí na kontextu. V tradičním síťování bridge přeposílá provoz mezi síťovými segmenty. V terminologii průmyslového IoT a meteringu se tento pojem používá i šířeji, pro zařízení, která propojují odlišná komunikační prostředí, a proto existují produkty popisované jako bezdrátový M-Bus na NB-IoT bridge nebo M-Bus na LoRaWAN bridge.

Samotné slovo bridge tedy neříká přesně, co se s daty uvnitř konkrétního zařízení děje. Užitečnější technický popis dávají rozhraní, protokoly a chování na obou stranách. Konkrétně v produktovém pojmenování se rozdíl mezi převodníkem a bridgem často týká spíš rozsahu než funkce.

Obě zařízení mohou překládat stejné protokoly, ale zařízení prodávané jako převodník bývá typicky postavené tak, aby agregovalo mnoho měřidel do jednoho hubu, zatímco zařízení prodávané jako bridge bývá typicky kompaktní bod na bod spojení pro malý počet jinak těžko dostupných měřidel, například pro vytažení signálu ze šachty nebo suterénu. Samotný překlad je stejný, rozdíl je v tom, kolika měřidlům je zařízení určeno sloužit a kde v instalaci sedí.

Převodník: zpřístupnění jedné formy komunikace v jiné

Převodník převezme signál, rozhraní, protokol nebo komunikační metodu z jednoho prostředí a zpřístupní je v jiném.

Analog na-M-Bus převodník dokáže převést signál 4 až 20 mA ze senzoru na M-Bus odečet. M-Bus na LoRaWAN převodník propojí drátovou M-Bus instalaci se sítí LoRaWAN. M-Bus na NB-IoT převodník místo toho zpřístupní data ze stejného typu instalace přes mobilní síť.

To je zvlášť užitečné u retrofit projektů, kde lze stávající měřidla napojit na vzdálený odečet, aniž by je bylo nutné vyměnit jen kvůli přidání komunikace. Praktické metody, jak toho dosáhnout, popisuje článek o napojení M-Bus na IoT.

Převodník může navíc opakovaně dotazovat měřidla, filtrovat záznamy, ukládat odečty nebo šifrovat komunikaci. Tato další funkčnost z něj nedělá nic jiného než převodník. Znamená to jen, že název popisuje jednu z jeho funkcí, ne všechno, co je uvnitř krabičky.

Gateway: jiná role v architektuře

Gateway patří v IoT k nejvíce přetíženým pojmům. Obecně gateway propojuje různé síťové nebo komunikační domény, ale jeho přesná funkce závisí na architektuře.

Dobrým konkrétním příkladem je LoRaWAN: M-Bus měřidla → M-Bus-to-LoRaWAN převodník → LoRaWAN gateway → Network Server → aplikace.

Převodník komunikuje s M-Bus měřidly a zpřístupňuje jejich data přes LoRaWAN. LoRaWAN gateway přijímá rádiové pakety od LoRaWAN koncových zařízení a přeposílá je směrem k Network Serveru přes IP připojení. Přitom nepotřebuje interpretovat aplikační payload obsažený v těchto paketech.

NB-IoT používá jinou architekturu: M-Bus měřidla → M-Bus-to-NB-IoT převodník → mobilní síť → aplikace.

V této cestě neexistuje žádná lokální obdoba LoRaWAN gateway. NB-IoT zařízení komunikuje přímo přes infrastrukturu mobilní sítě.

Proto samotný požadavek na 'IoT gateway' často nestačí k tomu, aby specifikoval, co projekt skutečně potřebuje. Role zařízení v rámci celé komunikační architektury je důležitější než obecná produktová kategorie.

Koncentrátor, kolektor a datalogger

Některé pojmy popisují spíš to, co se děje s daty, než jak jsou propojena dvě komunikační prostředí.

Koncentrátor nebo kolektor shromažďuje data z více koncových bodů na jedno místo a může je pak zpracovat, uložit nebo přeposlat.

Datalogger zaznamenává data lokálně, takže odečty zůstávají dostupné pro pozdější vyčtení nebo přenos.

Tyto funkce se navzájem nevylučují. Převodník, který pravidelně odečítá několik měřidel a ukládá odečty lokálně, je pořád převodník, jen navíc plní funkci dataloggeru.

Anténa: součást rádiového systému, ne zařízení pro zpracování dat

Anténa vysílá a přijímá elektromagnetické vlny využívané rádiovými komunikačními systémy, jako je wM-Bus, LoRaWAN nebo NB-IoT. Neparsuje data z měřidel, nepřekládá protokoly, neukládá odečty ani nerozhoduje, kam mají data jít.

Typ antény, její umístění a frekvence přitom mohou mít přímý dopad na kvalitu rádiového přenosu. Co se stane, když je anténa špatně sladěná, popisuje článek o tom, proč zařízení bez antény selhává. Anténa je tedy součást rádiového systému, ne alternativa k převodníku, bridge nebo gateway.

Proč se terminologie nikdy nesjednotila

Velká část užívané terminologie pochází z telekomunikací a IT prostředí, kde mají pojmy jako bridge, gateway a repeater ustálený technický význam. Průmyslová komunikace a IoT přebraly stejnou terminologii napříč sběrnicemi, sériovými rozhraními, rádiovými sítěmi a mobilní konektivitou, a výrobci často zdůrazňují tu funkci, která je pro jejich produkt nejdůležitější.

To neznamená, že je terminologie bezvýznamná. Znamená to, že samotný název nestačí k určení skutečné role zařízení.

Na čem záleží víc než na názvu

Když dva produkty nesou různé názvy pro to, co vypadá jako stejná úloha, čtyři otázky obvykle pomůžou víc než debata o tom, jak by se měla krabička jmenovat.

• Co vstupuje? M-Bus, wM-Bus, RS-485, pulzní signál, 4 až 20 mA, nebo něco jiného?
• Co se děje uvnitř? Přeposílá se nebo znovu vysílá komunikace? Odečty se převádí, parsují, filtrují nebo ukládají?
• Co vystupuje? M-Bus, LoRaWAN, NB-IoT, Ethernet, nebo jiné rozhraní či síť?
• Jaká infrastruktura následuje? Komunikuje zařízení přes mobilní síť, potřebuje LoRaWAN gateway, nebo se připojuje k jinému lokálnímu systému?

‍

Jakmile jsou tyto otázky zodpovězené, na názvu produktu záleží mnohem méně než na tom, jestli zařízení sedí do skutečné komunikační architektury.

Přehled terminologie