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- 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議全解析
- 來(lái)源：軟件新視界、IoT科技物語(yǔ) 發(fā)表于 2020/7/3
隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的持續(xù)增加，這些設(shè)備之間的通信或連接已成為一個(gè)重要的思考課題。通信對(duì)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)十分常用且關(guān)鍵，無(wú)論是近距離無(wú)線傳輸技術(shù)還是移動(dòng)通信技術(shù)，都影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。而在通信中，通信協(xié)議尤其重要，是雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。
本文介紹了幾個(gè)可用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，它們具有不同的性能、數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、功率和內(nèi)存，而且每一種協(xié)議都有各自的優(yōu)點(diǎn)和或多或少的缺點(diǎn)。其中一些通信協(xié)議只適合小型家用電器，而其他一些通信協(xié)議則可以用于大型智慧城市項(xiàng)目。物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分為兩大類：
一類是接入?yún)f(xié)議：一般負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的組網(wǎng)及通信
一類是通訊協(xié)議：主要是運(yùn)行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上的設(shè)備通訊協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信。
一
物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議
1、遠(yuǎn)距離蜂窩通信
（1）2G/3G/4G通信協(xié)議，分別指第二、三、四代移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議。
（2）NB-IoT
窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景：NB-IoT網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的場(chǎng)景應(yīng)用包括智能停車、智能消防、智能水務(wù)、智能路燈、共享單車和智能家電等。
（3）5G
第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。5G的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。
應(yīng)用場(chǎng)景：AR/VR、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧能源、無(wú)線醫(yī)療、無(wú)線家庭娛樂(lè)、聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)、超高清/全景直播、個(gè)人AI輔助、智慧城市。
2、遠(yuǎn)距離非蜂窩通信
（1）WiFi
由于前幾年家用WiFi路由器以及智能手機(jī)的迅速普及，WiFi協(xié)議在智能家居領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。WiFi協(xié)議最大的優(yōu)勢(shì)是可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)。相對(duì)于ZigBee，采用Wifi協(xié)議的智能家居方案省去了額外的網(wǎng)關(guān)，相對(duì)于藍(lán)牙協(xié)議，省去了對(duì)手機(jī)等移動(dòng)終端的依賴。
商用WiFi在城市公共交通、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所的覆蓋，將商用WiFi的場(chǎng)景應(yīng)用潛力表露無(wú)疑。
（2）ZigBee
ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線通信協(xié)議，是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)�、低�?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee技術(shù)是一種新型技術(shù)，它最近出現(xiàn)，主要是依靠無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，它能夠近距離的進(jìn)行無(wú)線連接，屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。
ZigBee技術(shù)的先天性優(yōu)勢(shì)，使得它在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)逐漸成為一個(gè)主流技術(shù)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、智能 家居等領(lǐng)域得到大規(guī)模的應(yīng)用。
（3）LoRa
LoRa?(LongRange，遠(yuǎn)距離)是一種調(diào)制技術(shù)，與同類技術(shù)相比，提供更遠(yuǎn)的通信距離。LoRa 網(wǎng)關(guān)、煙感、水監(jiān)測(cè)、紅外探測(cè)、定位、排插等廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。作為一種窄帶無(wú)線技術(shù)，LoRa 是使用到達(dá)時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)地理定位的。LoRa 定位的應(yīng)用場(chǎng)景：智慧城市和交通監(jiān)控、計(jì)量和物流、農(nóng)業(yè)定位監(jiān)控。
3、近距離通信
（1）RFID
射頻識(shí)別（RFID）是 Radio Frequency Identification 的縮寫。其原理為閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的目的。RFID 的應(yīng)用非常廣泛，典型應(yīng)用有動(dòng)物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場(chǎng)管制、生產(chǎn)線自動(dòng)化、物料管理。完整的RFID系統(tǒng)由讀寫器(Reader)、電子標(biāo)簽(Tag)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成。
（2）NFC
NFC的中文全稱為近場(chǎng)通信技術(shù)。NFC是在非接觸式射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無(wú)線互連技術(shù)研發(fā)而成，它為我們?nèi)粘Ｉ钪性絹?lái)越普及的各種電子產(chǎn)品提供了一種十分安全快捷的通信方式。NFC中文名稱中的“近場(chǎng)”是指臨近電磁場(chǎng)的無(wú)線電波。
應(yīng)用場(chǎng)景：應(yīng)用在門禁、考勤、訪客、會(huì)議簽到、巡更等領(lǐng)域。NFC具有人機(jī)交互、機(jī)器間交互等功能。
（3）Bluetooth
藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信開(kāi)放的全球規(guī)范，它是基于低成本的近距離無(wú)線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無(wú)線技術(shù)連接。
藍(lán)牙能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路。
4、有線通信
（1）USB
USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。
（2）串口通信協(xié)議
串口通信協(xié)議是指規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，內(nèi)容包含了起始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位及停止位，雙方需要約定一致的數(shù)據(jù)包格式才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)的有關(guān)規(guī)范。在串口通信中，常用的協(xié)議包括RS-232、RS-422和RS-485。
串口通信是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)線按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)汀４蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)(不包括筆記本)都包含兩個(gè)RS-232串口。串口通信也是儀表儀器設(shè)備常用的通信協(xié)議。
（3）以太網(wǎng)
以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。
（4）MBus
MBus 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)（symphonic mbus），是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的2線的二總線， 主要用于消耗測(cè)量?jī)x器諸如熱表和水表系列。
二
網(wǎng)絡(luò)層、傳輸協(xié)議
1、IPv 4
互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第四版，是網(wǎng)際協(xié)議開(kāi)發(fā)過(guò)程中的第四個(gè)修訂版本，也是此協(xié)議第一個(gè)被廣泛部署的版本。IPv4是互聯(lián)網(wǎng)的核心，也是使用最廣泛的網(wǎng)際協(xié)議版本
2、IPv6
互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版，由于IPv4最大的問(wèn)題在于網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，嚴(yán)重制約了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。IPv6的使用，不僅能解決網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量的問(wèn)題，而且也解決了多種接入設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)的障礙
3、TCP
傳輸控制協(xié)議（TCP，Transmission Control Protocol）是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP旨在適應(yīng)支持多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的分層協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。連接到不同但互連的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的主計(jì)算機(jī)中的成對(duì)進(jìn)程之間依靠TCP提供可靠的通信服務(wù)。TCP假設(shè)它可以從較低級(jí)別的協(xié)議獲得簡(jiǎn)單的，可能不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。
4、6LoWPAN
6LoWPAN是一種基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6 over IEEE 802.15.4。
三
應(yīng)用層協(xié)議
1、MQTT協(xié)議
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)，翻譯成中文就是，遙測(cè)傳輸協(xié)議，其主要提供了訂閱/發(fā)布兩種消息模式，更為簡(jiǎn)約、輕量，易于使用，特別適合于受限環(huán)境（帶寬低、網(wǎng)絡(luò)延遲高、網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定）的消息分發(fā)，屬于物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。
在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。其在，通過(guò)衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。
2、CoAP協(xié)議
CoAP（Constrained Application Protocol）是一種在物聯(lián)網(wǎng)世界的類Web協(xié)議，適用于需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或監(jiān)控的小型低功率傳感器，開(kāi)關(guān)，閥門和類似的組件，服務(wù)器對(duì)不支持的類型可以不響應(yīng)
3、REST/HTTP協(xié)議
RESTful是一種基于資源的軟件架構(gòu)風(fēng)格。所謂資源，就是網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)實(shí)體，或者說(shuō)是網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)具體信息。一張圖片、一首歌曲都是一個(gè)資源。RESTful API是基于HTTP協(xié)議的一種實(shí)現(xiàn)。（HTTP是一個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議，特點(diǎn)是簡(jiǎn)捷 快速）。
滿足Rest規(guī)范的應(yīng)用程序或設(shè)計(jì)就是RESTful，根據(jù)Rest規(guī)范設(shè)計(jì)的API，就叫做RESTful API
4、DDS協(xié)議
DDS（Data Distribution Service）分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件協(xié)議，它是分布式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)里的“TCP/IP”，用來(lái)解決實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互聯(lián)，其作用相當(dāng)于“總線上的總線”。
5、AMQP協(xié)議
AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol，一個(gè)提供統(tǒng)一消息服務(wù)的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議，是應(yīng)用層協(xié)議的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，為面向消息的中間件設(shè)計(jì)�；诖藚f(xié)議的客戶端與消息中間件可傳遞消息，并不受客戶端/中間件不同產(chǎn)品，不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言等條件的限制。Erlang中的實(shí)現(xiàn)有RabbitMQ等。
6、XMPP協(xié)議
XMPP是一種基于標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的子集XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。因此，基于XMPP的應(yīng)用具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性。經(jīng)過(guò)擴(kuò)展以后的XMPP可以通過(guò)發(fā)送擴(kuò)展的信息來(lái)處理用戶的需求，以及在XMPP的頂端建立如內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)和基于地址的服務(wù)等應(yīng)用程序。
四
部分通信協(xié)議比較
1、NB-IoT協(xié)議和LoRa協(xié)議比較
第一，頻段。LoRa工作在1GHz以下的非授權(quán)頻段，在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)，NB-IoT和蜂窩通信使用1GHz以下的頻段是2113授權(quán)的，是需要收費(fèi)的。
第二，電池供電壽命。LoRa模塊在處理干擾、網(wǎng)絡(luò)5261重迭、可伸縮性等方面具有獨(dú)特的特性，但卻不能提供像蜂窩協(xié)議一樣的服務(wù)質(zhì)量4102。NB-IoT出于對(duì)服務(wù)質(zhì)量的考慮，不能提供類似LoRa一樣的電池壽命。
第三，設(shè)備成本。對(duì)終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，LoRa協(xié)議比NB-IoT更簡(jiǎn)單，更容易開(kāi)發(fā)并且1653對(duì)于微處理器的適用和兼容性更好。同時(shí)低成本、技術(shù)相對(duì)成熟的LoRa模塊已經(jīng)可以在市場(chǎng)上找到了，并且還會(huì)有升級(jí)版本陸續(xù)出來(lái)。
第四，網(wǎng)絡(luò)覆蓋和部署時(shí)間表。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)在2016年公布，除回網(wǎng)絡(luò)部署之外，相應(yīng)的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)鏈的建立還需要更長(zhǎng)的時(shí)間和努力去探索。LoRa的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)已經(jīng)較為成熟了，產(chǎn)品也處于“蓄勢(shì)待答發(fā)”的狀態(tài)，同時(shí)全球很多國(guó)家正在進(jìn)行或者已經(jīng)完成了全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)部署。
2、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee協(xié)議比較
目前來(lái)說(shuō)，WiFi的優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用廣泛，已經(jīng)普及到千家萬(wàn)戶；ZigBee的優(yōu)勢(shì)是低功耗和自組網(wǎng)；UWB無(wú)載波無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是傳輸速率；藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)組網(wǎng)簡(jiǎn)單。然而，這3種技術(shù)，也都有各自的不足，沒(méi)有一種技術(shù)能完全滿足智能家居的全部要求。
藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)使得短距離無(wú)線通信成為可能，但其協(xié)議較復(fù)雜、功耗高、成本高等特點(diǎn)不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)。尤其藍(lán)牙最大的障礙在于傳輸范圍受限，一般有效的范圍在10米左右，抗干擾能力不強(qiáng)、信息安全問(wèn)題等問(wèn)題也是制約其進(jìn)一步發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。
WiFi也是是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，可以隨時(shí)接入無(wú)線信號(hào)，移動(dòng)性強(qiáng)，比較適合在辦公室及家庭的環(huán)境下應(yīng)用。當(dāng)然WiFi也存在一個(gè)致命缺點(diǎn)。由于WiFi采用的是射頻技術(shù)，通過(guò)空氣發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使用無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，比較容易受到外界的干擾。
ZigBee則是國(guó)際通行的無(wú)線通訊技術(shù)，它的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口可以最多接入6.5萬(wàn)多個(gè)端口，適合家居、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域使用，而藍(lán)牙和WiFi網(wǎng)端只能接入10個(gè)端口，顯然不能適應(yīng)家庭需要。ZigBee還具有低功耗和低成本優(yōu)勢(shì)。
3、MQTT協(xié)議和CoAP協(xié)議比較
MQTT是多對(duì)多通訊協(xié)議用于在不同客戶端之間通過(guò)中間代理傳送消息，解耦生產(chǎn)者與消費(fèi)者，通過(guò)使得客戶端發(fā)布，讓代理決定路由并且拷貝消息。雖然MQTT支持一些持久化，最好還是作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊總線。
CoAP主要是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，用于在客戶端與服務(wù)器之間傳輸狀態(tài)信息。雖然支持觀察資源，CoAP最好適合狀態(tài)傳輸模型，不是完全基于事件。
MQTT客戶端建立長(zhǎng)連接TCP，這通常表示沒(méi)有問(wèn)題，CoAP客戶端與服務(wù)器都發(fā)送與接收UDP數(shù)據(jù)包，在NAT環(huán)境中，隧道或者端口轉(zhuǎn)發(fā)可以用于允許CoAP，或者像LWM2M，設(shè)備也許會(huì)先初始化前端連接。
MQTT不提供支持消息打類型標(biāo)記或者其他元數(shù)據(jù)幫助客戶端理解，MQTT消息可用于任何目的，但是所有的客戶端必須知道向上的數(shù)據(jù)格式以允許通訊，CoAP，相反地，提供內(nèi)置支持內(nèi)容協(xié)商與發(fā)現(xiàn)，允許設(shè)備相互探測(cè)以找到交換數(shù)據(jù)的方式。
兩種協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的取決于自己的應(yīng)用。
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