Vollständige Analyse der Kommunikationsprotokolle des Internets der Dinge

Mit der stetig wachsenden Anzahl von IoT-Geräten rückt die Kommunikation zwischen diesen Geräten immer stärker in den Fokus. Kommunikation ist für das Internet der Dinge unerlässlich und von entscheidender Bedeutung. Ob drahtlose Kurzstreckenübertragung oder mobile Kommunikationstechnologie – sie beeinflusst die Entwicklung des Internets der Dinge. Kommunikationsprotokolle spielen dabei eine besonders wichtige Rolle. Sie definieren die Regeln und Vereinbarungen, die beide Seiten einhalten müssen, um die Kommunikation oder die Nutzung von Diensten zu gewährleisten. Dieser Artikel stellt verschiedene verfügbare IoT-Kommunikationsprotokolle mit unterschiedlicher Leistung, Datenrate, Reichweite, Energieverbrauch und Speicherkapazität vor. Jedes Protokoll hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Einige eignen sich nur für kleine Haushaltsgeräte, während andere in großflächigen Smart-City-Projekten eingesetzt werden können. IoT-Kommunikationsprotokolle lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Zugriffsprotokolle und Kommunikationsprotokolle. Zugriffsprotokolle sind in der Regel für die Vernetzung und Kommunikation zwischen Geräten innerhalb eines Subnetzes zuständig. Kommunikationsprotokolle hingegen basieren auf dem traditionellen Internet-TCP/IP-Protokoll und dienen dem Datenaustausch und der Kommunikation zwischen Geräten über das Internet.

1. Protokolle der physikalischen Schicht und der Sicherungsschicht

1. Mobilfunkkommunikation über große Entfernungen

(1) 2G/3G/4G-Kommunikationsprotokolle bezeichnen die Protokolle der zweiten, dritten bzw. vierten Generation von Mobilkommunikationssystemen.

(2)NB-IoT

Das Schmalband-Internet der Dinge (NB-IoT) hat sich zu einem wichtigen Zweig des Internets der Dinge entwickelt. NB-IoT basiert auf Mobilfunknetzen und benötigt lediglich ca. 180 kHz Bandbreite. Es lässt sich direkt in GSM-, UMTS- oder LTE-Netzen einsetzen, um die Implementierungskosten zu senken und reibungslose Upgrades zu ermöglichen. NB-IoT konzentriert sich auf den Markt für energieeffizientes Internet der Dinge (LPWA) und ist eine aufstrebende Technologie mit weltweitem Anwendungspotenzial. Es zeichnet sich durch hohe Reichweite, vielfältige Verbindungsmöglichkeiten, hohe Geschwindigkeit, geringe Kosten, niedrigen Stromverbrauch und eine exzellente Architektur aus.

Anwendungsszenarien: Zu den Anwendungsszenarien, die durch das NB-IoT-Netzwerk ermöglicht werden, gehören intelligentes Parken, intelligenter Brandschutz, intelligente Wasserversorgung, intelligente Straßenbeleuchtung, Leihfahrräder und intelligente Haushaltsgeräte.

(3)5G

Die Mobilfunktechnologie der fünften Generation (5G) ist die neueste Generation der zellularen Mobilkommunikation. Zu den Leistungszielen von 5G gehören hohe Datenraten, geringere Latenz, Energieeinsparungen, Kostensenkung, erhöhte Systemkapazität und die Vernetzung einer großen Anzahl von Geräten.

Anwendungsszenarien: AR/VR, Internet der Fahrzeuge, intelligente Fertigung, intelligente Energieversorgung, drahtlose medizinische Versorgung, drahtlose Heimunterhaltung, vernetzte Drohnen, Ultra-High-Definition-/Panorama-Live-Übertragung, persönliche KI-Assistenz und intelligente Städte.

2. Nichtzellulare Fernkommunikation

(1) WLAN

Aufgrund der rasanten Verbreitung von WLAN-Routern und Smartphones in den letzten Jahren haben sich WLAN-Protokolle auch im Smart-Home-Bereich weit verbreitet. Der größte Vorteil von WLAN ist der direkte Internetzugang. Im Vergleich zu ZigBee benötigt eine Smart-Home-Lösung mit WLAN keine zusätzlichen Gateways. Im Vergleich zu Bluetooth entfällt die Abhängigkeit von mobilen Endgeräten wie Smartphones.

Die zunehmende Verbreitung von kommerziellem WLAN an öffentlichen Orten wie dem öffentlichen Nahverkehr in Städten und Einkaufszentren hat zweifellos das Potenzial von kommerziellem WLAN für verschiedene Anwendungsbereiche aufgezeigt.

(2) ZigBee

ZigBee ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll für die Übertragung über kurze Distanzen und niedrige Geschwindigkeiten. Es handelt sich um ein äußerst zuverlässiges drahtloses Datenübertragungsnetzwerk. Zu seinen Hauptmerkmalen zählen niedrige Geschwindigkeit, geringer Stromverbrauch, niedrige Kosten, Unterstützung einer großen Anzahl von Online-Knoten, Unterstützung mehrerer Online-Topologien, geringe Komplexität sowie hohe Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Die ZigBee-Technologie ist eine relativ neue Technologie, die hauptsächlich auf drahtlosen Netzwerken basiert. Sie ermöglicht drahtlose Verbindungen über kurze Distanzen und ist eine drahtlose Netzwerkkommunikationstechnologie.

Die inhärenten Vorteile der ZigBee-Technologie haben sie nach und nach zu einer Mainstream-Technologie in der Internet-of-Things-Branche gemacht und werden in Industrie, Landwirtschaft, Smart Homes und anderen Bereichen weit verbreitet eingesetzt.

(3)LoRa

LoRa (LongRange) ist eine Modulationstechnologie, die im Vergleich zu ähnlichen Technologien größere Kommunikationsdistanzen ermöglicht. LoRa-Gateways, Rauchmelder, Wasserüberwachungssysteme, Infrarotdetektoren, Ortungssysteme, Steckdosenleisten und andere IoT-Produkte sind weit verbreitet. Als Schmalband-Funktechnologie nutzt LoRa die Laufzeitdifferenz zur Geolokalisierung. Anwendungsbereiche der LoRa-Ortung sind beispielsweise Smart Cities, Verkehrsüberwachung, Messtechnik und Logistik sowie die Positionsbestimmung und Überwachung in der Landwirtschaft.

3. Nahfeldkommunikation

(1)RFID

RFID ist die Abkürzung für Radiofrequenzidentifikation. Das Prinzip beruht auf der kontaktlosen Datenkommunikation zwischen Lesegerät und Transponder zur Identifizierung des Zielobjekts. RFID findet breite Anwendung. Typische Einsatzgebiete sind Tierchips, Fahrzeugalarmanlagen, Zutrittskontrolle, Parkplatzüberwachung, Produktionslinienautomatisierung und Materialmanagement. Ein vollständiges RFID-System besteht aus drei Komponenten: Lesegerät, Transponder und Datenmanagementsystem.

(2)NFC

NFC steht in China für Near Field Communication Technology. Es basiert auf der kontaktlosen RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) und kombiniert diese mit drahtloser Verbindungstechnologie. NFC bietet eine sichere und schnelle Kommunikationsmethode für diverse elektronische Produkte, die in unserem Alltag immer beliebter werden. Der Begriff „Near Field“ im chinesischen Namen NFC bezieht sich auf Radiowellen im Bereich des elektromagnetischen Feldes.

Anwendungsszenarien: Einsatz in der Zutrittskontrolle, Anwesenheitskontrolle, Besucherverwaltung, Meeting-Check-in, Überwachung und anderen Bereichen. NFC ermöglicht Funktionen wie die Mensch-Computer-Interaktion und die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation.

(3) Bluetooth

Die Bluetooth-Technologie ist eine offene, globale Spezifikation für drahtlose Daten- und Sprachkommunikation. Es handelt sich um eine spezielle drahtlose Nahbereichsverbindungstechnologie, die eine Kommunikationsumgebung für stationäre und mobile Geräte auf Basis kostengünstiger drahtloser Kurzstreckenverbindungen schafft.

Bluetooth ermöglicht den drahtlosen Informationsaustausch zwischen einer Vielzahl von Geräten, darunter Mobiltelefone, PDAs, drahtlose Headsets, Laptops, zugehörige Peripheriegeräte usw. Der Einsatz der Bluetooth-Technologie vereinfacht die Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten erheblich und optimiert auch die Kommunikation zwischen dem Gerät und dem Internet, wodurch die Datenübertragung schneller und effizienter wird und die Möglichkeiten der drahtlosen Kommunikation erweitert werden.


4. Kabelgebundene Kommunikation

(1)USB

USB, die englische Abkürzung für Universal Serial Bus, ist ein externer Busstandard zur Standardisierung der Verbindung und Kommunikation zwischen Computern und externen Geräten. Es handelt sich um eine Schnittstellentechnologie, die im PC-Bereich Anwendung findet.

(2) Serielles Kommunikationsprotokoll

Das serielle Kommunikationsprotokoll beschreibt die Spezifikationen, die den Inhalt des Datenpakets festlegen. Dieses umfasst Startbit, Hauptdaten, Prüfbit und Stoppbit. Beide Kommunikationspartner müssen sich auf ein einheitliches Datenpaketformat einigen, um Daten problemlos senden und empfangen zu können. Gängige Protokolle für die serielle Kommunikation sind RS-232, RS-422 und RS-485.

Serielle Kommunikation bezeichnet ein Kommunikationsverfahren, bei dem Daten bitweise über Datenleitungen zwischen Peripheriegeräten und Computern übertragen werden. Dieses Verfahren benötigt weniger Datenleitungen und kann bei längeren Verbindungen die Kommunikationskosten senken, ist aber langsamer als die parallele Übertragung. Die meisten Computer (außer Laptops) verfügen über zwei RS-232-Schnittstellen. Serielle Kommunikation ist zudem ein gängiges Kommunikationsprotokoll für Messgeräte und andere technische Geräte.

(3) Ethernet

Ethernet ist eine Technologie für lokale Computernetzwerke. Der IEEE-802.3-Standard der IEEE-Organisation definiert den technischen Standard für Ethernet und spezifiziert Inhalte wie die Verkabelung der physikalischen Schicht, elektronische Signale und Protokolle der Medienzugriffsschicht.

(4)MBus

Das MBus-Fernablesesystem (Symphonic MBus) ist ein europäischer Standard-2-Draht-Bus, der hauptsächlich für Verbrauchsmessgeräte wie Wärme- und Wasserzähler verwendet wird.

2. Netzwerkschicht und Übertragungsprotokoll

1、IPv4

Das Internet-Kommunikationsprotokoll Version 4 (IPv4) ist die vierte Revision im Entwicklungsprozess des Internetprotokolls und die erste weit verbreitete Version dieses Protokolls. IPv4 bildet den Kern des Internets und ist die am häufigsten verwendete Version des Internetprotokolls.

2、IPv6

Internetprotokoll Version 6 (IPv6) ist notwendig, da das größte Problem von IPv4 die begrenzten Netzwerkadressressourcen sind, was die Anwendung und Entwicklung des Internets stark einschränkt. Die Verwendung von IPv6 löst nicht nur das Problem der begrenzten Netzwerkadressressourcen, sondern beseitigt auch die Hindernisse für den gleichzeitigen Internetzugang mehrerer Geräte.

3、TCP

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist ein verbindungsorientiertes, zuverlässiges, bytebasiertes Transportprotokoll. TCP ist für eine hierarchisch geschichtete Protokollarchitektur ausgelegt, die verschiedene Netzwerkanwendungen unterstützt. Es dient der zuverlässigen Kommunikation zwischen Prozessen auf einem Host-Rechner, die mit unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Rechnernetzen verbunden sind. TCP setzt voraus, dass es einfache, möglicherweise unzuverlässige Datagrammdienste von Protokollen niedrigerer Ebenen beziehen kann.

4、6LoWPAN

6LoWPAN ist ein drahtloser Personal Area Network-Standard mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit, der auf IPv6 basiert, genauer gesagt IPv6 über IEEE 802.15.4.

3. Anwendungsschichtprotokoll

1. MQTT-Anwendung

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) ist ein Telemetrie-Übertragungsprotokoll. Es bietet zwei Hauptnachrichtenmodi: Abonnieren und Veröffentlichen. Es ist einfach, ressourcenschonend und benutzerfreundlich. Besonders geeignet ist es für die Nachrichtenverteilung in Umgebungen mit eingeschränkter Bandbreite, hoher Netzwerklatenz und instabiler Netzwerkkommunikation. Es ist ein Standardübertragungsprotokoll für das Internet der Dinge (IoT).

In vielen Fällen, auch in eingeschränkten Umgebungen wie der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und dem Internet der Dinge (IoT), findet es breite Anwendung. Es wird in Kommunikationssensoren über Satellitenverbindungen, in medizinischen Geräten für gelegentliche Anrufe, in Smart Homes und in einigen miniaturisierten Geräten eingesetzt.

2. CoAP-Verwaltung

CoAP (Constrained Application Protocol) ist ein webähnliches Protokoll im Bereich des Internets der Dinge (IoT). Es eignet sich für kleine, energieeffiziente Sensoren, Schalter, Ventile und ähnliche Komponenten, die über ein Standard-Internetnetzwerk ferngesteuert oder überwacht werden müssen. Der Server muss nicht auf nicht unterstützte Datentypen reagieren.

3. REST/HTTP-Konfiguration

RESTful is a resource-based software architecture style. The so-called resource is an entity on the network, or a specific information on the network. A picture or a song is a resource. RESTful API is an implementation based on HTTP protocol. (HTTP is an application layer protocol, which is simple and fast).

Anwendungen oder Designs, die den Rest-Spezifikationen entsprechen, sind RESTful, und APIs, die gemäß den Rest-Spezifikationen entworfen wurden, werden als RESTful APIs bezeichnet.

4. DDS-Protokoll

DDS (Data Distribution Service) ist ein Middleware-Protokoll für verteilte Echtzeit-Datenverteilung. Es ist das „TCP/IP“ in verteilten Echtzeitnetzwerken und dient der Lösung von Netzwerkprotokollproblemen in Echtzeitnetzwerken. Seine Funktion entspricht einem „Bus-on-Bus“.

5. AMQP-Verknüpfung

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) ist ein Standard für die Anwendungsschicht und ein fortschrittliches Message-Queuing-Protokoll, das einheitliche Messaging-Dienste bereitstellt. Es handelt sich um einen offenen Standard für Anwendungsschichtprotokolle, der für Message-Oriented Middleware (MOM) konzipiert ist. Clients und Message-Middleware, die auf diesem Protokoll basieren, können Nachrichten übertragen und sind dabei nicht durch unterschiedliche Client-/Middleware-Produkte, Programmiersprachen usw. eingeschränkt. Implementierungen in Erlang umfassen beispielsweise RabbitMQ.

6. XMPP-Konfiguration

XMPP ist ein auf XML basierendes Protokoll, einer Teilmenge der Standard Universal Markup Language (SUM), das die Flexibilität der Entwicklung in einer XML-Umgebung bietet. Daher sind XMPP-basierte Anwendungen hochgradig skalierbar. Durch Erweiterungen kann XMPP auf Benutzeranforderungen eingehen, indem zusätzliche Informationen übermittelt werden. Anwendungen wie Content-Publishing-Systeme und adressbasierte Dienste lassen sich auf XMPP aufbauen.

4. Vergleich einiger Kommunikationsprotokolle

1. Vergleich zwischen dem NB-IoT-Protokoll und dem LoRa-Protokoll

Zunächst zum Frequenzband. LoRa arbeitet in lizenzfreien Frequenzbändern unter 1 GHz und erfordert keine zusätzlichen Anwendungsgebühren. NB-IoT und Mobilfunk nutzen Frequenzbänder unter 1 GHz, die gemäß ISO 2113 autorisiert sind und Gebühren verursachen.

Zweitens die Akkulaufzeit. LoRa-Module weisen zwar einzigartige Eigenschaften hinsichtlich Interferenz, Netzwerküberlappung, Skalierbarkeit usw. auf, können aber nicht dieselbe Dienstqualität wie Mobilfunkprotokolle bieten. Aus diesem Grund kann NB-IoT nicht dieselbe Akkulaufzeit wie LoRa erreichen.

Drittens die Gerätekosten. Für Endgeräte ist das LoRa-Protokoll einfacher als NB-IoT, leichter zu entwickeln und besser mit Mikroprozessoren kompatibel. Gleichzeitig sind kostengünstige LoRa-Module mit ausgereifter Technologie bereits auf dem Markt erhältlich, und verbesserte Versionen werden fortlaufend veröffentlicht.

Viertens: Netzabdeckung und Ausbauplan. Der NB-IoT-Standard wurde 2016 angekündigt. Neben dem Netzausbau erfordern die damit verbundene Kommerzialisierung und der Aufbau der Wertschöpfungskette mehr Zeit und Aufwand. Die gesamte Wertschöpfungskette von LoRa ist hingegen relativ ausgereift, und die Produkte sind marktreif. Gleichzeitig befinden sich viele Länder weltweit im Aufbau landesweiter Netze oder haben diesen bereits abgeschlossen.

2. Vergleich der Bluetooth-, WLAN- und ZigBee-Protokolle

Aktuell liegt der Vorteil von WLAN in seiner weiten Verbreitung und der Nutzung in Tausenden von Haushalten; der Vorteil von ZigBee im geringen Stromverbrauch und der selbstorganisierenden Netzwerkarchitektur; der Vorteil der trägerlosen UWB-Funktechnologie in der hohen Übertragungsrate; und der Vorteil von Bluetooth in der einfachen Vernetzung. Allerdings weisen alle drei Technologien auch Schwächen auf, und keine von ihnen erfüllt alle Anforderungen von Smart Homes vollständig.

Die Bluetooth-Technologie ermöglicht zwar drahtlose Kurzstreckenkommunikation, doch ihre komplexen Protokolle, der hohe Stromverbrauch und die hohen Kosten eignen sich nicht für industrielle Steuerungssysteme und Heimnetzwerke, die geringe Kosten und niedrigen Stromverbrauch erfordern. Das größte Hindernis von Bluetooth ist die begrenzte Reichweite. Im Allgemeinen beträgt diese etwa 10 Meter. Probleme wie die geringe Störfestigkeit und die Informationssicherheit sind ebenfalls wesentliche Faktoren, die die Weiterentwicklung und den großflächigen Einsatz einschränken.

WLAN ist eine drahtlose Nahfeldübertragungstechnologie, die jederzeit Zugriff auf Funksignale ermöglicht. Sie ist sehr mobil und eignet sich besonders für den Einsatz im Büro und zu Hause. Allerdings hat WLAN auch einen entscheidenden Nachteil: Da WLAN Funkfrequenztechnologie nutzt, um Daten drahtlos zu senden und zu empfangen und dabei Funkwellen zur Übertragung von Datensignalen verwendet, ist es anfälliger für externe Störungen.

ZigBee ist eine international anerkannte drahtlose Kommunikationstechnologie. Jeder seiner Netzwerkanschlüsse kann auf über 65,000 Ports zugreifen und eignet sich daher für den Einsatz in Haushalten, Industrie, Landwirtschaft und anderen Bereichen. Bluetooth- und WLAN-Geräte hingegen können nur auf 10 Ports zugreifen, was den Bedarf von Familien in der Regel nicht deckt. ZigBee zeichnet sich zudem durch geringen Stromverbrauch und niedrige Kosten aus.

3. Vergleich zwischen dem MQTT-Protokoll und dem CoAP-Protokoll

MQTT ist ein Many-to-Many-Kommunikationsprotokoll, das zur Übertragung von Nachrichten zwischen verschiedenen Clients über einen zwischengeschalteten Proxy dient. Dadurch werden Produzenten und Konsumenten entkoppelt, und der Client kann Nachrichten veröffentlichen, während der Proxy die Weiterleitung und das Kopieren der Nachrichten übernimmt. Obwohl MQTT eine gewisse Datenpersistenz unterstützt, eignet es sich am besten als Echtzeit-Datenbus.

CoAP ist primär ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll zur Übertragung zustandsbehafteter Informationen zwischen Clients und Servern. Obwohl die Beobachtung von Ressourcen unterstützt wird, eignet sich CoAP am besten für ein zustandsbehaftetes Übertragungsmodell und ist nicht vollständig ereignisbasiert.

Der MQTT-Client baut eine dauerhafte TCP-Verbindung auf. Dies bedeutet in der Regel, dass kein Problem vorliegt. Sowohl der CoAP-Client als auch der Server senden und empfangen UDP-Pakete. In einer NAT-Umgebung kann CoAP durch Tunneling oder Portweiterleitung ermöglicht werden. Alternativ kann das Gerät, ähnlich wie bei LWM2M, die Frontend-Verbindung initialisieren.

MQTT bietet keine Unterstützung für Nachrichtentyp-Tags oder andere Metadaten, die Clients das Verständnis erleichtern würden. MQTT-Nachrichten können zwar für beliebige Zwecke verwendet werden, jedoch müssen alle Clients das übergeordnete Datenformat kennen, um die Kommunikation zu ermöglichen. CoAP hingegen bietet integrierte Unterstützung für Inhaltsverhandlung und -erkennung, sodass Geräte sich gegenseitig erkennen und Daten austauschen können.

Beide Protokolle haben Vor- und Nachteile, und die Wahl des richtigen hängt von Ihrer Anwendung ab.

Dieser Artikel ist ein Nachdruck aus „Pekinger Verband für intelligente Technologieanwendungen im Bereich Internet der Dinge„Um den Schutz geistigen Eigentums zu gewährleisten, geben Sie bitte bei Nachdruck die Originalquelle und den Autor an. Sollten Urheberrechte verletzt werden, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir das entsprechende Material entfernen können.“