Análisis completo de los protocolos de comunicación del Internet de las Cosas.

A medida que aumenta el número de dispositivos IoT, la comunicación o conexión entre ellos se ha convertido en un tema crucial. La comunicación es fundamental para el Internet de las Cosas. Tanto la tecnología de transmisión inalámbrica de corto alcance como la tecnología de comunicación móvil influyen en el desarrollo del Internet de las Cosas. En este ámbito, los protocolos de comunicación son especialmente importantes, ya que establecen las reglas y acuerdos que las entidades de ambos lados deben seguir para completar las comunicaciones o los servicios. Este artículo presenta varios protocolos de comunicación IoT disponibles, con diferentes niveles de rendimiento, velocidades de datos, cobertura, consumo de energía y memoria. Cada protocolo tiene sus propias ventajas y desventajas. Algunos solo son adecuados para pequeños electrodomésticos, mientras que otros pueden utilizarse en proyectos de ciudades inteligentes a gran escala. Los protocolos de comunicación del Internet de las Cosas se dividen en dos categorías: protocolos de acceso y protocolos de comunicación. El protocolo de acceso se encarga generalmente de la creación de redes y la comunicación entre dispositivos dentro de una subred; el protocolo de comunicación es principalmente un protocolo de comunicación entre dispositivos que se ejecuta sobre el protocolo TCP/IP tradicional de Internet y se encarga del intercambio de datos y la comunicación entre dispositivos a través de Internet.

1. Protocolos de la capa física y de la capa de enlace de datos

1. Comunicación celular de larga distancia

(1) Los protocolos de comunicación 2G/3G/4G se refieren a los protocolos del sistema de comunicación móvil de segunda, tercera y cuarta generación, respectivamente.

(2) NB-IoT

La tecnología NB-IoT (Internet de las Cosas de Banda Estrecha) se ha convertido en una rama importante del Internet de las Cosas. NB-IoT se basa en una red celular y consume aproximadamente 180 kHz de ancho de banda. Puede implementarse directamente en redes GSM, UMTS o LTE para reducir los costos de implementación y facilitar las actualizaciones. NB-IoT se centra en el mercado de Internet de las Cosas (IoT) de baja potencia y amplia cobertura (LPWA) y es una tecnología emergente con gran potencial de uso a nivel mundial. Se caracteriza por su amplia cobertura, múltiples conexiones, alta velocidad, bajo costo, bajo consumo de energía y una excelente arquitectura.

Escenarios de aplicación: Entre las aplicaciones que ofrece la red NB-IoT se incluyen el estacionamiento inteligente, la protección inteligente contra incendios, los servicios de agua inteligentes, el alumbrado público inteligente, las bicicletas compartidas y los electrodomésticos inteligentes.

(3)5G

La quinta generación de tecnología de comunicación móvil (5G) representa la última generación de tecnología de comunicación celular móvil. Los objetivos de rendimiento de la 5G son altas velocidades de datos, menor latencia, ahorro de energía, reducción de costos, mayor capacidad del sistema y conectividad de dispositivos a gran escala.

Escenarios de aplicación: realidad aumentada/realidad virtual, Internet de los vehículos, fabricación inteligente, energía inteligente, atención médica inalámbrica, entretenimiento doméstico inalámbrico, drones conectados, retransmisiones en directo panorámicas/de ultra alta definición, asistencia personal con IA y ciudades inteligentes.

2. Comunicación no celular de larga distancia

(1) WiFi

Debido a la rápida popularidad de los routers WiFi domésticos y los teléfonos inteligentes en los últimos años, los protocolos WiFi también se han extendido al ámbito del hogar inteligente. La principal ventaja del protocolo WiFi es su acceso directo a Internet. En comparación con ZigBee, la solución para el hogar inteligente que utiliza el protocolo WiFi elimina la necesidad de pasarelas adicionales. En comparación con el protocolo Bluetooth, elimina la dependencia de terminales móviles como los teléfonos móviles.

La cobertura de WiFi comercial en lugares públicos como el transporte público urbano y los centros comerciales ha revelado sin duda el potencial del WiFi comercial en aplicaciones de escenario.

(2)ZigBee

ZigBee es un protocolo de comunicación inalámbrica para transmisiones de baja velocidad y corto alcance. Es una red de transmisión de datos inalámbrica altamente confiable. Sus principales características son baja velocidad, bajo consumo de energía, bajo costo, soporte para un gran número de nodos en línea, soporte para múltiples topologías en línea, baja complejidad, rapidez, confiabilidad y seguridad. La tecnología ZigBee es una tecnología nueva que ha surgido recientemente. Se basa principalmente en redes inalámbricas para la transmisión. Permite establecer conexiones inalámbricas a corta distancia y es una tecnología de comunicación de red inalámbrica.

Las ventajas inherentes de la tecnología ZigBee la han convertido gradualmente en una tecnología de uso generalizado en la industria del Internet de las Cosas, y se ha utilizado ampliamente en la industria, la agricultura, los hogares inteligentes y otros campos.

(3)LoRa

LoRa (LongRange, largo alcance) es una tecnología de modulación que proporciona distancias de comunicación mayores que otras tecnologías similares. Se utiliza en pasarelas LoRa, sensores de humo, monitorización de agua, detección infrarroja, posicionamiento, regletas de enchufes y otros productos IoT de uso generalizado. Como tecnología inalámbrica de banda estrecha, LoRa utiliza la diferencia de tiempo de llegada para lograr la geolocalización. Algunos escenarios de aplicación del posicionamiento LoRa son: ciudades inteligentes y monitorización del tráfico, medición y logística, y monitorización del posicionamiento agrícola.

3. Comunicación de campo cercano

(1)RFID

RFID son las siglas de Identificación por Radiofrecuencia. Su principio se basa en la comunicación de datos sin contacto entre el lector y la etiqueta para identificar el objetivo. La tecnología RFID es ampliamente utilizada. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen microchips para animales, alarmas para automóviles, control de acceso, control de estacionamientos, automatización de líneas de producción y gestión de materiales. El sistema RFID completo consta de tres partes: lector, etiqueta electrónica y sistema de gestión de datos.

(2) NFC

El nombre completo en chino de NFC es tecnología de comunicación de campo cercano. NFC se basa en la tecnología de identificación por radiofrecuencia (RFID) sin contacto y se combina con la tecnología de interconexión inalámbrica. Proporciona un método de comunicación muy seguro y rápido para diversos productos electrónicos cada vez más populares en nuestra vida diaria. El término "campo cercano" en el nombre chino de NFC se refiere a las ondas de radio cercanas al campo electromagnético.

Escenarios de aplicación: se utiliza en control de acceso, asistencia, visitantes, registro de asistencia a reuniones, patrullaje y otros ámbitos. La tecnología NFC ofrece funciones como la interacción persona-ordenador y la comunicación máquina a máquina.

(3)Bluetooth

La tecnología Bluetooth es una especificación global abierta para comunicaciones inalámbricas de datos y voz. Se trata de una tecnología de conexión inalámbrica de corto alcance que establece un entorno de comunicación para dispositivos fijos y móviles mediante conexiones inalámbricas de corto alcance y bajo coste.

Bluetooth permite el intercambio inalámbrico de información entre numerosos dispositivos, como teléfonos móviles, PDA, auriculares inalámbricos, ordenadores portátiles y periféricos relacionados. El uso de la tecnología Bluetooth simplifica la comunicación entre dispositivos móviles y también facilita la comunicación entre el dispositivo e Internet, lo que permite una transmisión de datos más rápida y eficiente, ampliando así las posibilidades de la comunicación inalámbrica.


4. Comunicación por cable

(1)USB

USB, acrónimo de Universal Serial Bus (Bus Serie Universal), es un estándar de bus externo que se utiliza para estandarizar la conexión y la comunicación entre ordenadores y dispositivos externos. Se trata de una tecnología de interfaz aplicada en el ámbito de los ordenadores personales.

(2) Protocolo de comunicación en serie

El protocolo de comunicación serie se refiere a las especificaciones pertinentes que estipulan el contenido del paquete de datos, el cual incluye el bit de inicio, los datos principales, el bit de verificación y el bit de parada. Ambas partes deben acordar un formato de paquete de datos consistente para enviar y recibir datos correctamente. En la comunicación serie, los protocolos más utilizados son RS-232, RS-422 y RS-485.

La comunicación en serie se refiere a un método de comunicación que transmite datos bit a bit a través de líneas de datos entre periféricos y ordenadores. Este método utiliza menos líneas de datos y permite ahorrar costes en comunicaciones de larga distancia, aunque su velocidad de transmisión es inferior a la de la transmisión en paralelo. La mayoría de los ordenadores (excepto los portátiles) disponen de dos puertos serie RS-232. La comunicación en serie también es un protocolo de comunicación de uso común en instrumentación y equipos.

(3) Ethernet

Ethernet es una tecnología de red de área local para computadoras. El estándar IEEE 802.3 de la organización IEEE establece el estándar técnico de Ethernet, que especifica el contenido, incluyendo el cableado de la capa física, las señales electrónicas y los protocolos de la capa de acceso al medio.

(4) MBus

El sistema de lectura remota de contadores MBus (Symphonic MBUS) es un bus de 2 hilos estándar europeo, utilizado principalmente para instrumentos de medición de consumo como contadores de calor y contadores de agua.

2. Capa de red y protocolo de transmisión

1、IPv4

El Protocolo de Comunicaciones por Internet versión 4 (IPv4) es la cuarta revisión del protocolo y la primera versión ampliamente implementada. IPv4 es la base de Internet y la versión más utilizada del protocolo.

2、IPv6

El protocolo de Internet versión 6 (IPv4) presenta el principal problema de la limitación de recursos de direcciones de red, lo que restringe seriamente la aplicación y el desarrollo de Internet. El uso de IPv6 no solo resuelve el problema de la escasez de direcciones de red, sino que también elimina los obstáculos para la conexión a Internet de múltiples dispositivos.

3、TCP

El Protocolo de Control de Transmisión (TCP) es un protocolo de comunicación de capa de transporte, orientado a la conexión, confiable y basado en flujo de bytes. TCP está diseñado para admitir una jerarquía de protocolos en capas que soporta múltiples aplicaciones de red. TCP se utiliza para proporcionar servicios de comunicación confiables entre pares de procesos en una computadora host conectada a diferentes redes de comunicación interconectadas. TCP asume que puede obtener servicios de datagramas simples, aunque posiblemente no confiables, de protocolos de nivel inferior.

4、6LoWPAN

6LoWPAN es un estándar de red inalámbrica personal de baja velocidad basado en IPv6, concretamente IPv6 sobre IEEE 802.15.4.

3. Protocolo de capa de aplicación

1. Explicación de MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), traducido al chino, es un protocolo de transmisión de telemetría. Ofrece principalmente dos modos de mensajería: suscripción y publicación. Es sencillo, ligero y fácil de usar. Resulta especialmente adecuado para la distribución de mensajes en entornos con restricciones (bajo ancho de banda, alta latencia de red y comunicación inestable). Es un protocolo de transmisión estándar para el Internet de las Cosas (IoT).

En muchos casos, incluso en entornos con recursos limitados como las comunicaciones máquina a máquina (M2M) y el Internet de las Cosas (IoT), se ha utilizado ampliamente en sensores de comunicación mediante enlaces satelitales, equipos médicos para marcación ocasional, hogares inteligentes y algunos dispositivos miniaturizados.

2. Declaración de CoAP

CoAP (Protocolo de Aplicación Restringida) es un protocolo similar a la web en el mundo del Internet de las Cosas. Es adecuado para sensores pequeños de bajo consumo, interruptores, válvulas y componentes similares que necesitan ser controlados o monitorizados remotamente a través de una red de Internet estándar. El servidor no necesita responder a tipos no compatibles.

3. Explicación del uso de REST/HTTP

RESTful es una arquitectura de software basada en recursos. Un recurso es una entidad en la red o información específica en ella. Una imagen o una canción son ejemplos de recursos. La API RESTful se implementa mediante el protocolo HTTP (HTTP es un protocolo de capa de aplicación, sencillo y rápido).

Las aplicaciones o diseños que cumplen con las especificaciones Rest son RESTful, y las API diseñadas de acuerdo con las especificaciones Rest se denominan API RESTful.

4. Protocolo DDS

DDS (Servicio de Distribución de Datos) es un protocolo de middleware para la distribución de datos en tiempo real. Es el equivalente a TCP/IP en redes distribuidas en tiempo real. Se utiliza para resolver la interconexión de protocolos de red en dichas redes. Su función es similar a la de un bus dentro de otro bus.

5. Guía de AMQP

AMQP, o Protocolo Avanzado de Cola de Mensajes, es un protocolo avanzado de cola de mensajes estándar de la capa de aplicación que proporciona servicios de mensajería unificados. Es un estándar abierto para protocolos de capa de aplicación y está diseñado para middleware orientado a mensajes. Los clientes y el middleware de mensajería basados ​​en este protocolo pueden transmitir mensajes sin restricciones de productos cliente/middleware, lenguajes de programación, etc. Entre las implementaciones en Erlang se incluye RabbitMQ.

6. Explicación del uso de XMPP

XMPP es un protocolo basado en XML, un subconjunto del Lenguaje de Marcado Universal Estándar (UUML), que hereda la flexibilidad para desarrollarse en un entorno XML. Por lo tanto, las aplicaciones basadas en XMPP son altamente escalables. Tras su extensión, XMPP puede gestionar las necesidades del usuario mediante el envío de información ampliada, y sobre XMPP se pueden desarrollar aplicaciones como sistemas de publicación de contenido y servicios basados ​​en direcciones.

4. Comparación de algunos protocolos de comunicación

1. Comparación entre el protocolo NB-IoT y el protocolo LoRa.

En primer lugar, la banda de frecuencia. LoRa funciona en bandas de frecuencia no licenciadas por debajo de 1 GHz y no requiere tarifas adicionales para su aplicación. NB-IoT y las comunicaciones celulares utilizan bandas de frecuencia por debajo de 1 GHz, que están autorizadas por la norma 2113 y sí requieren el pago de tarifas.

En segundo lugar, la duración de la batería. Los módulos LoRa poseen características únicas para gestionar interferencias, superposición de redes, escalabilidad, etc., pero no pueden ofrecer la misma calidad de servicio que los protocolos celulares. Debido a consideraciones de calidad de servicio, NB-IoT no puede ofrecer la misma duración de batería que LoRa.

En tercer lugar, los costos de los equipos. Para los nodos finales, el protocolo LoRa es más sencillo que NB-IoT, más fácil de desarrollar y más compatible con microprocesadores. Además, ya se encuentran en el mercado módulos LoRa de tecnología relativamente madura y de bajo costo, y se lanzarán versiones mejoradas progresivamente.

En cuarto lugar, la cobertura de red y el cronograma de despliegue. El estándar NB-IoT se anunció en 2016. Además del despliegue de la red, la comercialización y el establecimiento de la cadena de valor correspondiente requerirán más tiempo y esfuerzo. La cadena de valor de LoRa es relativamente madura y sus productos están listos para su lanzamiento. Al mismo tiempo, muchos países del mundo están llevando a cabo o ya han completado el despliegue de sus redes a nivel nacional.

2. Comparación de los protocolos Bluetooth, WiFi y ZigBee

Actualmente, la ventaja del WiFi radica en su amplio uso y popularización en miles de hogares; la de ZigBee en su bajo consumo energético y su red autoorganizada; la de la tecnología de comunicación inalámbrica sin portadora UWB en su velocidad de transmisión; y la de Bluetooth en su sencilla configuración de red. Sin embargo, estas tres tecnologías también presentan limitaciones, y ninguna puede satisfacer plenamente todas las necesidades de los hogares inteligentes.

La aparición de la tecnología Bluetooth posibilita la comunicación inalámbrica de corto alcance, pero sus protocolos complejos, su alto consumo de energía y su elevado coste la hacen inadecuada para el control industrial y las redes domésticas, que requieren bajo coste y bajo consumo energético. En particular, el mayor obstáculo de Bluetooth es su limitado alcance de transmisión. Generalmente, el alcance efectivo es de unos 10 metros. Problemas como su escasa resistencia a las interferencias y las cuestiones de seguridad de la información también son factores clave que restringen su desarrollo y su aplicación a gran escala.

El Wi-Fi es una tecnología de transmisión inalámbrica de corto alcance que permite acceder a señales inalámbricas en cualquier momento. Es altamente portátil y resulta más adecuada para su uso en oficinas y hogares. Sin embargo, el Wi-Fi también tiene una desventaja importante. Dado que utiliza tecnología de radiofrecuencia, que envía y recibe datos por el aire mediante ondas de radio para transmitir señales, es más susceptible a las interferencias externas.

ZigBee es una tecnología de comunicación inalámbrica de aceptación internacional. Cada uno de sus puertos de red puede acceder a más de 65 000 conexiones, lo que la hace ideal para su uso en el hogar, la industria, la agricultura y otros sectores. En cambio, los terminales de red Bluetooth y Wi-Fi solo pueden acceder a 10 conexiones, lo que obviamente no satisface las necesidades de los hogares. ZigBee también ofrece las ventajas de un bajo consumo de energía y un bajo costo.

3. Comparación entre el protocolo MQTT y el protocolo CoAP

MQTT es un protocolo de comunicación de muchos a muchos que se utiliza para transmitir mensajes entre diferentes clientes a través de un proxy intermedio, desacoplando así a productores y consumidores. Esto permite que el cliente publique los mensajes y que el proxy decida el enrutamiento y la copia. Si bien MQTT admite cierta persistencia, su uso óptimo es como bus de comunicación de datos en tiempo real.

CoAP es principalmente un protocolo punto a punto que se utiliza para transmitir información con estado entre clientes y servidores. Si bien admite la observación de recursos, CoAP se adapta mejor a un modelo de transferencia con estado y no se basa completamente en eventos.

El cliente MQTT establece una conexión TCP de larga duración. Esto generalmente significa que no hay ningún problema. Tanto el cliente CoAP como el servidor envían y reciben paquetes UDP. En un entorno NAT, se puede usar la tunelización o el reenvío de puertos para permitir CoAP, o, como en el caso de LWM2M, el dispositivo puede inicializar primero la conexión de la interfaz.

MQTT no admite etiquetas de tipo de mensaje ni otros metadatos que faciliten la comprensión por parte de los clientes. Los mensajes MQTT pueden utilizarse para cualquier propósito, pero todos los clientes deben conocer el formato de datos ascendente para permitir la comunicación. CoAP, en cambio, ofrece soporte integrado para la negociación y el descubrimiento de contenido, lo que permite que los dispositivos se detecten entre sí para intercambiar datos.

Ambos protocolos tienen ventajas y desventajas, y la elección del adecuado depende de la aplicación.

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