تحلیل کامل پروتکل‌های ارتباطی اینترنت اشیا

با افزایش تعداد دستگاه‌های اینترنت اشیا، ارتباط یا اتصال بین این دستگاه‌ها به یک موضوع مهم فکری تبدیل شده است. ارتباط برای اینترنت اشیا بسیار رایج و حیاتی است. چه فناوری انتقال بی‌سیم با برد کوتاه باشد و چه فناوری ارتباطات سیار، بر توسعه اینترنت اشیا تأثیر می‌گذارد. در ارتباطات، پروتکل‌های ارتباطی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. آن‌ها قوانین و توافق‌نامه‌هایی هستند که نهادهای دو طرف باید برای تکمیل ارتباطات یا خدمات از آن‌ها پیروی کنند. این مقاله چندین پروتکل ارتباطی اینترنت اشیا موجود با عملکرد، نرخ داده، پوشش، قدرت و حافظه متفاوت را معرفی می‌کند و هر کدام مزایا و کم و بیش معایب خاص خود را دارند. برخی از این پروتکل‌های ارتباطی فقط برای لوازم خانگی کوچک مناسب هستند، در حالی که برخی دیگر می‌توانند در پروژه‌های بزرگ شهر هوشمند مورد استفاده قرار گیرند. پروتکل‌های ارتباطی اینترنت اشیا به دو دسته تقسیم می‌شوند، یکی پروتکل دسترسی و دیگری پروتکل ارتباط. پروتکل دسترسی عموماً مسئول شبکه‌سازی و ارتباط بین دستگاه‌ها در یک زیرشبکه است. پروتکل ارتباط عمدتاً یک پروتکل ارتباط دستگاه است که بر روی پروتکل سنتی TCP/IP اینترنت اجرا می‌شود و مسئول تبادل داده و ارتباط بین دستگاه‌ها از طریق اینترنت است.

۱. پروتکل‌های لایه فیزیکی و لایه پیوند داده

۱. ارتباطات سلولی از راه دور

(1) پروتکل‌های ارتباطی 2G/3G/4G به ترتیب به پروتکل‌های سیستم ارتباطی سیار نسل دوم، سوم و چهارم اشاره دارند.

(2) NB-IoT

اینترنت اشیا با پهنای باند باریک (NB-IoT) به شاخه‌ای مهم از اینترنت همه چیز تبدیل شده است. NB-IoT بر روی یک شبکه سلولی ساخته شده است و فقط تقریباً 180 کیلوهرتز پهنای باند مصرف می‌کند. می‌توان آن را مستقیماً در شبکه‌های GSM، شبکه‌های UMTS یا شبکه‌های LTE مستقر کرد تا هزینه‌های استقرار را کاهش داده و به ارتقاءهای روان دست یافت. NB-IoT بر بازار اینترنت اشیا با پوشش گسترده کم مصرف (LPWA) تمرکز دارد و یک فناوری نوظهور است که می‌تواند به طور گسترده در سراسر جهان مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری دارای ویژگی‌های پوشش گسترده، اتصالات متعدد، سرعت بالا، هزینه کم، مصرف کم برق و معماری عالی است.

سناریوهای کاربردی: کاربردهای سناریویی که توسط شبکه NB-IoT ارائه می‌شوند شامل پارکینگ هوشمند، آتش‌نشانی هوشمند، خدمات آب هوشمند، چراغ‌های خیابانی هوشمند، دوچرخه‌های اشتراکی و لوازم خانگی هوشمند است.

(3) 5G

فناوری ارتباطات سیار نسل پنجم، جدیدترین نسل از فناوری ارتباطات سیار سلولی است. اهداف عملکردی 5G عبارتند از نرخ داده بالا، کاهش تأخیر، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش هزینه، افزایش ظرفیت سیستم و اتصال دستگاه‌های در مقیاس بزرگ.

سناریوهای کاربردی: واقعیت افزوده/واقعیت مجازی، اینترنت وسایل نقلیه، تولید هوشمند، انرژی هوشمند، مراقبت‌های پزشکی بی‌سیم، سرگرمی خانگی بی‌سیم، پهپادهای متصل، پخش زنده با کیفیت فوق‌العاده بالا/پانوراما، دستیار شخصی هوش مصنوعی و شهرهای هوشمند.

۲. ارتباطات غیر سلولی از راه دور

(1) وای فای

Due to the rapid popularity of home WiFi routers and smartphones in the past few years, WiFi protocols have also been widely used in the smart home field. The biggest advantage of the WiFi protocol is that it can directly access the Internet. Compared with ZigBee, the smart home solution using Wifi protocol eliminates the need for additional gateways. Compared with Bluetooth protocol, it eliminates dependence on mobile terminals such as mobile phones.

پوشش وای‌فای تجاری در مکان‌های عمومی مانند حمل و نقل عمومی شهری و مراکز خرید، بدون شک پتانسیل وای‌فای تجاری را در کاربردهای میدانی آشکار کرده است.

(2) ZigBee

زیگبی (ZigBee) یک پروتکل ارتباط بی‌سیم برای انتقال با سرعت پایین و مسافت کوتاه است. این یک شبکه انتقال داده بی‌سیم بسیار قابل اعتماد است. ویژگی‌های اصلی آن عبارتند از سرعت پایین، مصرف برق پایین، هزینه کم، پشتیبانی از تعداد زیادی گره آنلاین، پشتیبانی از توپولوژی‌های آنلاین متعدد، پیچیدگی کم، سریع، قابل اعتماد و ایمن. فناوری زیگبی یک فناوری جدید است که اخیراً ظهور کرده است. این فناوری عمدتاً برای انتقال به شبکه‌های بی‌سیم متکی است. می‌تواند اتصالات بی‌سیم را در فواصل کوتاه انجام دهد و یک فناوری ارتباط شبکه بی‌سیم است.

مزایای ذاتی فناوری ZigBee به تدریج آن را به یک فناوری جریان اصلی در صنعت اینترنت اشیا تبدیل کرده و به طور گسترده در صنعت، کشاورزی، خانه‌های هوشمند و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است.

(3) LoRa

LoRa? (LongRange، برد بلند) یک فناوری مدولاسیون است که مسافت‌های ارتباطی طولانی‌تری نسبت به فناوری‌های مشابه فراهم می‌کند. دروازه‌های LoRa، حسگرهای دود، نظارت بر آب، تشخیص مادون قرمز، موقعیت‌یابی، چندراهی‌های برق و سایر محصولات پرکاربرد اینترنت اشیا. LoRa به عنوان یک فناوری بی‌سیم باند باریک، از اختلاف زمان رسیدن برای دستیابی به موقعیت جغرافیایی استفاده می‌کند. سناریوهای کاربردی موقعیت‌یابی LoRa: نظارت بر شهر هوشمند و ترافیک، اندازه‌گیری و لجستیک، نظارت بر موقعیت‌یابی کشاورزی.

۳. ارتباط میدان نزدیک

(1) RFID

RFID مخفف عبارت Radio Frequency Identification است. اصل، ارتباط داده بدون تماس بین خواننده و برچسب برای دستیابی به هدف شناسایی هدف است. RFID به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای معمول آن شامل تراشه‌های حیوانات، دزدگیرهای تراشه خودرو، کنترل دسترسی، کنترل پارکینگ، اتوماسیون خط تولید و مدیریت مواد است. سیستم کامل RFID از سه بخش تشکیل شده است: خواننده (Reader)، برچسب الکترونیکی (Tag) و سیستم مدیریت داده.

(2) NFC

نام کامل چینی NFC فناوری ارتباط میدان نزدیک است. NFC بر اساس فناوری شناسایی فرکانس رادیویی بدون تماس (RFID) و ترکیب آن با فناوری اتصال بی‌سیم توسعه یافته است. این فناوری یک روش ارتباطی بسیار ایمن و سریع را برای محصولات الکترونیکی مختلف فراهم می‌کند که به طور فزاینده‌ای در زندگی روزمره ما محبوب شده‌اند. عبارت "میدان نزدیک" در نام چینی NFC به امواج رادیویی نزدیک به میدان الکترومغناطیسی اشاره دارد.

سناریوهای کاربردی: در کنترل دسترسی، حضور و غیاب، بازدیدکنندگان، ثبت نام در جلسات، گشت زنی و سایر زمینه ها استفاده می شود. NFC عملکردهایی مانند تعامل انسان و کامپیوتر و تعامل ماشین با ماشین دارد.

(3) بلوتوث

فناوری بلوتوث یک استاندارد جهانی باز برای ارتباطات بی‌سیم داده و صدا است. این یک اتصال بی‌سیم برد کوتاه ویژه است که یک محیط ارتباطی برای دستگاه‌های ثابت و سیار بر اساس اتصالات بی‌سیم برد کوتاه کم‌هزینه ایجاد می‌کند.

بلوتوث می‌تواند تبادل اطلاعات بی‌سیم را بین بسیاری از دستگاه‌ها از جمله تلفن‌های همراه، PDAها، هدست‌های بی‌سیم، لپ‌تاپ‌ها، لوازم جانبی مرتبط و غیره انجام دهد. استفاده از فناوری «بلوتوث» می‌تواند ارتباط بین دستگاه‌های ترمینال ارتباطات سیار را به طور مؤثر ساده کند و همچنین می‌تواند ارتباط بین دستگاه و اینترنت را با موفقیت ساده کند، به طوری که انتقال داده‌ها سریع‌تر و کارآمدتر می‌شود و مسیر ارتباط بی‌سیم را گسترش می‌دهد.


۴. ارتباط سیمی

(1) USB

USB، مخفف Universal Serial Bus در انگلیسی، یک استاندارد گذرگاه خارجی است که برای استانداردسازی اتصال و ارتباط بین کامپیوترها و دستگاه‌های خارجی استفاده می‌شود. این یک فناوری رابط است که در حوزه کامپیوتر شخصی کاربرد دارد.

(2) پروتکل ارتباط سریال

پروتکل ارتباط سریال به مشخصات مربوطه‌ای اشاره دارد که محتوای بسته داده را تعیین می‌کنند، که شامل بیت شروع، داده اصلی، بیت بررسی و بیت پایان است. هر دو طرف برای ارسال و دریافت عادی داده‌ها باید روی یک قالب بسته داده سازگار توافق کنند. در ارتباط سریال، پروتکل‌های رایج شامل RS-232، RS-422 و RS-485 هستند.

Serial communication refers to a communication method that transmits data bit by bit through data lines between peripherals and computers. This communication method uses fewer data lines and can save communication costs in long-distance communication, but its transmission speed is lower than parallel transmission. Most computers (not including laptops) contain two RS-232 serial ports. Serial communication is also a commonly used communication protocol for instrumentation and equipment.

(3) اترنت

Ethernet is a computer local area network technology. The IEEE 802.3 standard of the IEEE organization formulates the technical standard of Ethernet, which specifies the content including physical layer wiring, electronic signals and media access layer protocols.

(4) مگابایت اتوبوس

سیستم قرائت کنتور از راه دور MBus (سیمفونیک mbus) یک باس دو سیمه استاندارد اروپایی است که عمدتاً برای ابزارهای اندازه‌گیری مصرف مانند کنتورهای حرارتی و کنتورهای آب استفاده می‌شود.

۲. لایه شبکه و پروتکل انتقال

1، IPv4

پروتکل ارتباطات اینترنتی نسخه ۴، چهارمین ویرایش در فرآیند توسعه پروتکل اینترنت و اولین نسخه‌ای است که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. IPv4 هسته اینترنت و پرکاربردترین نسخه پروتکل اینترنت است.

2، IPv6

پروتکل اینترنت نسخه ۶، زیرا بزرگترین مشکل IPv4 منابع آدرس شبکه محدود است که کاربرد و توسعه اینترنت را به طور جدی محدود می‌کند. استفاده از IPv6 نه تنها مشکل تعداد منابع آدرس شبکه را حل می‌کند، بلکه موانع اتصال چندین دستگاه به اینترنت را نیز برطرف می‌کند.

3، TCP

پروتکل کنترل انتقال (TCP) یک پروتکل ارتباطی لایه انتقال مبتنی بر جریان بایت، اتصال‌گرا و قابل اعتماد است. TCP به گونه‌ای طراحی شده است که یک سلسله مراتب پروتکل لایه‌ای را در خود جای دهد که از چندین برنامه شبکه پشتیبانی می‌کند. TCP برای ارائه خدمات ارتباطی قابل اعتماد بین جفت فرآیندها در یک کامپیوتر میزبان متصل به شبکه‌های ارتباطی کامپیوتری مختلف اما به هم پیوسته مورد استفاده قرار می‌گیرد. TCP فرض می‌کند که می‌تواند خدمات دیتاگرام ساده و احتمالاً غیرقابل اعتماد را از پروتکل‌های سطح پایین‌تر به دست آورد.

4، 6LoWPAN

6LoWPAN یک استاندارد شبکه شخصی بی‌سیم کم‌سرعت مبتنی بر IPv6 است، یعنی IPv6 روی IEEE 802.15.4.

۳. پروتکل لایه کاربرد

1، MQTT协议

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), translated into Chinese, is a telemetry transmission protocol. It mainly provides two message modes: subscription/publishing. It is more simple, lightweight, and easy to use. It is especially suitable for message distribution in restricted environments (low bandwidth, high network latency, and unstable network communication). It is a standard transmission protocol for the Internet of Things (Internet of Things).

در بسیاری از موارد، از جمله در محیط‌های محدود مانند ارتباطات ماشین به ماشین (M2M) و اینترنت اشیا (IoT). این فناوری به طور گسترده در حسگرهای ارتباطی از طریق لینک‌های ماهواره‌ای، تجهیزات پزشکی برای شماره‌گیری‌های موردی، خانه‌های هوشمند و برخی از دستگاه‌های کوچک استفاده شده است.

2، CoAP协议

CoAP (پروتکل برنامه محدود) یک پروتکل شبیه وب در دنیای اینترنت اشیا است. این پروتکل برای حسگرهای کوچک کم‌مصرف، سوئیچ‌ها، شیرها و اجزای مشابه که نیاز به کنترل یا نظارت از راه دور از طریق یک شبکه اینترنت استاندارد دارند، مناسب است. سرور نیازی به پاسخگویی به انواع پشتیبانی نشده ندارد.

3، REST/HTTP协议

RESTful یک سبک معماری نرم‌افزار مبتنی بر منبع است. اصطلاحاً منبع، یک موجودیت در شبکه یا یک اطلاعات خاص در شبکه است. یک تصویر یا یک آهنگ یک منبع است. RESTful API یک پیاده‌سازی مبتنی بر پروتکل HTTP است. (HTTP یک پروتکل لایه کاربرد است که ساده و سریع است).

برنامه‌ها یا طرح‌هایی که مشخصات Rest را برآورده می‌کنند، RESTful هستند و APIهایی که مطابق با مشخصات Rest طراحی شده‌اند، RESTful API نامیده می‌شوند.

۴. پروتکل DDS

DDS (سرویس توزیع داده) یک پروتکل میان‌افزار سرویس توزیع داده بلادرنگ توزیع‌شده است. این پروتکل، "TCP/IP" در شبکه بلادرنگ توزیع‌شده است. این پروتکل برای حل اتصال پروتکل شبکه در شبکه بلادرنگ استفاده می‌شود. عملکرد آن معادل "اتوبوس روی اتوبوس" است.

5، AMQP协议

AMQP یا پروتکل صف‌بندی پیام پیشرفته، یک پروتکل صف‌بندی پیام پیشرفته استاندارد لایه کاربرد است که خدمات پیام‌رسانی یکپارچه را ارائه می‌دهد. این یک استاندارد باز برای پروتکل‌های لایه کاربرد است و برای میان‌افزار پیام‌محور طراحی شده است. کلاینت‌ها و میان‌افزار پیام مبتنی بر این پروتکل می‌توانند پیام‌ها را منتقل کنند و توسط محصولات کلاینت/میان‌افزار مختلف، زبان‌های توسعه مختلف و غیره محدود نمی‌شوند. پیاده‌سازی‌ها در ارلنگ شامل RabbitMQ و غیره است.

6، XMPP协议

XMPP پروتکلی مبتنی بر XML است، زیرمجموعه‌ای از زبان نشانه‌گذاری جهانی استاندارد، که انعطاف‌پذیری لازم برای توسعه در محیط XML را به ارث می‌برد. بنابراین، برنامه‌های مبتنی بر XMPP بسیار مقیاس‌پذیر هستند. XMPP پس از توسعه، می‌تواند با ارسال اطلاعات توسعه‌یافته، نیازهای کاربر را برطرف کند و برنامه‌هایی مانند سیستم‌های انتشار محتوا و سرویس‌های مبتنی بر آدرس را می‌توان بر روی XMPP ساخت.

۴. مقایسه برخی از پروتکل‌های ارتباطی

۱. مقایسه بین پروتکل NB-IoT و پروتکل LoRa

اول، باند فرکانسی. LoRa در باندهای فرکانسی بدون مجوز زیر 1 گیگاهرتز کار می‌کند و برای استفاده از آن نیازی به هزینه اضافی نیست. NB-IoT و ارتباطات سلولی از باندهای فرکانسی زیر 1 گیگاهرتز استفاده می‌کنند که توسط 2113 مجاز شده‌اند و نیاز به هزینه دارند.

دوم، عمر باتری. ماژول‌های LoRa ویژگی‌های منحصر به فردی در مدیریت تداخل، همپوشانی شبکه، مقیاس‌پذیری و غیره دارند، اما نمی‌توانند کیفیت خدمات مشابه پروتکل‌های سلولی را ارائه دهند. با توجه به ملاحظات کیفیت خدمات، NB-IoT نمی‌تواند عمر باتری مشابه LoRa را ارائه دهد.

سوم، هزینه‌های تجهیزات. برای گره‌های انتهایی، پروتکل LoRa ساده‌تر از NB-IoT است، توسعه آن آسان‌تر و کاربرد و سازگاری بیشتری با ریزپردازنده‌ها دارد. در عین حال، ماژول‌های LoRa با فناوری نسبتاً بالغ و کم‌هزینه در بازار موجود هستند و نسخه‌های ارتقا یافته یکی پس از دیگری منتشر خواهند شد.

چهارم، پوشش شبکه و برنامه استقرار. استاندارد NB-IoT در سال ۲۰۱۶ اعلام شد. علاوه بر استقرار شبکه، تجاری‌سازی و استقرار زنجیره صنعت مربوطه به زمان و تلاش بیشتری برای بررسی نیاز دارد. کل زنجیره صنعت LoRa نسبتاً بالغ است و محصولات آن "آماده راه‌اندازی" هستند. در عین حال، بسیاری از کشورهای جهان در حال انجام یا تکمیل استقرار شبکه سراسری هستند.

۲. مقایسه پروتکل‌های بلوتوث، وای‌فای و زیگبی

در حال حاضر، مزیت وای‌فای این است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد و در هزاران خانوار رواج یافته است؛ مزیت زیگ‌بی مصرف برق کم و شبکه خودسازمانده است؛ مزیت فناوری ارتباط بی‌سیم بدون حامل UWB سرعت انتقال است؛ مزیت بلوتوث شبکه‌سازی ساده است. با این حال، این سه فناوری نیز کاستی‌های خود را دارند و هیچ فناوری نمی‌تواند به طور کامل تمام الزامات خانه‌های هوشمند را برآورده کند.

ظهور فناوری بلوتوث، ارتباط بی‌سیم در فواصل کوتاه را ممکن می‌سازد، اما پروتکل‌های پیچیده، مصرف برق بالا و هزینه بالای آن برای شبکه‌های کنترل صنعتی و خانگی که به هزینه و مصرف برق کم نیاز دارند، مناسب نیست. به طور خاص، بزرگترین مانع بلوتوث، برد انتقال محدود آن است. به طور کلی، برد مؤثر حدود 10 متر است. مشکلاتی مانند توانایی ضعیف در برابر تداخل و مسائل مربوط به امنیت اطلاعات نیز از عوامل اصلی محدود کننده توسعه بیشتر و کاربرد در مقیاس بزرگ آن هستند.

وای‌فای نیز یک فناوری انتقال بی‌سیم در فواصل کوتاه است که می‌تواند در هر زمانی به سیگنال‌های بی‌سیم دسترسی داشته باشد. این فناوری قابلیت جابجایی بالایی دارد و برای استفاده در محیط‌های اداری و خانگی مناسب‌تر است. البته وای‌فای یک نقص مهلک نیز دارد. از آنجایی که وای‌فای از فناوری فرکانس رادیویی استفاده می‌کند که داده‌ها را از طریق هوا ارسال و دریافت می‌کند و از امواج رادیویی برای انتقال سیگنال‌های داده استفاده می‌کند، بیشتر در معرض تداخل خارجی قرار دارد.

زیگبی یک فناوری ارتباط بی‌سیم پذیرفته‌شده بین‌المللی است. هر یک از پورت‌های شبکه آن می‌توانند به بیش از ۶۵۰۰۰ پورت دسترسی داشته باشند که برای استفاده در خانه، صنعت، کشاورزی و سایر زمینه‌ها مناسب است. با این حال، ترمینال‌های شبکه بلوتوث و وای‌فای فقط می‌توانند به ۱۰ پورت دسترسی داشته باشند که بدیهی است نمی‌تواند نیازهای خانواده‌ها را برآورده کند. زیگبی همچنین از مزایای مصرف برق کم و هزینه پایین برخوردار است.

۳. مقایسه بین پروتکل MQTT و پروتکل CoAP

MQTT یک پروتکل ارتباطی چند به چند است که برای انتقال پیام‌ها بین کلاینت‌های مختلف از طریق یک پروکسی واسطه استفاده می‌شود، تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان را از هم جدا می‌کند و به کلاینت اجازه می‌دهد پیام‌ها را منتشر کند و پروکسی در مورد مسیریابی و کپی کردن پیام‌ها تصمیم‌گیری کند. اگرچه MQTT از مقداری پایداری پشتیبانی می‌کند، اما بهتر است به عنوان یک گذرگاه ارتباط داده بلادرنگ استفاده شود.

CoAP در درجه اول یک پروتکل نقطه به نقطه است که برای انتقال اطلاعات وضعیت‌دار بین کلاینت‌ها و سرورها استفاده می‌شود. در حالی که از مشاهده منابع پشتیبانی می‌شود، CoAP برای یک مدل انتقال وضعیت‌دار مناسب‌تر است و کاملاً مبتنی بر رویداد نیست.

کلاینت MQTT یک اتصال TCP با طول عمر بالا برقرار می‌کند. این معمولاً به این معنی است که مشکلی وجود ندارد. هم کلاینت CoAP و هم سرور در حال ارسال و دریافت بسته‌های UDP هستند. در یک محیط NAT، می‌توان از تونلینگ یا ارسال پورت برای فعال کردن CoAP استفاده کرد، یا مانند LWM2M، دستگاه ممکن است ابتدا اتصال front-end را مقداردهی اولیه کند.

MQTT از برچسب‌های نوع پیام یا سایر فراداده‌ها برای کمک به درک کلاینت‌ها پشتیبانی نمی‌کند. پیام‌های MQTT می‌توانند برای هر منظوری استفاده شوند، اما همه کلاینت‌ها باید فرمت داده‌های رو به بالا را بدانند تا امکان ارتباط فراهم شود. در عوض، CoAP پشتیبانی داخلی برای مذاکره و کشف محتوا ارائه می‌دهد و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا یکدیگر را شناسایی کنند تا راهی برای تبادل داده‌ها پیدا کنند.

هر دو پروتکل مزایا و معایبی دارند و انتخاب پروتکل مناسب به کاربرد شما بستگی دارد.

این مقاله از "" کپی شده است.Beijing Internet of Things Intelligent Technology Application Association«برای حمایت از حقوق مالکیت معنوی، لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.»