Analyse complète des protocoles de communication de l'Internet des objets

Avec la croissance continue du nombre d'objets connectés (IoT), la communication entre ces appareils est devenue un sujet de réflexion majeur. La communication est essentielle à l'Internet des objets, qu'il s'agisse de technologies de transmission sans fil à courte portée ou de communication mobile. Les protocoles de communication sont particulièrement importants : ce sont les règles et accords que les parties prenantes doivent respecter pour assurer la communication et la fourniture de services. Cet article présente plusieurs protocoles de communication IoT disponibles, offrant différentes performances, débits de données, couvertures, consommations d'énergie et capacités de mémoire. Chacun présente des avantages et des inconvénients. Certains de ces protocoles sont adaptés aux petits appareils électroménagers, tandis que d'autres peuvent être utilisés dans des projets de villes intelligentes à grande échelle. Les protocoles de communication IoT se divisent en deux catégories : les protocoles d'accès et les protocoles de communication. Le protocole d'accès gère la mise en réseau et la communication entre les appareils d'un même sous-réseau. Le protocole de communication, quant à lui, est principalement un protocole de communication entre appareils, fonctionnant sur le protocole TCP/IP traditionnel d'Internet, et responsable de l'échange de données et de la communication entre les appareils via Internet.

1. Protocoles de la couche physique et de la couche liaison de données

1. Long-distance cellular communication

(1) 2G/3G/4G communication protocols refer to the second, third and fourth generation mobile communication system protocols respectively.

（2）NB-IoT

L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) est devenu une branche importante de l'Internet de tout. Basé sur un réseau cellulaire, le NB-IoT ne consomme qu'environ 180 kHz de bande passante. Il peut être déployé directement sur les réseaux GSM, UMTS ou LTE afin de réduire les coûts de déploiement et de faciliter les mises à niveau. Le NB-IoT cible le marché de l'Internet des objets à faible consommation et à large couverture (LPWA) et constitue une technologie émergente à fort potentiel mondial. Il se caractérise par une large couverture, de multiples connexions, un débit élevé, un faible coût, une faible consommation d'énergie et une architecture performante.

Scénarios d'application : Les scénarios d'application apportés par le réseau NB-IoT comprennent le stationnement intelligent, la protection incendie intelligente, les services d'eau intelligents, l'éclairage public intelligent, les vélos partagés et les appareils électroménagers intelligents.

（3）5G

La 5G est la dernière génération de technologies de communication mobile cellulaire. Ses objectifs sont les suivants : débits de données élevés, latence réduite, économies d’énergie, réduction des coûts, capacité système accrue et connectivité à grande échelle des appareils.

Scénarios d'application : RA/RV, Internet des véhicules, fabrication intelligente, énergie intelligente, soins médicaux sans fil, divertissement à domicile sans fil, drones connectés, diffusion en direct ultra haute définition/panoramique, assistance personnelle par IA et villes intelligentes.

2. Communication non cellulaire à longue distance

（1）Wi-Fi

En raison de la popularité croissante des routeurs Wi-Fi domestiques et des smartphones ces dernières années, les protocoles Wi-Fi se sont largement répandus dans le domaine de la maison connectée. Le principal avantage du Wi-Fi réside dans son accès direct à Internet. Contrairement au ZigBee, une solution de maison connectée utilisant le Wi-Fi s'affranchit des passerelles supplémentaires. Par rapport au Bluetooth, elle permet de s'affranchir des terminaux mobiles tels que les téléphones portables.

La couverture du Wi-Fi commercial dans les lieux publics tels que les transports publics urbains et les centres commerciaux a indéniablement révélé le potentiel du Wi-Fi commercial dans les applications concrètes.

(2)ZigBee

ZigBee est un protocole de communication sans fil conçu pour les transmissions à faible débit et courte portée. Il s'agit d'un réseau de transmission de données sans fil très fiable. Ses principaux atouts sont sa faible vitesse, sa faible consommation d'énergie, son faible coût, sa capacité à gérer un grand nombre de nœuds connectés, la prise en charge de multiples topologies de réseau, sa faible complexité, sa rapidité, sa fiabilité et sa sécurité. La technologie ZigBee est une technologie récente. Elle repose principalement sur les réseaux sans fil pour la transmission des données. Elle permet d'établir des connexions sans fil à courte portée et constitue une technologie de communication réseau sans fil.

The inherent advantages of ZigBee technology have gradually made it a mainstream technology in the Internet of Things industry, and has been widely used in industry, agriculture, smart homes and other fields.

（3）LoRa

LoRa (LongRange, longue portée) est une technologie de modulation offrant une portée de communication supérieure aux technologies similaires. On la retrouve dans de nombreux produits IoT, tels que les passerelles LoRa, les détecteurs de fumée, les systèmes de surveillance de l'eau, la détection infrarouge, le positionnement, les multiprises et autres dispositifs. Technologie sans fil à bande étroite, LoRa utilise la différence de temps d'arrivée pour la géolocalisation. Ses applications incluent la surveillance des villes intelligentes et du trafic, le comptage et la logistique, ainsi que le suivi des exploitations agricoles.

3. Communication en champ proche

（1）RFID

RFID est l'abréviation de Radio Frequency Identification (identification par radiofréquence). Son principe repose sur la communication de données sans contact entre le lecteur et l'étiquette afin d'identifier la cible. La RFID est largement utilisée. Parmi ses applications typiques, on peut citer les puces d'identification animale, les alarmes automobiles, le contrôle d'accès, la gestion de parkings, l'automatisation des lignes de production et la gestion des stocks. Un système RFID complet se compose de trois éléments : un lecteur, une étiquette électronique et un système de gestion des données.

（2）NFC

En chinois, NFC signifie « communication en champ proche ». Cette technologie repose sur l'identification par radiofréquence sans contact (RFID) et est associée à la technologie d'interconnexion sans fil. Elle offre une méthode de communication rapide et sécurisée pour de nombreux produits électroniques de plus en plus présents dans notre quotidien. L'expression « champ proche » dans NFC fait référence aux ondes radio à proximité du champ électromagnétique.

Scénarios d'application : contrôle d'accès, gestion des présences, accueil des visiteurs, enregistrement aux réunions, rondes de surveillance, etc. La technologie NFC permet notamment l'interaction homme-machine et l'interaction machine-machine.

(3)Bluetooth

Bluetooth technology is an open global specification for wireless data and voice communications. It is a special short-range wireless technology connection that establishes a communication environment for fixed and mobile devices based on low-cost short-range wireless connections.

Le Bluetooth permet l'échange sans fil d'informations entre de nombreux appareils, notamment les téléphones portables, les PDA, les casques sans fil, les ordinateurs portables, les périphériques associés, etc. L'utilisation de la technologie Bluetooth simplifie efficacement la communication entre les terminaux de communication mobile et entre ces appareils et Internet, rendant ainsi la transmission de données plus rapide et plus efficace et élargissant le champ des possibles en matière de communication sans fil.


4. Communication filaire

（1）USB

L'USB, abréviation de Universal Serial Bus, est une norme de bus externe utilisée pour standardiser la connexion et la communication entre les ordinateurs et les périphériques externes. C'est une technologie d'interface couramment employée dans le domaine informatique.

(2) Protocole de communication série

Le protocole de communication série définit les spécifications relatives au contenu du paquet de données, notamment le bit de départ, les données principales, le bit de contrôle et le bit d'arrêt. Les deux parties doivent s'accorder sur un format de paquet de données identique pour assurer une transmission et une réception correctes. Parmi les protocoles de communication série couramment utilisés, on trouve RS-232, RS-422 et RS-485.

La communication série est une méthode de communication qui transmet les données bit par bit via des lignes de données entre les périphériques et les ordinateurs. Cette méthode utilise moins de lignes de données et permet de réduire les coûts de communication sur de longues distances, mais sa vitesse de transmission est inférieure à celle de la communication parallèle. La plupart des ordinateurs (à l'exception des ordinateurs portables) sont équipés de deux ports série RS-232. La communication série est également un protocole de communication couramment utilisé pour l'instrumentation et les équipements.

(3) Éthernet

Ethernet est une technologie de réseau local informatique. La norme IEEE 802.3 de l'IEEE définit le cadre technique d'Ethernet, qui spécifie notamment le câblage de la couche physique, les signaux électroniques et les protocoles de la couche d'accès au support.

（4）MBus

Le système de relevé de compteurs à distance MBus (symphonic mbus) est un bus à 2 fils standard européen, principalement utilisé pour les instruments de mesure de la consommation tels que les compteurs de chaleur et les compteurs d'eau.

2. Couche réseau et protocole de transmission

1、IPv4

Le protocole de communication Internet version 4 (IPv4) est la quatrième révision du processus de développement du protocole Internet et la première version largement déployée de ce protocole. IPv4 est au cœur d'Internet et la version la plus utilisée du protocole Internet.

2、IPv6

Le protocole Internet version 6 (IPv6) est nécessaire car le principal problème de l'IPv4 réside dans la limitation des ressources d'adressage réseau, ce qui restreint considérablement les applications et le développement d'Internet. L'utilisation de l'IPv6 résout non seulement ce problème de disponibilité des adresses réseau, mais permet également à plusieurs appareils d'accéder simultanément à Internet.

3、TCP

Le protocole TCP (Transmission Control Protocol) est un protocole de communication de couche transport, orienté connexion, fiable et basé sur des flux d'octets. Il est conçu pour s'adapter à une hiérarchie de protocoles en couches prenant en charge de multiples applications réseau. TCP assure des communications fiables entre paires de processus d'un ordinateur hôte, connectés à différents réseaux de communication interconnectés. Il repose sur le principe qu'il peut obtenir des services de datagrammes simples, potentiellement non fiables, auprès de protocoles de niveau inférieur.

4、6LoWPAN

6LoWPAN est une norme de réseau personnel sans fil à faible vitesse basée sur IPv6, à savoir IPv6 sur IEEE 802.15.4.

3. Application layer protocol

1. MQTT est un service de messagerie instantanée

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), dont la traduction est chinoise, est un protocole de transmission de télémétrie. Il propose principalement deux modes de messagerie : l’abonnement et la publication. Plus simple, plus léger et plus facile à utiliser, il est particulièrement adapté à la distribution de messages dans des environnements restreints (faible bande passante, latence réseau élevée et communication réseau instable). C’est un protocole de transmission standard pour l’Internet des objets (IoT).

Dans de nombreux cas, y compris dans des environnements contraints comme les communications machine-à-machine (M2M) et l'Internet des objets (IoT), cette technologie est largement utilisée dans les capteurs de communication par liaison satellite, les équipements médicaux pour les appels occasionnels, les maisons intelligentes et certains dispositifs miniaturisés.

2. CoAP est en cours de développement

CoAP (Constrained Application Protocol) est un protocole de type Web utilisé dans l'Internet des objets. Il convient aux petits capteurs basse consommation, aux interrupteurs, aux vannes et autres composants similaires nécessitant une commande ou une surveillance à distance via un réseau Internet standard. Le serveur n'a pas à gérer les types de requêtes non pris en charge.

3. Connexion REST/HTTP

RESTful est un style d'architecture logicielle orienté ressources. Une ressource est une entité ou une information spécifique présente sur le réseau. Une image ou une chanson sont des ressources. Une API RESTful est une implémentation basée sur le protocole HTTP (un protocole de la couche application, simple et rapide).

Les applications ou conceptions qui répondent aux spécifications Rest sont dites RESTful, et les API conçues selon les spécifications Rest sont appelées API RESTful.

4. Protocole DDS

DDS (Data Distribution Service) est un protocole intermédiaire de distribution de données en temps réel. Il joue le rôle de TCP/IP dans les réseaux temps réel distribués. Il permet d'assurer l'interconnexion des protocoles réseau au sein de ces réseaux. Son fonctionnement est comparable à celui d'un bus imbriqué dans un autre.

5. AMQP est un terme générique

AMQP, or Advanced Message Queuing Protocol, is an application layer standard advanced message queuing protocol that provides unified messaging services. It is an open standard for application layer protocols and is designed for message-oriented middleware. Clients and message middleware based on this protocol can transmit messages and are not restricted by different client/middleware products, different development languages, etc. Implementations in Erlang include RabbitMQ, etc.

6. XMPP est un service

XMPP est un protocole basé sur XML, un sous-ensemble du langage de balisage universel standard (SUM), qui bénéficie de la flexibilité de développement offerte par l'environnement XML. De ce fait, les applications XMPP sont hautement évolutives. Une fois étendu, XMPP peut répondre aux besoins des utilisateurs en envoyant des informations supplémentaires, et des applications telles que les systèmes de publication de contenu et les services basés sur les adresses peuvent être construites sur XMPP.

4. Comparaison de quelques protocoles de communication

1. Comparison between NB-IoT protocol and LoRa protocol

First, frequency band. LoRa works in unlicensed frequency bands below 1GHz, and does not require additional fees for application. NB-IoT and cellular communications use frequency bands below 1GHz, which are authorized by 2113 and require charges.

Deuxièmement, l'autonomie de la batterie. Les modules LoRa présentent des caractéristiques uniques en matière de gestion des interférences, de chevauchement de réseaux, d'évolutivité, etc., mais ne peuvent offrir la même qualité de service que les protocoles cellulaires. De ce fait, le NB-IoT ne peut offrir la même autonomie que le LoRa.

Third, equipment costs. For end nodes, the LoRa protocol is simpler than NB-IoT, easier to develop and more applicable and compatible with microprocessors. At the same time, low-cost, relatively mature technology LoRa modules can already be found on the market, and upgraded versions will be released one after another.

Quatrièmement, la couverture réseau et le calendrier de déploiement. La norme NB-IoT a été annoncée en 2016. Outre le déploiement du réseau, la commercialisation et la mise en place de la chaîne de valeur nécessiteront plus de temps et d'efforts. La chaîne de valeur de LoRa est relativement mature et ses produits sont prêts à être commercialisés. Parallèlement, de nombreux pays à travers le monde déploient ou ont déjà déployé leur réseau national.

2. Comparaison des protocoles Bluetooth, WiFi et ZigBee

Actuellement, le Wi-Fi présente l'avantage d'être largement répandu et présent dans des milliers de foyers ; le ZigBee, quant à lui, se distingue par sa faible consommation d'énergie et son réseau auto-organisé ; la technologie de communication sans fil UWB, sans porteuse, par son débit de transmission ; et le Bluetooth, par sa simplicité de mise en réseau. Cependant, ces trois technologies présentent également des inconvénients, et aucune ne peut à elle seule répondre pleinement aux exigences des maisons intelligentes.

L'émergence de la technologie Bluetooth rend possible la communication sans fil à courte portée, mais ses protocoles complexes, sa forte consommation d'énergie et son coût élevé la rendent inadaptée aux applications de contrôle industriel et aux réseaux domestiques qui exigent un faible coût et une faible consommation. En particulier, le principal obstacle du Bluetooth réside dans sa portée de transmission limitée, généralement d'environ 10 mètres. Des problèmes tels que sa faible résistance aux interférences et les problèmes de sécurité des informations constituent également les principaux freins à son développement et à son application à grande échelle.

Le Wi-Fi est une technologie de transmission sans fil à courte portée qui permet d'accéder aux signaux sans fil à tout moment. Très mobile, il est particulièrement adapté aux environnements de bureau et domestiques. Cependant, le Wi-Fi présente un inconvénient majeur : utilisant la technologie des radiofréquences, qui transmet et reçoit des données par voie hertzienne, il est plus sensible aux interférences externes.

ZigBee est une technologie de communication sans fil reconnue internationalement. Chaque port de son réseau peut gérer jusqu'à plus de 65 000 connexions, ce qui la rend adaptée à une utilisation domestique, industrielle, agricole et dans d'autres secteurs. En revanche, les terminaux Bluetooth et Wi-Fi ne peuvent gérer que 10 connexions, ce qui est insuffisant pour les besoins des familles. ZigBee présente également l'avantage d'une faible consommation d'énergie et d'un coût réduit.

3. Comparaison entre le protocole MQTT et le protocole CoAP

MQTT is a many-to-many communication protocol used to transmit messages between different clients through an intermediate proxy, decoupling producers and consumers, and allowing the client to publish and let the proxy decide routing and copy messages. Although MQTT supports some persistence, it is best used as a real-time data communication bus.

CoAP est principalement un protocole point à point utilisé pour transmettre des informations d'état entre clients et serveurs. Bien que l'observation des ressources soit prise en charge, CoAP est plus adapté à un modèle de transfert avec état et n'est pas entièrement basé sur les événements.

Le client MQTT établit une connexion TCP persistante. En général, cela signifie qu'il n'y a pas de problème. Le client et le serveur CoAP envoient et reçoivent des paquets UDP. Dans un environnement NAT, le tunneling ou la redirection de ports peuvent être utilisés pour autoriser CoAP ; il est également possible, comme pour LWM2M, que le périphérique initialise d'abord la connexion frontale.

MQTT does not provide support for message type tags or other metadata to help clients understand. MQTT messages can be used for any purpose, but all clients must know the upward data format to allow communication. CoAP, instead, provides built-in support for content negotiation and discovery, allowing devices to detect each other to find a way to exchange data.

Chaque protocole présente des avantages et des inconvénients, et le choix du protocole approprié dépend de votre application.

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