Analisis lengkap protokol komunikasi Internet of Things

Seiring dengan terus meningkatnya jumlah perangkat IoT, komunikasi atau koneksi antar perangkat ini menjadi topik penting yang perlu dipertimbangkan. Komunikasi sangat umum dan penting bagi Internet of Things. Baik itu teknologi transmisi nirkabel jarak pendek maupun teknologi komunikasi seluler, semuanya memengaruhi perkembangan Internet of Things. Dalam komunikasi, protokol komunikasi sangat penting. Protokol tersebut merupakan aturan dan kesepakatan yang harus diikuti oleh entitas di kedua sisi untuk menyelesaikan komunikasi atau layanan. Artikel ini memperkenalkan beberapa protokol komunikasi IoT yang tersedia dengan kinerja, kecepatan data, jangkauan, daya, dan memori yang berbeda, dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri. Beberapa protokol komunikasi ini hanya cocok untuk peralatan rumah tangga kecil, sementara yang lain dapat digunakan dalam proyek kota pintar berskala besar. Protokol komunikasi Internet of Things dibagi menjadi dua kategori, yaitu protokol akses dan protokol komunikasi. Protokol akses umumnya bertanggung jawab untuk jaringan dan komunikasi antar perangkat dalam subnet; protokol komunikasi terutama merupakan protokol komunikasi perangkat yang berjalan pada protokol TCP/IP Internet tradisional dan bertanggung jawab untuk pertukaran data dan komunikasi antar perangkat melalui Internet.

1. Protokol lapisan fisik dan lapisan tautan data

1. Komunikasi seluler jarak jauh

(1) Protokol komunikasi 2G/3G/4G mengacu pada protokol sistem komunikasi seluler generasi kedua, ketiga, dan keempat.

（2）NB-IoT

Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) telah menjadi cabang penting dari Internet of Everything. NB-IoT dibangun di atas jaringan seluler dan hanya mengkonsumsi bandwidth sekitar 180kHz. Teknologi ini dapat langsung diterapkan pada jaringan GSM, jaringan UMTS, atau jaringan LTE untuk mengurangi biaya penerapan dan mencapai peningkatan yang lancar. NB-IoT berfokus pada pasar Low Power Wide Coverage (LPWA) Internet of Things (IoT) dan merupakan teknologi baru yang dapat digunakan secara luas di seluruh dunia. Teknologi ini memiliki karakteristik jangkauan luas, banyak koneksi, kecepatan tinggi, biaya rendah, konsumsi daya rendah, dan arsitektur yang unggul.

Skenario aplikasi: Skenario aplikasi yang dihadirkan oleh jaringan NB-IoT meliputi parkir pintar, proteksi kebakaran pintar, layanan air pintar, lampu jalan pintar, sepeda bersama, dan peralatan rumah tangga pintar.

（3）5G

Teknologi komunikasi seluler generasi kelima (5G) adalah generasi terbaru dari teknologi komunikasi seluler. Tujuan kinerja 5G adalah kecepatan data tinggi, latensi rendah, penghematan energi, pengurangan biaya, peningkatan kapasitas sistem, dan konektivitas perangkat skala besar.

Skenario aplikasi: AR/VR, Internet of Vehicles, manufaktur cerdas, energi cerdas, perawatan medis nirkabel, hiburan rumah nirkabel, drone terhubung, siaran langsung ultra-high definition/panoramic, asisten AI pribadi, dan kota cerdas.

2. Komunikasi non-seluler jarak jauh

（1）Wi-Fi

Karena popularitas router WiFi rumahan dan ponsel pintar yang meningkat pesat dalam beberapa tahun terakhir, protokol WiFi juga banyak digunakan di bidang rumah pintar. Keunggulan terbesar protokol WiFi adalah kemampuannya untuk mengakses internet secara langsung. Dibandingkan dengan ZigBee, solusi rumah pintar yang menggunakan protokol WiFi menghilangkan kebutuhan akan gateway tambahan. Dibandingkan dengan protokol Bluetooth, WiFi menghilangkan ketergantungan pada terminal seluler seperti ponsel.

Cakupan WiFi komersial di tempat-tempat umum seperti transportasi umum perkotaan dan pusat perbelanjaan telah secara nyata menunjukkan potensi WiFi komersial dalam aplikasi di lapangan.

（2）ZigBee

ZigBee adalah protokol komunikasi nirkabel untuk transmisi kecepatan rendah dan jarak pendek. Ini adalah jaringan transmisi data nirkabel yang sangat andal. Fitur utamanya adalah kecepatan rendah, konsumsi daya rendah, biaya rendah, dukungan untuk sejumlah besar node online, dukungan untuk berbagai topologi online, kompleksitas rendah, cepat, andal, dan aman. Teknologi ZigBee adalah teknologi baru yang muncul belakangan ini. Teknologi ini terutama bergantung pada jaringan nirkabel untuk transmisi. Teknologi ini dapat melakukan koneksi nirkabel pada jarak pendek dan merupakan teknologi komunikasi jaringan nirkabel.

Keunggulan inheren teknologi ZigBee secara bertahap menjadikannya teknologi utama dalam industri Internet of Things, dan telah banyak digunakan di industri, pertanian, rumah pintar, dan bidang lainnya.

（3）LoRa

LoRa (LongRange, jangkauan jauh) adalah teknologi modulasi yang menyediakan jarak komunikasi lebih jauh daripada teknologi serupa. LoRa banyak digunakan pada gateway, sensor asap, pemantauan air, deteksi inframerah, penentuan posisi, stopkontak, dan produk IoT lainnya. Sebagai teknologi nirkabel pita sempit, LoRa menggunakan perbedaan waktu kedatangan untuk mencapai geolokasi. Skenario aplikasi penentuan posisi LoRa: pemantauan kota pintar dan lalu lintas, pengukuran dan logistik, pemantauan posisi pertanian.

3. Komunikasi jarak dekat

(1)RFID

RFID adalah singkatan dari Radio Frequency Identification. Prinsipnya adalah komunikasi data tanpa kontak antara pembaca dan tag untuk mencapai tujuan mengidentifikasi target. RFID digunakan secara luas. Aplikasi tipikal meliputi chip hewan, alarm chip mobil, kontrol akses, kontrol tempat parkir, otomatisasi jalur produksi, dan manajemen material. Sistem RFID lengkap terdiri dari tiga bagian: pembaca (Reader), tag elektronik (Tag), dan sistem manajemen data.

(2)NFC

Nama lengkap NFC dalam bahasa Mandarin adalah teknologi komunikasi jarak dekat (near field communication technology). NFC dikembangkan berdasarkan teknologi identifikasi frekuensi radio (RFID) tanpa kontak dan dikombinasikan dengan teknologi interkoneksi nirkabel. Teknologi ini menyediakan metode komunikasi yang sangat aman dan cepat untuk berbagai produk elektronik yang semakin populer dalam kehidupan kita sehari-hari. Istilah "jarak dekat" dalam nama NFC dalam bahasa Mandarin merujuk pada gelombang radio yang berada di dekat medan elektromagnetik.

Skenario aplikasi: digunakan dalam kontrol akses, absensi, pengunjung, pendaftaran rapat, patroli, dan bidang lainnya. NFC memiliki fungsi seperti interaksi manusia-komputer dan interaksi mesin-ke-mesin.

（3）Bluetooth

Teknologi Bluetooth adalah spesifikasi global terbuka untuk komunikasi data dan suara nirkabel. Ini adalah teknologi koneksi nirkabel jarak pendek khusus yang membangun lingkungan komunikasi untuk perangkat tetap dan seluler berdasarkan koneksi nirkabel jarak pendek berbiaya rendah.

Bluetooth dapat melakukan pertukaran informasi nirkabel antara banyak perangkat termasuk telepon seluler, PDA, headset nirkabel, laptop, periferal terkait, dll. Penggunaan teknologi "Bluetooth" dapat secara efektif menyederhanakan komunikasi antara perangkat terminal komunikasi seluler, dan juga dapat berhasil menyederhanakan komunikasi antara perangkat dan Internet, sehingga transmisi data menjadi lebih cepat dan efisien, memperluas jalur komunikasi nirkabel.


4. Komunikasi berkabel

1）USB

USB, singkatan dari Universal Serial Bus dalam bahasa Inggris, adalah standar bus eksternal yang digunakan untuk menstandarisasi koneksi dan komunikasi antara komputer dan perangkat eksternal. Ini adalah teknologi antarmuka yang diterapkan di bidang PC.

(2) Protokol komunikasi serial

Protokol komunikasi serial mengacu pada spesifikasi terkait yang menetapkan isi paket data, yang meliputi bit awal, data utama, bit pengecekan, dan bit akhir. Kedua pihak perlu menyepakati format paket data yang konsisten agar dapat mengirim dan menerima data secara normal. Dalam komunikasi serial, protokol yang umum digunakan meliputi RS-232, RS-422, dan RS-485.

Komunikasi serial merujuk pada metode komunikasi yang mengirimkan data bit demi bit melalui jalur data antara perangkat periferal dan komputer. Metode komunikasi ini menggunakan lebih sedikit jalur data dan dapat menghemat biaya komunikasi dalam komunikasi jarak jauh, tetapi kecepatan transmisinya lebih rendah daripada transmisi paralel. Sebagian besar komputer (tidak termasuk laptop) memiliki dua port serial RS-232. Komunikasi serial juga merupakan protokol komunikasi yang umum digunakan untuk instrumentasi dan peralatan.

(3) Ethernet

Ethernet adalah teknologi jaringan area lokal komputer. Standar IEEE 802.3 dari organisasi IEEE merumuskan standar teknis Ethernet, yang menentukan konten termasuk pengkabelan lapisan fisik, sinyal elektronik, dan protokol lapisan akses media.

（4）MBus

Sistem pembacaan meter jarak jauh MBus (symphonic mbus) adalah bus 2-kawat standar Eropa, yang terutama digunakan untuk instrumen pengukuran konsumsi seperti meter panas dan meter air.

2. Lapisan jaringan dan protokol transmisi

1、IPv4

Internet Communications Protocol Version 4 (IPv4) adalah revisi keempat dalam proses pengembangan Protokol Internet dan versi pertama yang digunakan secara luas. IPv4 merupakan inti dari Internet dan versi Protokol Internet yang paling banyak digunakan.

2、IPv6

Protokol Internet versi 6, karena masalah terbesar IPv4 adalah keterbatasan sumber daya alamat jaringan, yang sangat membatasi aplikasi dan pengembangan Internet. Penggunaan IPv6 tidak hanya menyelesaikan masalah jumlah sumber daya alamat jaringan, tetapi juga menyelesaikan hambatan bagi banyak perangkat akses untuk terhubung ke Internet.

3.TCP

Transmission Control Protocol (TCP) adalah protokol komunikasi lapisan transport berbasis aliran byte yang berorientasi koneksi dan andal. TCP dirancang untuk mengakomodasi hierarki protokol berlapis yang mendukung berbagai aplikasi jaringan. TCP diandalkan untuk menyediakan layanan komunikasi yang andal antara pasangan proses dalam komputer host yang terhubung ke jaringan komunikasi komputer yang berbeda tetapi saling terhubung. TCP berasumsi bahwa ia dapat memperoleh layanan datagram sederhana, yang mungkin tidak andal, dari protokol tingkat bawah.

4LoWPAN

6LoWPAN adalah standar jaringan area pribadi nirkabel berkecepatan rendah berbasis IPv6, yaitu IPv6 melalui IEEE 802.15.4.

3. Protokol lapisan aplikasi

1、MQTT协议

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), yang diterjemahkan ke dalam bahasa Mandarin, adalah protokol transmisi telemetri. Protokol ini terutama menyediakan dua mode pesan: berlangganan/penerbitan. MQTT lebih sederhana, ringan, dan mudah digunakan. Protokol ini sangat cocok untuk distribusi pesan di lingkungan yang terbatas (bandwidth rendah, latensi jaringan tinggi, dan komunikasi jaringan yang tidak stabil). MQTT merupakan protokol transmisi standar untuk Internet of Things (IoT).

Dalam banyak kasus, termasuk di lingkungan terbatas seperti komunikasi mesin ke mesin (M2M) dan Internet of Things (IoT), teknologi ini telah banyak digunakan dalam sensor komunikasi melalui tautan satelit, peralatan medis untuk panggilan sesekali, rumah pintar, dan beberapa perangkat mini.

2、CoAP

CoAP (Constrained Application Protocol) adalah protokol mirip Web di dunia Internet of Things. Protokol ini cocok untuk sensor, sakelar, katup, dan komponen serupa berdaya rendah berukuran kecil yang perlu dikontrol atau dipantau dari jarak jauh melalui jaringan Internet standar. Server tidak perlu merespons tipe yang tidak didukung.

3、REST/HTTP

RESTful adalah gaya arsitektur perangkat lunak berbasis sumber daya. Yang disebut sumber daya adalah entitas di jaringan, atau informasi spesifik di jaringan. Gambar atau lagu adalah contoh sumber daya. API RESTful adalah implementasi yang berbasis pada protokol HTTP. (HTTP adalah protokol lapisan aplikasi, yang sederhana dan cepat).

Aplikasi atau desain yang memenuhi spesifikasi REST disebut RESTful, dan API yang dirancang sesuai dengan spesifikasi REST disebut API RESTful.

4. Protokol DDS

DDS (Data Distribution Service) is a distributed real-time data distribution service middleware protocol. It is the "TCP/IP" in the distributed real-time network. It is used to solve the network protocol interconnection in the real-time network. Its function is equivalent to the "bus on the bus".

5、AMQP协议

AMQP, atau Advanced Message Queuing Protocol, adalah protokol antrian pesan tingkat lanjut standar lapisan aplikasi yang menyediakan layanan pengiriman pesan terpadu. Ini adalah standar terbuka untuk protokol lapisan aplikasi dan dirancang untuk middleware berorientasi pesan. Klien dan middleware pesan yang berbasis protokol ini dapat mengirimkan pesan dan tidak dibatasi oleh berbagai produk klien/middleware, berbagai bahasa pengembangan, dll. Implementasi dalam Erlang meliputi RabbitMQ, dll.

6、XMPP协议

XMPP adalah protokol berbasis XML, subset dari Standard Universal Markup Language, yang mewarisi fleksibilitas untuk dikembangkan dalam lingkungan XML. Oleh karena itu, aplikasi berbasis XMPP sangat mudah diskalakan. Setelah diperluas, XMPP dapat menangani kebutuhan pengguna dengan mengirimkan informasi tambahan, dan aplikasi seperti sistem penerbitan konten dan layanan berbasis alamat dapat dibangun di atas XMPP.

4. Perbandingan beberapa protokol komunikasi

1. Perbandingan antara protokol NB-IoT dan protokol LoRa

Pertama, pita frekuensi. LoRa beroperasi pada pita frekuensi tanpa lisensi di bawah 1 GHz, dan tidak memerlukan biaya tambahan untuk aplikasi. NB-IoT dan komunikasi seluler menggunakan pita frekuensi di bawah 1 GHz, yang diotorisasi oleh 2113 dan memerlukan biaya.

Kedua, masa pakai baterai. Modul LoRa memiliki karakteristik unik dalam menangani interferensi, tumpang tindih jaringan, skalabilitas, dll., tetapi tidak dapat memberikan kualitas layanan yang sama seperti protokol seluler. Karena pertimbangan kualitas layanan, NB-IoT tidak dapat memberikan masa pakai baterai yang sama seperti LoRa.

Ketiga, biaya peralatan. Bagi node akhir, protokol LoRa lebih sederhana daripada NB-IoT, lebih mudah dikembangkan, dan lebih mudah diaplikasikan serta kompatibel dengan mikroprosesor. Pada saat yang sama, modul LoRa berteknologi relatif matang dan berbiaya rendah sudah dapat ditemukan di pasaran, dan versi yang ditingkatkan akan dirilis satu demi satu.

Keempat, cakupan jaringan dan jadwal penyebaran. Standar NB-IoT diumumkan pada tahun 2016. Selain penyebaran jaringan, komersialisasi dan pembentukan rantai industri yang terkait akan membutuhkan waktu lebih lama dan upaya lebih besar untuk dieksplorasi. Seluruh rantai industri LoRa relatif matang, dan produk-produknya "siap diluncurkan". Pada saat yang sama, banyak negara di seluruh dunia sedang menjalani atau telah menyelesaikan penyebaran jaringan nasional.

2. Perbandingan protokol Bluetooth, WiFi, dan ZigBee

Saat ini, keunggulan WiFi adalah penggunaannya yang luas dan telah dipopulerkan di ribuan rumah tangga; keunggulan ZigBee adalah konsumsi daya yang rendah dan jaringan yang mengatur diri sendiri; keunggulan teknologi komunikasi nirkabel tanpa pembawa UWB adalah kecepatan transmisinya; keunggulan Bluetooth adalah jaringan yang sederhana. Namun, ketiga teknologi ini juga memiliki kekurangan masing-masing, dan tidak ada teknologi yang dapat sepenuhnya memenuhi semua kebutuhan rumah pintar.

Munculnya teknologi Bluetooth memungkinkan komunikasi nirkabel jarak pendek, tetapi protokolnya yang kompleks, konsumsi daya yang tinggi, dan biaya yang tinggi tidak cocok untuk kontrol industri dan jaringan rumah yang membutuhkan biaya rendah dan konsumsi daya rendah. Secara khusus, kendala terbesar Bluetooth adalah jangkauan transmisi yang terbatas. Umumnya, jangkauan efektifnya sekitar 10 meter. Masalah seperti kemampuan anti-interferensi yang lemah dan masalah keamanan informasi juga merupakan faktor utama yang membatasi pengembangan lebih lanjut dan penerapan skala besar.

WiFi juga merupakan teknologi transmisi nirkabel jarak pendek yang dapat mengakses sinyal nirkabel kapan saja. Teknologi ini sangat portabel dan lebih cocok digunakan di lingkungan kantor dan rumah. Tentu saja, WiFi juga memiliki kekurangan fatal. Karena WiFi menggunakan teknologi frekuensi radio, yang mengirim dan menerima data melalui udara dan menggunakan gelombang radio untuk mengirimkan sinyal data, maka WiFi lebih rentan terhadap gangguan eksternal.

ZigBee adalah teknologi komunikasi nirkabel yang diterima secara internasional. Setiap port jaringannya dapat mengakses hingga lebih dari 65,000 port, yang cocok untuk digunakan di rumah, industri, pertanian, dan bidang lainnya. Namun, terminal jaringan Bluetooth dan WiFi hanya dapat mengakses 10 port, yang jelas tidak dapat memenuhi kebutuhan keluarga. ZigBee juga memiliki keunggulan konsumsi daya rendah dan biaya rendah.

3. Perbandingan antara protokol MQTT dan protokol CoAP

MQTT adalah protokol komunikasi banyak-ke-banyak yang digunakan untuk mengirimkan pesan antar klien yang berbeda melalui proxy perantara, memisahkan produsen dan konsumen, dan memungkinkan klien untuk mempublikasikan dan membiarkan proxy memutuskan perutean dan menyalin pesan. Meskipun MQTT mendukung beberapa persistensi, penggunaannya paling baik sebagai bus komunikasi data waktu nyata.

CoAP pada dasarnya adalah protokol point-to-point yang digunakan untuk mengirimkan informasi stateful antara klien dan server. Meskipun pengamatan sumber daya didukung, CoAP paling cocok untuk model transfer stateful dan tidak sepenuhnya berbasis peristiwa.

Klien MQTT membangun koneksi TCP yang berumur panjang. Ini biasanya berarti tidak ada masalah. Baik klien CoAP maupun server mengirim dan menerima paket UDP. Dalam lingkungan NAT, tunneling atau penerusan port dapat digunakan untuk memungkinkan CoAP, atau seperti LWM2M, perangkat dapat menginisialisasi koneksi front-end terlebih dahulu.

MQTT tidak menyediakan dukungan untuk tag tipe pesan atau metadata lain untuk membantu klien memahami pesan. Pesan MQTT dapat digunakan untuk tujuan apa pun, tetapi semua klien harus mengetahui format data pengirim agar komunikasi dapat dilakukan. Sebaliknya, CoAP menyediakan dukungan bawaan untuk negosiasi dan penemuan konten, memungkinkan perangkat untuk saling mendeteksi dan menemukan cara untuk bertukar data.

Kedua protokol tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan, dan memilih yang tepat bergantung pada aplikasi Anda.

Artikel ini disalin dari "Asosiasi Aplikasi Teknologi Cerdas Internet of Things Beijing", mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual, mohon sebutkan sumber asli dan penulis saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya."