Analisi completa dei protocolli di comunicazione dell'Internet delle cose

Con l'aumento costante del numero di dispositivi IoT, la comunicazione o la connessione tra questi dispositivi è diventata un argomento di fondamentale importanza. La comunicazione è un elemento cruciale e fondamentale per l'Internet delle Cose. Che si tratti di tecnologie di trasmissione wireless a corto raggio o di tecnologie di comunicazione mobile, la comunicazione influenza lo sviluppo dell'Internet delle Cose. In questo contesto, i protocolli di comunicazione rivestono un'importanza particolare. Essi rappresentano le regole e gli accordi che le entità coinvolte devono rispettare per completare comunicazioni o servizi. Questo articolo presenta diversi protocolli di comunicazione IoT disponibili, con prestazioni, velocità di trasmissione dati, copertura, consumo energetico e memoria differenti, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi. Alcuni di questi protocolli di comunicazione sono adatti solo a piccoli elettrodomestici, mentre altri possono essere utilizzati in progetti di smart city su larga scala. I protocolli di comunicazione dell'Internet delle Cose si dividono in due categorie: protocolli di accesso e protocolli di comunicazione. Il protocollo di accesso è generalmente responsabile della rete e della comunicazione tra i dispositivi all'interno di una sottorete; il protocollo di comunicazione è principalmente un protocollo di comunicazione tra dispositivi che opera sul tradizionale protocollo Internet TCP/IP ed è responsabile dello scambio di dati e della comunicazione tra i dispositivi tramite Internet.

1. Protocolli del livello fisico e del livello di collegamento dati

1. Comunicazione cellulare a lunga distanza

(1) I protocolli di comunicazione 2G/3G/4G si riferiscono rispettivamente ai protocolli del sistema di comunicazione mobile di seconda, terza e quarta generazione.

（2）NB-IoT

L'Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT) è diventato un ramo importante dell'Internet delle cose. Basato su una rete cellulare, l'NB-IoT consuma solo circa 180 kHz di larghezza di banda. Può essere implementato direttamente su reti GSM, UMTS o LTE, riducendo i costi di implementazione e consentendo aggiornamenti senza intoppi. L'NB-IoT si concentra sul mercato dell'Internet delle cose (IoT) a bassa potenza e ampia copertura (LPWA) ed è una tecnologia emergente che può essere ampiamente utilizzata in tutto il mondo. Le sue caratteristiche principali sono ampia copertura, connessioni multiple, velocità elevata, basso costo, basso consumo energetico e un'architettura eccellente.

Scenari applicativi: Gli scenari applicativi resi possibili dalla rete NB-IoT includono parcheggi intelligenti, sistemi antincendio intelligenti, servizi idrici intelligenti, illuminazione stradale intelligente, biciclette condivise ed elettrodomestici intelligenti.

（3）5G

La quinta generazione di tecnologia di comunicazione mobile (5G) rappresenta l'ultima generazione di tecnologia di comunicazione mobile cellulare. Gli obiettivi prestazionali del 5G sono velocità di trasmissione dati elevate, latenza ridotta, risparmio energetico, riduzione dei costi, aumento della capacità di sistema e connettività su larga scala dei dispositivi.

Scenari applicativi: realtà aumentata/virtuale, Internet dei veicoli, produzione intelligente, energia intelligente, assistenza medica wireless, intrattenimento domestico wireless, droni connessi, trasmissioni live in altissima definizione/panoramiche, assistenti personali basati sull'intelligenza artificiale e città intelligenti.

2. Long-distance non-cellular communication

（1）Wi-Fi

Grazie alla rapida diffusione dei router Wi-Fi domestici e degli smartphone negli ultimi anni, i protocolli Wi-Fi si sono ampiamente diffusi anche nel settore della domotica. Il principale vantaggio del protocollo Wi-Fi è la possibilità di accedere direttamente a Internet. Rispetto a ZigBee, le soluzioni per la casa intelligente basate su protocollo Wi-Fi eliminano la necessità di gateway aggiuntivi. Rispetto al protocollo Bluetooth, inoltre, non dipendono da dispositivi mobili come gli smartphone.

La diffusione del Wi-Fi commerciale in luoghi pubblici come i mezzi di trasporto pubblico urbano e i centri commerciali ha indubbiamente rivelato il potenziale del Wi-Fi commerciale nelle applicazioni di scenario.

（2）ZigBee

ZigBee è un protocollo di comunicazione wireless per trasmissioni a bassa velocità e a breve distanza. Si tratta di una rete di trasmissione dati wireless altamente affidabile. Le sue caratteristiche principali sono bassa velocità, basso consumo energetico, basso costo, supporto per un elevato numero di nodi online, supporto per molteplici topologie online, bassa complessità, velocità, affidabilità e sicurezza. La tecnologia ZigBee è una tecnologia relativamente nuova, apparsa di recente. Si basa principalmente su reti wireless per la trasmissione. Consente connessioni wireless a breve distanza ed è una tecnologia di comunicazione di rete wireless.

I vantaggi intrinseci della tecnologia ZigBee l'hanno gradualmente resa una tecnologia di riferimento nel settore dell'Internet delle cose, ed è stata ampiamente utilizzata nell'industria, nell'agricoltura, nelle case intelligenti e in altri campi.

（3）LoRa

LoRa (LongRange, lungo raggio) è una tecnologia di modulazione che offre distanze di comunicazione maggiori rispetto a tecnologie simili. Gateway LoRa, sensori di fumo, monitoraggio dell'acqua, rilevamento a infrarossi, posizionamento, prese multiple e altri prodotti IoT di largo impiego trovano applicazione in LoRa. Essendo una tecnologia wireless a banda stretta, LoRa utilizza la differenza di tempo di arrivo per realizzare la geolocalizzazione. Scenari applicativi del posizionamento LoRa: smart city e monitoraggio del traffico, misurazione e logistica, monitoraggio del posizionamento in agricoltura.

3. Near field communication

（1）RFID

RFID è l'acronimo di Radio Frequency Identification (Identificazione a Radiofrequenza). Il principio si basa sulla comunicazione dati senza contatto tra il lettore e il tag per identificare l'oggetto da identificare. La tecnologia RFID è ampiamente utilizzata. Le applicazioni tipiche includono microchip per animali, allarmi per auto, controllo accessi, gestione parcheggi, automazione di linee di produzione e gestione dei materiali. Un sistema RFID completo è composto da tre parti: lettore, tag elettronico e sistema di gestione dati.

（2）NFC

The Chinese full name of NFC is near field communication technology. NFC is developed based on contactless radio frequency identification (RFID) technology and combined with wireless interconnection technology. It provides a very safe and fast communication method for various electronic products that are increasingly popular in our daily lives. The "near field" in the Chinese name of NFC refers to radio waves near the electromagnetic field.

Application scenarios: used in access control, attendance, visitors, meeting check-in, patrol and other fields. NFC has functions such as human-computer interaction and machine-to-machine interaction.

(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.

Bluetooth can conduct wireless information exchange between many devices including mobile phones, PDAs, wireless headsets, laptops, related peripherals, etc. The use of "Bluetooth" technology can effectively simplify the communication between mobile communication terminal devices, and can also successfully simplify the communication between the device and the Internet, so that data transmission becomes faster and more efficient, broadening the path for wireless communication.


4. Comunicazione cablata

(1) USB

USB, acronimo di Universal Serial Bus, è uno standard di bus esterno utilizzato per standardizzare la connessione e la comunicazione tra computer e dispositivi esterni. Si tratta di una tecnologia di interfaccia applicata nel settore dei PC.

(2) Protocollo di comunicazione seriale

Il protocollo di comunicazione seriale si riferisce alle specifiche che definiscono il contenuto del pacchetto dati, inclusi il bit di inizio, i dati principali, il bit di controllo e il bit di stop. Entrambe le parti devono concordare un formato coerente per il pacchetto dati affinché l'invio e la ricezione dei dati avvengano correttamente. Nella comunicazione seriale, i protocolli più comunemente utilizzati includono RS-232, RS-422 e RS-485.

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) Ethernet

Ethernet è una tecnologia di rete locale per computer. Lo standard IEEE 802.3 dell'organizzazione IEEE definisce lo standard tecnico di Ethernet, specificandone il contenuto, inclusi il cablaggio del livello fisico, i segnali elettronici e i protocolli del livello di accesso al mezzo.

（4）MBus

Il sistema di lettura remota dei contatori MBus (symphonic mbus) è uno standard europeo a 2 fili, utilizzato principalmente per strumenti di misurazione dei consumi come contatori di calore e contatori dell'acqua.

2. Livello di rete e protocollo di trasmissione

1、IPv4

Internet Communications Protocol Version 4 is the fourth revision in the development process of the Internet Protocol and the first widely deployed version of this protocol. IPv4 is the core of the Internet and the most widely used version of the Internet Protocol.

2、IPv6

Il protocollo Internet versione 6 (IPv6) è stato introdotto perché il problema principale di IPv4 è la limitata disponibilità di indirizzi di rete, che limita seriamente l'applicazione e lo sviluppo di Internet. L'utilizzo di IPv6 non solo risolve il problema della scarsità di indirizzi di rete, ma elimina anche gli ostacoli che impediscono a più dispositivi di connettersi a Internet.

3、TCP

Il Transmission Control Protocol (TCP) è un protocollo di comunicazione a livello di trasporto, orientato alla connessione, affidabile e basato su flussi di byte. Il TCP è progettato per supportare una gerarchia di protocolli a livelli che favorisce molteplici applicazioni di rete. Il TCP è fondamentale per fornire servizi di comunicazione affidabili tra coppie di processi in un computer host connesso a reti di comunicazione diverse ma interconnesse. Il TCP presuppone di poter ottenere servizi di datagrammi semplici, e potenzialmente inaffidabili, da protocolli di livello inferiore.

4、6LoWPAN

6LoWPAN è uno standard di rete personale wireless a bassa velocità basato su IPv6, ovvero IPv6 su IEEE 802.15.4.

3. Protocollo del livello applicativo

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).

In molti casi, anche in ambienti con risorse limitate come le comunicazioni machine-to-machine (M2M) e l'Internet delle cose (IoT), è stato ampiamente utilizzato nei sensori di comunicazione tramite collegamenti satellitari, nelle apparecchiature mediche per la composizione occasionale dei numeri, nelle case intelligenti e in alcuni dispositivi miniaturizzati.

2、CoAP协议

CoAP (Constrained Application Protocol) è un protocollo simile al Web, utilizzato nell'ambito dell'Internet delle Cose. È adatto per piccoli sensori a basso consumo, interruttori, valvole e componenti simili che necessitano di essere controllati o monitorati da remoto tramite una rete Internet standard. Il server non deve essere in grado di gestire tipologie di dispositivi non supportate.

3. Supporto REST/HTTP

RESTful è uno stile di architettura software basato sulle risorse. La cosiddetta risorsa è un'entità presente in rete, o una specifica informazione presente in rete. Un'immagine o una canzone sono esempi di risorse. Un'API RESTful è un'implementazione basata sul protocollo HTTP (HTTP è un protocollo a livello applicativo, semplice e veloce).

Le applicazioni o i progetti che soddisfano le specifiche REST sono RESTful, e le API progettate secondo le specifiche REST sono chiamate API RESTful.

4. Protocollo DDS

DDS (Data Distribution Service) è un protocollo middleware per la distribuzione distribuita di dati in tempo reale. È il "TCP/IP" delle reti distribuite in tempo reale. Viene utilizzato per risolvere i problemi di interconnessione dei protocolli di rete nelle reti in tempo reale. La sua funzione è equivalente a quella di un "bus sul bus".

5、AMQP协议

AMQP, o Advanced Message Queuing Protocol, è uno standard a livello applicativo per la gestione di code di messaggi, che fornisce servizi di messaggistica unificati. Si tratta di uno standard aperto per i protocolli a livello applicativo ed è progettato per middleware orientati ai messaggi. I client e i middleware di messaggistica basati su questo protocollo possono trasmettere messaggi senza essere limitati da diversi prodotti client/middleware, diversi linguaggi di sviluppo, ecc. Tra le implementazioni in Erlang si annoverano RabbitMQ, ecc.

6、XMPP议

XMPP è un protocollo basato su XML, un sottoinsieme dello Standard Universal Markup Language, che eredita la flessibilità necessaria per lo sviluppo in un ambiente XML. Pertanto, le applicazioni basate su XMPP sono altamente scalabili. Dopo essere stato esteso, XMPP può gestire le esigenze degli utenti inviando informazioni aggiuntive, e su di esso possono essere sviluppate applicazioni come sistemi di pubblicazione di contenuti e servizi basati su indirizzi.

4. Confronto di alcuni protocolli di comunicazione

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.

In secondo luogo, la durata della batteria. I moduli LoRa presentano caratteristiche uniche nella gestione delle interferenze, della sovrapposizione di rete, della scalabilità, ecc., ma non possono fornire la stessa qualità del servizio dei protocolli cellulari. A causa di considerazioni relative alla qualità del servizio, NB-IoT non può offrire la stessa durata della batteria di LoRa.

In terzo luogo, i costi delle apparecchiature. Per i nodi finali, il protocollo LoRa è più semplice di NB-IoT, più facile da sviluppare e più applicabile e compatibile con i microprocessori. Allo stesso tempo, sul mercato sono già disponibili moduli LoRa a basso costo e con una tecnologia relativamente matura, e verranno rilasciate versioni aggiornate una dopo l'altra.

In quarto luogo, la copertura di rete e la tempistica di implementazione. Lo standard NB-IoT è stato annunciato nel 2016. Oltre all'implementazione della rete, la corrispondente commercializzazione e la creazione della filiera industriale richiederanno più tempo e maggiori sforzi. L'intera filiera industriale di LoRa è relativamente matura e i suoi prodotti sono "pronti per il lancio". Allo stesso tempo, molti paesi in tutto il mondo stanno realizzando o hanno già completato l'implementazione di reti a livello nazionale.

2. Comparison of Bluetooth, WiFi and ZigBee protocols

Attualmente, il vantaggio del Wi-Fi risiede nella sua ampia diffusione e nella sua capacità di essere presente in migliaia di abitazioni; il vantaggio di ZigBee è il basso consumo energetico e la rete auto-organizzante; il vantaggio della tecnologia di comunicazione wireless senza portante UWB è la velocità di trasmissione; il vantaggio del Bluetooth è la semplicità di connessione in rete. Tuttavia, anche queste tre tecnologie presentano dei limiti e nessuna di esse è in grado di soddisfare pienamente tutti i requisiti delle case intelligenti.

L'avvento della tecnologia Bluetooth ha reso possibile la comunicazione wireless a breve distanza, ma i suoi protocolli complessi, l'elevato consumo energetico e il costo elevato la rendono inadatta al controllo industriale e alle reti domestiche, che richiedono costi e consumi contenuti. In particolare, il principale ostacolo del Bluetooth è la portata di trasmissione limitata. Generalmente, la portata effettiva è di circa 10 metri. Problemi come la scarsa resistenza alle interferenze e le questioni di sicurezza delle informazioni sono inoltre i principali fattori che ne limitano l'ulteriore sviluppo e l'applicazione su larga scala.

WiFi is also a short-distance wireless transmission technology that can access wireless signals at any time. It is highly mobile and is more suitable for use in office and home environments. Of course, WiFi also has a fatal shortcoming. Since WiFi uses radio frequency technology, which sends and receives data through the air and uses radio waves to transmit data signals, it is more susceptible to external interference.

ZigBee è una tecnologia di comunicazione wireless riconosciuta a livello internazionale. Ciascuna delle sue porte di rete può accedere a oltre 65,000 dispositivi, risultando adatta all'uso in ambito domestico, industriale, agricolo e in altri settori. Al contrario, i terminali di rete Bluetooth e Wi-Fi possono accedere solo a 10 dispositivi, un numero che ovviamente non soddisfa le esigenze delle famiglie. ZigBee offre inoltre i vantaggi di un basso consumo energetico e di un costo contenuto.

3. Confronto tra il protocollo MQTT e il protocollo CoAP

MQTT è un protocollo di comunicazione molti-a-molti utilizzato per trasmettere messaggi tra diversi client attraverso un proxy intermedio, disaccoppiando produttori e consumatori e consentendo al client di pubblicare i messaggi, lasciando al proxy il compito di instradarli e copiarli. Sebbene MQTT supporti una certa persistenza, è più efficace se utilizzato come bus di comunicazione dati in tempo reale.

CoAP è principalmente un protocollo punto-punto utilizzato per trasmettere informazioni di stato tra client e server. Sebbene supporti l'osservazione delle risorse, CoAP è più adatto a un modello di trasferimento con stato e non è interamente basato sugli eventi.

Il client MQTT stabilisce una connessione TCP a lunga durata. Questo di solito significa che non ci sono problemi. Sia il client che il server CoAP inviano e ricevono pacchetti UDP. In un ambiente NAT, è possibile utilizzare il tunneling o il port forwarding per consentire il funzionamento di CoAP, oppure, come nel caso di LWM2M, il dispositivo può inizializzare prima la connessione front-end.

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.

Entrambi i protocolli presentano vantaggi e svantaggi, e la scelta di quello più adatto dipende dall'applicazione specifica.

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