モノのインターネット（IoT）通信プロトコルの包括的な分析

IoTデバイスの数が増え続けるにつれて、これらのデバイス間の通信や接続が重要な検討事項となっています。通信はIoTにおいて非常に一般的で重要です。近距離無線伝送技術であれ、モバイル通信技術であれ、IoTの発展に影響を与えます。通信において、通信プロトコルは特に重要です。これらは、通信やサービスを完了するために、両側のエンティティが従わなければならないルールと合意事項です。この記事では、さまざまなパフォーマンス、データレート、カバレッジ、電力、メモリを備えた、利用可能なIoT通信プロトコルをいくつか紹介します。それぞれに長所と短所があります。これらの通信プロトコルの中には、小型家電製品にのみ適しているものもあれば、大規模なスマートシティプロジェクトで使用できるものもあります。IoT通信プロトコルは、アクセスプロトコルと通信プロトコルの2つのカテゴリに分けられます。アクセスプロトコルは一般的にサブネット内のデバイス間のネットワークと通信を担当します。通信プロトコルは主に、従来のインターネットTCP/IPプロトコル上で動作するデバイス通信プロトコルであり、インターネットを介したデバイス間のデータ交換と通信を担当します。

1. 物理層およびデータリンク層のプロトコル

1. 長距離携帯電話通信

（１）2G/3G/4G通信プロトコルとは、それぞれ第２世代、第３世代、第４世代移動通信システムプロトコルを指します。

（2）NB-IoT

狭帯域IoT（NB-IoT）は、あらゆるもののインターネット（IoE）の重要な分野となっています。NB-IoTはセルラーネットワーク上に構築され、約180kHzの帯域幅しか消費しません。GSMネットワーク、UMTSネットワーク、LTEネットワークに直接展開できるため、導入コストを削減し、スムーズなアップグレードを実現できます。NB-IoTは、低消費電力広域カバレッジ（LPWA）IoT市場に焦点を当てており、世界中で広く利用できる新興技術です。広域カバレッジ、マルチ接続、高速性、低コスト、低消費電力、優れたアーキテクチャといった特徴を備えています。

アプリケーションシナリオ：NB-IoTネットワークによって実現されるシナリオアプリケーションには、スマートパーキング、スマート防火システム、スマート水道サービス、スマート街路灯、シェアサイクル、スマート家電などがあります。

（3）5G

第5世代移動通信技術は、最新世代の携帯電話移動通信技術です。5Gの性能目標は、高速データ通信、低遅延、省エネルギー、コスト削減、システム容量の拡大、そして大規模なデバイス接続です。

応用シナリオ：AR/VR、コネクテッドカー、スマート製造、スマートエネルギー、ワイヤレス医療、ワイヤレスホームエンターテイメント、コネクテッドドローン、超高精細/パノラマライブ放送、パーソナルAIアシスタント、スマートシティ。

2. 長距離非携帯電話通信

（1）WiFi

ここ数年、家庭用Wi-Fiルーターやスマートフォンの急速な普及に伴い、Wi-Fiプロトコルはスマートホーム分野でも広く利用されるようになりました。Wi-Fiプロトコルの最大の利点は、インターネットに直接アクセスできることです。ZigBeeと比較すると、Wi-Fiプロトコルを用いたスマートホームソリューションは追加のゲートウェイを必要としません。また、Bluetoothプロトコルと比較すると、携帯電話などのモバイル端末への依存をなくすことができます。

都市部の公共交通機関やショッピングモールなどの公共の場所における商用Wi-Fiの普及は、間違いなく、様々な場面における商用Wi-Fiの可能性を明らかにした。

（2）ジグビー

ZigBeeは、低速かつ短距離伝送用の無線通信プロトコルです。信頼性の高い無線データ伝送ネットワークです。主な特徴は、低速、低消費電力、低コスト、多数のオンラインノードのサポート、複数のオンライントポロジーのサポート、低複雑性、高速、信頼性、安全性です。ZigBee技術は最近登場した新しい技術です。主に無線ネットワークを使用して伝送します。短距離での無線接続が可能で、無線ネットワーク通信技術です。

ZigBee技術が持つ本来の利点により、IoT（モノのインターネット）業界において徐々に主流技術となり、産業、農業、スマートホームなどの分野で幅広く利用されるようになった。

（3）ローラ

LoRa（LongRange、ロングレンジ）は、類似技術よりも長距離の通信を可能にする変調技術です。LoRaは、ゲートウェイ、煙センサー、水質監視、赤外線検知、測位、電源タップなど、IoT製品に幅広く利用されています。狭帯域無線技術であるLoRaは、到着時間の差を利用して位置情報を取得します。LoRa測位の応用例としては、スマートシティや交通監視、計測・物流、農業測位監視などが挙げられます。

3. 近距離無線通信

（1）RFID

RFIDは無線周波数識別（Radio Frequency Identification）の略です。その原理は、リーダーとタグ間の非接触データ通信によって対象物を識別することです。RFIDは広く利用されており、代表的な用途としては、動物用マイクロチップ、自動車用チップアラーム、入退室管理、駐車場管理、生産ライン自動化、資材管理などが挙げられます。RFIDシステムは、リーダー（Reader）、電子タグ（Tag）、データ管理システムの3つの部分から構成されます。

（2）NFC

NFCの中国語正式名称は近距離無線通信技術です。NFCは、非接触型無線周波数識別（RFID）技術をベースに、無線相互接続技術を組み合わせたものです。日常生活でますます普及している様々な電子機器に、非常に安全で高速な通信方法を提供します。中国語名称の「近距離」とは、電磁場に近い電波を指します。

応用例：入退室管理、勤怠管理、来訪者管理、会議受付、巡回など、様々な分野で利用されています。NFCは、人間とコンピュータのインタラクションや機械同士のインタラクションといった機能を備えています。

（3）ブルートゥース

Bluetooth技術は、無線データ通信および音声通信のためのオープンなグローバル規格です。これは、低コストの近距離無線接続に基づいて固定機器とモバイル機器間の通信環境を構築する、特殊な近距離無線接続技術です。

Bluetoothは、携帯電話、PDA、ワイヤレスヘッドセット、ノートパソコン、関連周辺機器など、多くのデバイス間で無線による情報交換を行うことができます。「Bluetooth」技術を利用することで、モバイル通信端末間の通信を効果的に簡素化できるだけでなく、デバイスとインターネット間の通信も簡素化できるため、データ伝送がより高速かつ効率的になり、無線通信の可能性が広がります。


4. 有線通信

（1）USB

USB（Universal Serial Busの略）は、コンピュータと外部機器間の接続および通信を標準化するために使用される外部バス規格です。PC分野で応用されているインターフェース技術です。

（2）シリアル通信プロトコル

シリアル通信プロトコルとは、スタートビット、メインデータ、チェックビット、ストップビットなど、データパケットの内容を規定する関連仕様のことです。データの送受信を正常に行うには、両者が一貫したデータパケット形式に合意する必要があります。シリアル通信で一般的に使用されるプロトコルには、RS-232、RS-422、RS-485などがあります。

シリアル通信とは、周辺機器とコンピュータ間でデータラインを介してデータをビット単位で伝送する通信方式のことです。この方式は使用するデータラインが少なく、長距離通信における通信コストを削減できますが、伝送速度はパラレル伝送よりも遅くなります。ほとんどのコンピュータ（ノートパソコンを除く）には、2つのRS-232シリアルポートが搭載されています。シリアル通信は、計測機器や装置における通信プロトコルとしても広く用いられています。

（3）イーサネット

イーサネットは、コンピュータのローカルエリアネットワーク技術です。IEEE（米国電気電子学会）のIEEE 802.3規格は、イーサネットの技術標準を定めており、物理層配線、電子信号、メディアアクセス層プロトコルなどの内容を規定しています。

（4）MBus

MBus遠隔検針システム（シンフォニックMBus）は、欧州規格の2線式バスであり、主に熱量計や水道メーターなどの消費量計測機器に使用されます。

2. ネットワーク層と伝送プロトコル

1、IPv4

インターネット通信プロトコルバージョン4（IPv4）は、インターネットプロトコルの開発プロセスにおける4番目の改訂版であり、このプロトコルの中で初めて広く普及したバージョンです。IPv4はインターネットの中核であり、インターネットプロトコルの中で最も広く使用されているバージョンです。

2、IPv6

インターネットプロトコルバージョン6（IPv6）は、IPv4の最大の問題点であるネットワークアドレスリソースの制限が、インターネットの応用と発展を著しく阻害していたため、採用されました。IPv6を使用することで、ネットワークアドレスリソースの数の問題を解決するだけでなく、複数のアクセスデバイスがインターネットに接続する際の障害も解消できます。

3、TCP

伝送制御プロトコル（TCP）は、コネクション指向で信頼性の高い、バイトストリームベースのトランスポート層通信プロトコルです。TCPは、複数のネットワークアプリケーションをサポートする階層型プロトコルに対応するように設計されています。TCPは、異なるものの相互接続されたコンピュータ通信ネットワークに接続されたホストコンピュータ内のプロセス間で、信頼性の高い通信サービスを提供するために利用されます。TCPは、下位レベルのプロトコルから、単純で信頼性に欠ける可能性のあるデータグラムサービスを取得できることを前提としています。

4、6LoWPAN

6LoWPANは、IPv6、具体的にはIEEE 802.15.4上のIPv6に基づいた低速無線パーソナルエリアネットワーク規格です。

3. アプリケーション層プロトコル

1、MQTT プログラミング

MQTT（Message Queue Telemetry Transport）は、テレメトリ伝送プロトコルです。主にサブスクリプション/パブリッシングの2つのメッセージモードを提供します。シンプルで軽量、使いやすいのが特長です。特に、帯域幅が限られている環境（低帯域幅、高ネットワーク遅延、不安定なネットワーク通信）でのメッセージ配信に適しています。モノのインターネット（IoT）における標準的な伝送プロトコルです。

多くの場合、M2M（マシンツーマシン）通信やIoT（モノのインターネット）といった制約のある環境を含め、衛星リンクを介した通信センサー、時折ダイヤル発信を行う医療機器、スマートホーム、および一部の小型デバイスなどで広く利用されています。

2、CoAP プログラミング

CoAP（Constrained Application Protocol）は、モノのインターネット（IoT）の世界におけるWebライクなプロトコルです。標準的なインターネットネットワークを介して遠隔制御または監視する必要のある、小型で低消費電力のセンサー、スイッチ、バルブなどのコンポーネントに適しています。サーバーは、サポートされていないタイプのデータに応答する必要はありません。

3、REST/HTTPプロトコル

RESTfulは、リソースベースのソフトウェアアーキテクチャスタイルです。いわゆるリソースとは、ネットワーク上のエンティティ、またはネットワーク上の特定の情報のことです。画像や音楽もリソースです。RESTful APIは、HTTPプロトコルに基づいた実装です。（HTTPは、シンプルで高速なアプリケーション層プロトコルです。）

REST仕様を満たすアプリケーションや設計はRESTfulであり、REST仕様に従って設計されたAPIはRESTful APIと呼ばれます。

4. DDSプロトコル

DDS（データ配信サービス）は、分散型リアルタイムデータ配信サービスのミドルウェアプロトコルです。分散型リアルタイムネットワークにおける「TCP/IP」のような役割を果たします。リアルタイムネットワークにおけるネットワークプロトコルの相互接続問題を解決するために使用され、その機能は「バス上のバス」に相当します。

5、AMQP プログラミング

AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）は、統合メッセージングサービスを提供するアプリケーション層標準の高度なメッセージキューイングプロトコルです。アプリケーション層プロトコルのオープンスタンダードであり、メッセージ指向ミドルウェア向けに設計されています。このプロトコルに基づくクライアントとメッセージミドルウェアはメッセージを送信でき、異なるクライアント/ミドルウェア製品、異なる開発言語などに制約されません。Erlangでの実装には、RabbitMQなどがあります。

6、XMPP プログラミング

XMPPは、標準ユニバーサルマークアップ言語（USML）のサブセットであるXMLをベースとしたプロトコルであり、XML環境での開発における柔軟性を継承しています。そのため、XMPPベースのアプリケーションは高い拡張性を備えています。拡張されたXMPPは、拡張情報を送信することでユーザーのニーズに対応でき、コンテンツ配信システムやアドレスベースのサービスといったアプリケーションをXMPP上に構築することが可能です。

4．いくつかの通信プロトコルの比較

1. NB-IoTプロトコルとLoRaプロトコルの比較

まず、周波数帯域について。LoRaは1GHz以下の免許不要の周波数帯域で動作し、申請に追加料金はかかりません。NB-IoTやセルラー通信は1GHz以下の周波数帯域を使用しますが、これらは2113によって認可されており、料金が発生します。

第二に、バッテリー寿命についてです。LoRaモジュールは、干渉処理、ネットワーク重複、拡張性などにおいて独自の特性を備えていますが、セルラープロトコルと同等のサービス品質を提供することはできません。サービス品質を考慮すると、NB-IoTはLoRaと同等のバッテリー寿命を実現することはできません。

第三に、機器コストです。エンドノードに関しては、LoRaプロトコルはNB-IoTよりもシンプルで、開発が容易であり、マイクロプロセッサとの互換性も高いという利点があります。同時に、低コストで比較的成熟した技術のLoRaモジュールが既に市場に出回っており、アップグレード版も次々とリリースされる予定です。

第四に、ネットワークのカバレッジと展開スケジュールについて。NB-IoT規格は2016年に発表されました。ネットワーク展開に加え、それに伴う商用化や産業チェーンの構築には、より長い時間と労力を要するでしょう。LoRaの産業チェーン全体は比較的成熟しており、製品は「発売準備完了」の状態です。同時に、世界中の多くの国で全国規模のネットワーク展開が進行中、あるいは既に完了しています。

2. Bluetooth、WiFi、ZigBeeプロトコルの比較

現在、WiFiの利点は広く普及しており、数千世帯で利用されている点です。ZigBeeの利点は低消費電力と自己組織化ネットワークです。UWBキャリアレス無線通信技術の利点は伝送速度です。Bluetoothの利点はネットワーク接続が簡単な点です。しかし、これら3つの技術にはそれぞれ欠点があり、スマートホームのすべての要件を完全に満たす技術は存在しません。

Bluetooth技術の登場により近距離無線通信は可能になったものの、その複雑なプロトコル、高い消費電力、そして高コストは、低コストと低消費電力が求められる産業制御や家庭用ネットワークには適していない。特に、Bluetoothの最大の障害は伝送範囲の制限である。一般的に、有効範囲は約10メートルに過ぎない。耐干渉性の弱さや情報セキュリティの問題なども、Bluetoothのさらなる発展と大規模な応用を阻む主な要因となっている。

WiFiもまた、いつでも無線信号にアクセスできる近距離無線伝送技術です。高い携帯性を持ち、オフィスや家庭環境での使用に最適です。もちろん、WiFiにも致命的な欠点があります。WiFiは無線周波数技術を使用し、データを空中で送受信し、電波を使ってデータ信号を送信するため、外部からの干渉を受けやすいのです。

ZigBeeは国際的に認められた無線通信技術です。各ネットワークポートは最大65,000以上のポートにアクセスでき、家庭、産業、農業など幅広い分野での利用に適しています。一方、BluetoothやWiFiのネットワーク端末は10ポートしかアクセスできないため、家庭のニーズを満たすことは明らかに困難です。ZigBeeは低消費電力と低コストという利点も備えています。

3. MQTTプロトコルとCoAPプロトコルの比較

MQTTは、中間プロキシを介して異なるクライアント間でメッセージを送信するために使用される多対多の通信プロトコルです。これにより、プロデューサーとコンシューマーが分離され、クライアントはメッセージを公開し、プロキシがルーティングとコピーを決定できるようになります。MQTTはある程度の永続性をサポートしていますが、リアルタイムデータ通信バスとして使用するのが最適です。

CoAPは、主にクライアントとサーバー間でステートフルな情報を伝送するために使用されるポイントツーポイントプロトコルです。リソースの監視はサポートされていますが、CoAPはステートフルな転送モデルに最適であり、完全にイベントベースではありません。

MQTTクライアントは、長期間持続するTCP接続を確立します。これは通常、問題がないことを意味します。CoAPクライアントとサーバーの両方がUDPパケットを送受信します。NAT環境では、トンネル接続またはポートフォワーディングを使用してCoAPを許可できます。あるいは、LWM2Mのように、デバイスが最初にフロントエンド接続を初期化する場合もあります。

MQTTは、クライアントがメッセージを理解するのに役立つメッセージタイプタグやその他のメタデータをサポートしていません。MQTTメッセージはあらゆる目的に使用できますが、通信を可能にするには、すべてのクライアントが上位データ形式を知っている必要があります。一方、CoAPはコンテンツのネゴシエーションと検出を組み込みでサポートしており、デバイスが互いを検出してデータ交換の方法を見つけることができるようになっています。

どちらのプロトコルにも長所と短所があり、どちらを選ぶかは用途によって異なります。

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