Analisis penuh protokol komunikasi Internet of Things

Memandangkan bilangan peranti IoT terus meningkat, komunikasi atau sambungan antara peranti ini telah menjadi topik pemikiran yang penting. Komunikasi adalah sangat biasa dan kritikal kepada Internet of Things. Sama ada teknologi penghantaran tanpa wayar jarak dekat atau teknologi komunikasi mudah alih, ia mempengaruhi perkembangan Internet of Things. Dalam komunikasi, protokol komunikasi amat penting. Ia adalah peraturan dan perjanjian yang mesti dipatuhi oleh entiti di kedua-dua belah pihak untuk menyelesaikan komunikasi atau perkhidmatan. Artikel ini memperkenalkan beberapa protokol komunikasi IoT yang tersedia dengan prestasi, kadar data, liputan, kuasa dan memori yang berbeza, dan setiap satunya mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri. Sebahagian daripada protokol komunikasi ini hanya sesuai untuk peralatan rumah kecil, manakala yang lain boleh digunakan dalam projek bandar pintar berskala besar. Protokol komunikasi Internet of Things dibahagikan kepada dua kategori, satu ialah protokol akses dan yang satu lagi ialah protokol komunikasi. Protokol akses secara amnya bertanggungjawab untuk rangkaian dan komunikasi antara peranti dalam subnet; protokol komunikasi terutamanya merupakan protokol komunikasi peranti yang berjalan pada protokol TCP/IP Internet tradisional dan bertanggungjawab untuk pertukaran data dan komunikasi antara peranti melalui Internet.

1. Protokol lapisan fizikal dan lapisan pautan data

1. Komunikasi selular jarak jauh

(1) Protokol komunikasi 2G/3G/4G merujuk kepada protokol sistem komunikasi mudah alih generasi kedua, ketiga dan keempat masing-masing.

（2）NB-IoT

Internet Pelbagai Benda Jalur Sempit (NB-IoT) telah menjadi cabang penting dalam Internet Pelbagai Benda. NB-IoT dibina di atas rangkaian selular dan hanya menggunakan lebar jalur kira-kira 180kHz. Ia boleh digunakan secara langsung pada rangkaian GSM, rangkaian UMTS atau rangkaian LTE untuk mengurangkan kos penggunaan dan mencapai peningkatan yang lancar. NB-IoT memberi tumpuan kepada pasaran Internet Pelbagai Benda (IoT) Liputan Lebar Kuasa Rendah (LPWA) dan merupakan teknologi baru muncul yang boleh digunakan secara meluas di seluruh dunia. Ia mempunyai ciri-ciri liputan luas, pelbagai sambungan, kelajuan pantas, kos rendah, penggunaan kuasa rendah dan seni bina yang sangat baik.

Senario aplikasi: Aplikasi senario yang dibawa oleh rangkaian NB-IoT termasuk tempat letak kereta pintar, perlindungan kebakaran pintar, perkhidmatan air pintar, lampu jalan pintar, basikal kongsi dan peralatan rumah pintar.

（3）5G

Teknologi komunikasi mudah alih generasi kelima merupakan generasi terkini teknologi komunikasi mudah alih selular. Matlamat prestasi 5G adalah kadar data yang tinggi, pengurangan latensi, penjimatan tenaga, pengurangan kos, peningkatan kapasiti sistem dan sambungan peranti berskala besar.

Senario aplikasi: AR/VR, Internet Kenderaan, pembuatan pintar, tenaga pintar, penjagaan perubatan tanpa wayar, hiburan rumah tanpa wayar, dron terhubung, siaran langsung definisi ultra tinggi/panoramik, bantuan AI peribadi dan bandar pintar.

2. Komunikasi bukan selular jarak jauh

（1）WiFi

Disebabkan populariti penghala WiFi rumah dan telefon pintar yang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, protokol WiFi juga telah digunakan secara meluas dalam bidang rumah pintar. Kelebihan terbesar protokol WiFi ialah ia boleh mengakses Internet secara langsung. Berbanding dengan ZigBee, penyelesaian rumah pintar yang menggunakan protokol Wifi menghapuskan keperluan untuk gerbang tambahan. Berbanding dengan protokol Bluetooth, ia menghapuskan pergantungan pada terminal mudah alih seperti telefon bimbit.

Liputan WiFi komersial di tempat awam seperti pengangkutan awam bandar dan pusat membeli-belah tidak syak lagi mendedahkan potensi WiFi komersial dalam aplikasi tempat kejadian.

（2）ZigBee

ZigBee ialah protokol komunikasi tanpa wayar untuk penghantaran berkelajuan rendah dan jarak dekat. Ia merupakan rangkaian penghantaran data tanpa wayar yang sangat andal. Ciri-ciri utamanya ialah kelajuan rendah, penggunaan kuasa yang rendah, kos rendah, sokongan untuk sebilangan besar nod dalam talian, sokongan untuk pelbagai topologi dalam talian, kerumitan yang rendah, pantas, andal dan selamat. Teknologi ZigBee ialah teknologi baharu yang muncul baru-baru ini. Ia bergantung terutamanya pada rangkaian tanpa wayar untuk penghantaran. Ia boleh menjalankan sambungan tanpa wayar pada jarak dekat dan merupakan teknologi komunikasi rangkaian tanpa wayar.

Kelebihan teknologi ZigBee yang sedia ada secara beransur-ansur menjadikannya teknologi arus perdana dalam industri Internet of Things, dan telah digunakan secara meluas dalam industri, pertanian, rumah pintar dan bidang lain.

（3）LoRa

LoRa? (LongRange, jarak jauh) ialah teknologi modulasi yang menyediakan jarak komunikasi yang lebih jauh daripada teknologi yang serupa. Gerbang LoRa, sensor asap, pemantauan air, pengesanan inframerah, kedudukan, jalur kuasa dan produk IoT lain yang digunakan secara meluas. Sebagai teknologi tanpa wayar jalur sempit, LoRa menggunakan perbezaan masa ketibaan untuk mencapai geolokasi. Senario aplikasi kedudukan LoRa: pemantauan bandar pintar dan trafik, pemeteran dan logistik, pemantauan kedudukan pertanian.

3. Komunikasi medan dekat

（1）RFID

RFID ialah singkatan bagi Pengenalan Frekuensi Radio. Prinsipnya ialah komunikasi data tanpa sentuh antara pembaca dan tag untuk mencapai tujuan mengenal pasti sasaran. RFID digunakan secara meluas. Aplikasi tipikal termasuk cip haiwan, penggera cip kereta, kawalan akses, kawalan tempat letak kereta, automasi barisan pengeluaran dan pengurusan bahan. Sistem RFID yang lengkap terdiri daripada tiga bahagian: pembaca (Reader), tag elektronik (Tag) dan sistem pengurusan data.

（2）NFC

Nama penuh NFC dalam bahasa Cina ialah teknologi komunikasi medan dekat. NFC dibangunkan berdasarkan teknologi pengenalpastian frekuensi radio (RFID) tanpa sentuh dan digabungkan dengan teknologi sambungan tanpa wayar. Ia menyediakan kaedah komunikasi yang sangat selamat dan pantas untuk pelbagai produk elektronik yang semakin popular dalam kehidupan seharian kita. "Medan dekat" dalam nama Cina NFC merujuk kepada gelombang radio berhampiran medan elektromagnet.

Senario aplikasi: digunakan dalam kawalan akses, kehadiran, pelawat, daftar masuk mesyuarat, rondaan dan bidang lain. NFC mempunyai fungsi seperti interaksi manusia-komputer dan interaksi mesin-ke-mesin.

（3）Bluetooth

Teknologi Bluetooth ialah spesifikasi global terbuka untuk data tanpa wayar dan komunikasi suara. Ia merupakan sambungan teknologi tanpa wayar jarak dekat khas yang mewujudkan persekitaran komunikasi untuk peranti tetap dan mudah alih berdasarkan sambungan tanpa wayar jarak dekat berkos rendah.

Bluetooth boleh menjalankan pertukaran maklumat tanpa wayar antara pelbagai peranti termasuk telefon bimbit, PDA, alat dengar tanpa wayar, komputer riba, peranti berkaitan, dan sebagainya. Penggunaan teknologi "Bluetooth" dapat memudahkan komunikasi antara peranti terminal komunikasi mudah alih dengan berkesan, dan juga dapat memudahkan komunikasi antara peranti dan Internet dengan jayanya, supaya penghantaran data menjadi lebih pantas dan cekap, sekali gus meluaskan laluan untuk komunikasi tanpa wayar.


4. Komunikasi berwayar

（1）USB

USB, singkatan bagi Universal Serial Bus dalam bahasa Inggeris, ialah piawai bas luaran yang digunakan untuk menyeragamkan sambungan dan komunikasi antara komputer dan peranti luaran. Ia merupakan teknologi antara muka yang digunakan dalam medan PC.

(2) Protokol komunikasi bersiri

Protokol komunikasi bersiri merujuk kepada spesifikasi berkaitan yang menetapkan kandungan paket data, yang merangkumi bit mula, data utama, bit semak dan bit henti. Kedua-dua pihak perlu bersetuju dengan format paket data yang konsisten untuk menghantar dan menerima data secara normal. Dalam komunikasi bersiri, protokol yang biasa digunakan termasuk RS-232, RS-422 dan RS-485.

Komunikasi bersiri merujuk kepada kaedah komunikasi yang menghantar data sedikit demi sedikit melalui talian data antara peranti persisian dan komputer. Kaedah komunikasi ini menggunakan lebih sedikit talian data dan dapat menjimatkan kos komunikasi dalam komunikasi jarak jauh, tetapi kelajuan penghantarannya lebih rendah daripada penghantaran selari. Kebanyakan komputer (tidak termasuk komputer riba) mengandungi dua port bersiri RS-232. Komunikasi bersiri juga merupakan protokol komunikasi yang biasa digunakan untuk instrumentasi dan peralatan.

(3) Ethernet

Ethernet ialah teknologi rangkaian kawasan setempat komputer. Piawaian IEEE 802.3 organisasi IEEE merumuskan piawaian teknikal Ethernet, yang menentukan kandungan termasuk pendawaian lapisan fizikal, isyarat elektronik dan protokol lapisan akses media.

（4）MBus

Sistem bacaan meter jauh MBus (mbus simfoni) ialah bas 2-wayar standard Eropah, terutamanya digunakan untuk instrumen pengukur penggunaan seperti meter haba dan meter air.

2. Lapisan rangkaian dan protokol penghantaran

1, IPv4

Protokol Komunikasi Internet Versi 4 merupakan semakan keempat dalam proses pembangunan Protokol Internet dan versi pertama protokol ini yang digunakan secara meluas. IPv4 merupakan teras Internet dan versi Protokol Internet yang paling banyak digunakan.

2, IPv6

Protokol Internet versi 6, kerana masalah terbesar IPv4 ialah sumber alamat rangkaian yang terhad, yang menyekat aplikasi dan pembangunan Internet dengan serius. Penggunaan IPv6 bukan sahaja menyelesaikan masalah bilangan sumber alamat rangkaian, tetapi juga menyelesaikan halangan untuk peranti berbilang akses untuk bersambung ke Internet.

3、TCP

Protokol Kawalan Penghantaran (TCP) ialah protokol komunikasi lapisan pengangkutan berasaskan aliran bait yang berorientasikan sambungan, andal, dan boleh dipercayai. TCP direka bentuk untuk menampung hierarki protokol berlapis yang menyokong pelbagai aplikasi rangkaian. TCP diandalkan untuk menyediakan perkhidmatan komunikasi yang andal antara pasangan proses dalam komputer hos yang disambungkan ke rangkaian komunikasi komputer yang berbeza tetapi saling berkaitan. TCP menganggap bahawa ia boleh mendapatkan perkhidmatan datagram yang mudah, mungkin tidak boleh dipercayai daripada protokol peringkat bawah.

4、6LoWPAN

6LoWPAN ialah piawaian rangkaian kawasan peribadi tanpa wayar berkelajuan rendah berdasarkan IPv6, iaitu IPv6 melalui IEEE 802.15.4.

3. Protokol lapisan aplikasi

1、MQTT协议

MQTT (Pengiriman Telemetri Giliran Mesej), diterjemahkan ke dalam bahasa Cina, ialah protokol penghantaran telemetri. Ia terutamanya menyediakan dua mod mesej: langganan/penerbitan. Ia lebih ringkas, ringan dan senang digunakan. Ia amat sesuai untuk pengedaran mesej dalam persekitaran terhad (lebar jalur rendah, latensi rangkaian tinggi dan komunikasi rangkaian yang tidak stabil). Ia ialah protokol penghantaran standard untuk Internet of Things (Internet of Things).

Dalam banyak kes, termasuk dalam persekitaran terhad seperti komunikasi mesin-ke-mesin (M2M) dan Internet Pelbagai Benda (IoT). Ia telah digunakan secara meluas dalam sensor komunikasi melalui pautan satelit, peralatan perubatan untuk panggilan sekali-sekala, rumah pintar dan beberapa peranti mini.

2、CoAP协议

CoAP (Constrained Application Protocol) ialah protokol seperti Web dalam dunia Internet of Things. Ia sesuai untuk sensor berkuasa rendah kecil, suis, injap dan komponen serupa yang perlu dikawal dari jauh atau dipantau melalui rangkaian Internet standard. Pelayan tidak perlu bertindak balas terhadap jenis yang tidak disokong.

3、REST/HTTP协议

RESTful ialah gaya seni bina perisian berasaskan sumber. Apa yang dipanggil sumber ialah entiti pada rangkaian, atau maklumat tertentu pada rangkaian. Gambar atau lagu ialah sumber. API RESTful ialah pelaksanaan berdasarkan protokol HTTP. (HTTP ialah protokol lapisan aplikasi, yang mudah dan pantas).

Aplikasi atau reka bentuk yang memenuhi spesifikasi Rest adalah RESTful, dan API yang direka bentuk mengikut spesifikasi Rest dipanggil API RESTful.

4. Protokol DDS

DDS (Data Distribution Service) ialah protokol middleware perkhidmatan pengedaran data masa nyata teragih. Ia merupakan "TCP/IP" dalam rangkaian masa nyata teragih. Ia digunakan untuk menyelesaikan sambungan protokol rangkaian dalam rangkaian masa nyata. Fungsinya bersamaan dengan "bas di atas bas".

5、AMQP协议

AMQP, atau Protokol Antrian Mesej Lanjutan, ialah protokol giliran mesej lanjutan standard lapisan aplikasi yang menyediakan perkhidmatan pesanan bersepadu. Ia merupakan standard terbuka untuk protokol lapisan aplikasi dan direka bentuk untuk perisian tengah berorientasikan mesej. Klien dan perisian tengah mesej berdasarkan protokol ini boleh menghantar mesej dan tidak dihadkan oleh produk klien/perisian tengah yang berbeza, bahasa pembangunan yang berbeza, dsb. Pelaksanaan dalam Erlang termasuk RabbitMQ, dsb.

6、XMPP协议

XMPP ialah protokol berasaskan XML, subset Bahasa Penanda Universal Piawai, yang mewarisi fleksibiliti untuk dibangunkan dalam persekitaran XML. Oleh itu, aplikasi berasaskan XMPP sangat berskala. Selepas diperluaskan, XMPP boleh mengendalikan keperluan pengguna dengan menghantar maklumat lanjutan, dan aplikasi seperti sistem penerbitan kandungan dan perkhidmatan berasaskan alamat boleh dibina di atas XMPP.

4. Perbandingan beberapa protokol komunikasi

1. Perbandingan antara protokol NB-IoT dan protokol LoRa

Pertama, jalur frekuensi. LoRa berfungsi dalam jalur frekuensi tanpa lesen di bawah 1GHz dan tidak memerlukan yuran tambahan untuk aplikasi. NB-IoT dan komunikasi selular menggunakan jalur frekuensi di bawah 1GHz yang dibenarkan oleh 2113 dan memerlukan caj.

Kedua, hayat bateri. Modul LoRa mempunyai ciri-ciri unik dalam mengendalikan gangguan, pertindihan rangkaian, kebolehskalaan, dan sebagainya, tetapi tidak dapat memberikan kualiti perkhidmatan yang sama seperti protokol selular. Disebabkan oleh pertimbangan kualiti perkhidmatan, NB-IoT tidak dapat memberikan hayat bateri yang sama seperti LoRa.

Ketiga, kos peralatan. Bagi nod akhir, protokol LoRa adalah lebih ringkas daripada NB-IoT, lebih mudah dibangunkan dan lebih sesuai serta serasi dengan mikropemproses. Pada masa yang sama, modul LoRa teknologi yang agak matang dan berkos rendah sudah boleh didapati di pasaran, dan versi yang dinaik taraf akan dikeluarkan satu demi satu.

Keempat, liputan rangkaian dan jadual penggunaan. Piawaian NB-IoT telah diumumkan pada tahun 2016. Selain penggunaan rangkaian, pengkomersialan dan penubuhan rantaian industri yang sepadan akan mengambil masa yang lebih lama dan lebih banyak usaha untuk diterokai. Seluruh rantaian industri LoRa agak matang, dan produknya "sedia untuk dilancarkan". Pada masa yang sama, banyak negara di seluruh dunia sedang menjalani atau telah menyelesaikan penggunaan rangkaian di seluruh negara.

2. Perbandingan protokol Bluetooth, WiFi dan ZigBee

Pada masa ini, kelebihan WiFi ialah ia digunakan secara meluas dan telah dipopularkan dalam beribu-ribu isi rumah; kelebihan ZigBee ialah penggunaan kuasa yang rendah dan rangkaian yang boleh diatur sendiri; kelebihan teknologi komunikasi tanpa wayar tanpa pembawa UWB ialah kadar penghantaran; kelebihan Bluetooth ialah rangkaian yang mudah. ​​Walau bagaimanapun, ketiga-tiga teknologi ini juga mempunyai kekurangannya sendiri, dan tiada teknologi yang dapat memenuhi sepenuhnya semua keperluan rumah pintar.

Kemunculan teknologi Bluetooth membolehkan komunikasi tanpa wayar jarak dekat, tetapi protokolnya yang kompleks, penggunaan kuasa yang tinggi, dan kos yang tinggi tidak sesuai untuk kawalan perindustrian dan rangkaian rumah yang memerlukan kos rendah dan penggunaan kuasa yang rendah. Khususnya, halangan terbesar Bluetooth ialah julat penghantaran yang terhad. Secara amnya, julat berkesan adalah kira-kira 10 meter. Masalah seperti keupayaan anti-gangguan yang lemah dan isu keselamatan maklumat juga merupakan faktor utama yang menyekat pembangunan selanjutnya dan aplikasi berskala besar.

WiFi juga merupakan teknologi penghantaran tanpa wayar jarak dekat yang boleh mengakses isyarat tanpa wayar pada bila-bila masa. Ia sangat mudah alih dan lebih sesuai digunakan di persekitaran pejabat dan rumah. Sudah tentu, WiFi juga mempunyai kelemahan yang fatal. Memandangkan WiFi menggunakan teknologi frekuensi radio, yang menghantar dan menerima data melalui udara dan menggunakan gelombang radio untuk menghantar isyarat data, ia lebih mudah terdedah kepada gangguan luaran.

ZigBee ialah teknologi komunikasi tanpa wayar yang diterima di peringkat antarabangsa. Setiap port rangkaiannya boleh mengakses sehingga lebih 65,000 port, yang sesuai untuk kegunaan di rumah, industri, pertanian dan bidang lain. Walau bagaimanapun, terminal rangkaian Bluetooth dan WiFi hanya boleh mengakses 10 port, yang jelas tidak dapat memenuhi keperluan keluarga. ZigBee juga mempunyai kelebihan penggunaan kuasa yang rendah dan kos yang rendah.

3. Perbandingan antara protokol MQTT dan protokol CoAP

MQTT ialah protokol komunikasi banyak-ke-banyak yang digunakan untuk menghantar mesej antara klien yang berbeza melalui proksi perantaraan, memisahkan pengeluar dan pengguna, dan membenarkan klien menerbitkan dan membiarkan proksi memutuskan penghalaan dan penyalinan mesej. Walaupun MQTT menyokong beberapa kegigihan, ia paling baik digunakan sebagai bas komunikasi data masa nyata.

CoAP pada asasnya merupakan protokol titik-ke-titik yang digunakan untuk menghantar maklumat status antara klien dan pelayan. Walaupun sumber pemerhatian disokong, CoAP paling sesuai untuk model pemindahan status dan tidak sepenuhnya berasaskan peristiwa.

Klien MQTT mewujudkan sambungan TCP yang tahan lama. Ini biasanya bermakna tiada masalah. Kedua-dua klien CoAP dan pelayan menghantar dan menerima paket UDP. Dalam persekitaran NAT, penerowongan atau pemajuan port boleh digunakan untuk membenarkan CoAP, atau seperti LWM2M, peranti mungkin memulakan sambungan bahagian hadapan terlebih dahulu.

MQTT tidak menyediakan sokongan untuk tag jenis mesej atau metadata lain untuk membantu klien memahami. Mesej MQTT boleh digunakan untuk sebarang tujuan, tetapi semua klien mesti mengetahui format data menaik untuk membolehkan komunikasi. Sebaliknya, CoAP menyediakan sokongan terbina dalam untuk rundingan dan penemuan kandungan, yang membolehkan peranti mengesan antara satu sama lain untuk mencari cara untuk bertukar data.

Kedua-dua protokol mempunyai kelebihan dan kekurangan, dan memilih yang betul bergantung pada aplikasi anda.

Artikel ini diterbitkan semula daripada "Persatuan Aplikasi Teknologi Pintar Internet Pelbagai Benda Beijing", menyokong perlindungan hak harta intelek, sila nyatakan sumber asal dan pengarang semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.