Volledige analyse van communicatieprotocollen voor het Internet der Dingen

Naarmate het aantal IoT-apparaten blijft toenemen, is de communicatie of verbinding tussen deze apparaten een belangrijk aandachtspunt geworden. Communicatie is essentieel voor het Internet der Dingen. Of het nu gaat om draadloze transmissietechnologie over korte afstand of mobiele communicatietechnologie, communicatie beïnvloedt de ontwikkeling ervan. Communicatieprotocollen zijn hierbij van bijzonder belang. Dit zijn de regels en afspraken waaraan beide partijen zich moeten houden om communicatie of diensten te kunnen leveren. Dit artikel introduceert verschillende beschikbare IoT-communicatieprotocollen met uiteenlopende prestaties, datasnelheden, bereik, energieverbruik en geheugen. Elk protocol heeft zijn eigen voor- en nadelen. Sommige van deze communicatieprotocollen zijn alleen geschikt voor kleine huishoudelijke apparaten, terwijl andere kunnen worden gebruikt in grootschalige smart city-projecten. De IoT-communicatieprotocollen worden onderverdeeld in twee categorieën: toegangsprotocollen en communicatieprotocollen. Toegangsprotocollen zijn over het algemeen verantwoordelijk voor de netwerkvorming en communicatie tussen apparaten binnen een subnet; communicatieprotocollen zijn voornamelijk apparaatcommunicatieprotocollen die draaien op het traditionele TCP/IP-protocol en verantwoordelijk zijn voor de gegevensuitwisseling en communicatie tussen apparaten via internet.

1. Protocollen van de fysieke laag en de datalinklaag

1. Mobiele communicatie over lange afstand

(1) 2G/3G/4G-communicatieprotocollen verwijzen naar de protocollen van de tweede, derde en vierde generatie mobiele communicatiesystemen.

(2) NB-IoT

Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) is uitgegroeid tot een belangrijke tak van het Internet of Everything. NB-IoT is gebaseerd op een cellulair netwerk en verbruikt slechts ongeveer 180 kHz bandbreedte. Het kan direct worden ingezet op GSM-, UMTS- of LTE-netwerken, waardoor de implementatiekosten worden verlaagd en upgrades soepel verlopen. NB-IoT richt zich op de markt voor Low Power Wide Coverage (LPWA) Internet of Things (IoT) en is een opkomende technologie die wereldwijd breed inzetbaar is. Kenmerkend voor NB-IoT zijn een breed bereik, meerdere verbindingen, hoge snelheid, lage kosten, laag energieverbruik en een uitstekende architectuur.

Toepassingsscenario's: Toepassingsscenario's die mogelijk worden gemaakt door het NB-IoT-netwerk zijn onder andere slim parkeren, slimme brandbeveiliging, slimme waterdiensten, slimme straatverlichting, deelfietsen en slimme huishoudelijke apparaten.

(3) 5G

De vijfde generatie mobiele communicatietechnologie is de nieuwste generatie mobiele communicatietechnologie. De prestatiedoelen van 5G zijn hoge datasnelheden, lagere latentie, energiebesparing, kostenreductie, verhoogde systeemcapaciteit en connectiviteit op grote schaal.

Toepassingsgebieden: AR/VR, Internet of Vehicles, slimme productie, slimme energie, draadloze medische zorg, draadloos entertainment voor thuis, verbonden drones, ultra-high definition/panoramische live-uitzendingen, persoonlijke AI-assistentie en slimme steden.

2. Communicatie over lange afstand zonder gebruik van mobiele telefonie.

(1)WiFi

Door de snelle opkomst van wifi-routers en smartphones in de afgelopen jaren, worden wifi-protocollen ook veelvuldig gebruikt in slimme huizen. Het grootste voordeel van het wifi-protocol is dat het direct toegang tot internet biedt. In vergelijking met ZigBee elimineert een slimme huisoplossing met wifi de noodzaak voor extra gateways. In vergelijking met Bluetooth elimineert het de afhankelijkheid van mobiele apparaten zoals smartphones.

De dekking van commerciële wifi op openbare plaatsen zoals het openbaar vervoer in steden en winkelcentra heeft onmiskenbaar het potentieel van commerciële wifi voor toepassingen op locatie aangetoond.

(2)ZigBee

ZigBee is een draadloos communicatieprotocol voor transmissie over korte afstanden en met lage snelheid. Het is een zeer betrouwbaar draadloos datatransmissienetwerk. De belangrijkste kenmerken zijn lage snelheid, laag energieverbruik, lage kosten, ondersteuning voor een groot aantal online knooppunten, ondersteuning voor meerdere online topologieën, lage complexiteit, snelheid, betrouwbaarheid en veiligheid. ZigBee-technologie is een nieuwe technologie die recent is ontstaan. Het is voornamelijk gebaseerd op draadloze netwerken voor transmissie. Het kan draadloze verbindingen over korte afstanden tot stand brengen en is een draadloze netwerkcommunicatietechnologie.

De inherente voordelen van ZigBee-technologie hebben ervoor gezorgd dat het geleidelijk aan een gangbare technologie is geworden in de Internet of Things-industrie, en het wordt op grote schaal gebruikt in de industrie, landbouw, slimme huizen en andere sectoren.

(3)LoRa

LoRa (LongRange, long range) is een modulatietechnologie die langere communicatieafstanden mogelijk maakt dan vergelijkbare technologieën. LoRa-gateways, rookmelders, watermonitoring, infrarooddetectie, positioneringssystemen, stekkerdozen en andere veelgebruikte IoT-producten maken er gebruik van. Als smalband draadloze technologie gebruikt LoRa het tijdsverschil van aankomst om geolocatie te bepalen. Toepassingsscenario's voor LoRa-positionering: slimme steden en verkeersmonitoring, meting en logistiek, en positioneringsmonitoring in de landbouw.

3. Nabijveldcommunicatie

(1) RFID

RFID is de afkorting van Radio Frequency Identification. Het principe is contactloze datacommunicatie tussen de lezer en de tag om het doel te identificeren. RFID wordt veel gebruikt. Typische toepassingen zijn onder andere chipregistratie voor dieren, alarmsystemen met chip voor auto's, toegangscontrole, parkeerbeheer, automatisering van productielijnen en materiaalbeheer. Een compleet RFID-systeem bestaat uit drie onderdelen: een lezer (Reader), een elektronische tag (Tag) en een datamanagementsysteem.

(2) NFC

De volledige Chinese naam voor NFC is Near Field Communication Technology. NFC is ontwikkeld op basis van contactloze radiofrequentie-identificatie (RFID) en gecombineerd met draadloze interconnectietechnologie. Het biedt een zeer veilige en snelle communicatiemethode voor diverse elektronische producten die steeds vaker in ons dagelijks leven voorkomen. De term "near field" in de Chinese naam NFC verwijst naar radiogolven in de buurt van het elektromagnetische veld.

Toepassingsgebieden: gebruikt voor toegangscontrole, aanwezigheidsregistratie, bezoekersregistratie, aanmelding voor vergaderingen, bewaking en andere gebieden. NFC biedt functies zoals mens-computerinteractie en machine-naar-machine-interactie.

(3) Bluetooth

Bluetooth-technologie is een open, wereldwijde specificatie voor draadloze data- en spraakcommunicatie. Het is een speciale draadloze verbindingstechnologie voor korte afstanden die een communicatieomgeving creëert voor vaste en mobiele apparaten op basis van goedkope draadloze verbindingen over korte afstanden.

Bluetooth maakt draadloze gegevensuitwisseling mogelijk tussen veel apparaten, waaronder mobiele telefoons, PDA's, draadloze headsets, laptops en aanverwante randapparatuur. Het gebruik van Bluetooth-technologie kan de communicatie tussen mobiele apparaten aanzienlijk vereenvoudigen en ook de communicatie tussen apparaten en internet aanzienlijk verbeteren. Hierdoor wordt gegevensoverdracht sneller en efficiënter, wat de mogelijkheden voor draadloze communicatie vergroot.


4. Bekabelde communicatie

(1)USB

USB, de afkorting van Universal Serial Bus, is een externe busstandaard die wordt gebruikt om de verbinding en communicatie tussen computers en externe apparaten te standaardiseren. Het is een interfacetechnologie die wordt toegepast in de pc-wereld.

(2) Serieel communicatieprotocol

Het seriële communicatieprotocol verwijst naar de relevante specificaties die de inhoud van het datapakket bepalen, waaronder de startbit, de hoofdgegevens, de controlebit en de stopbit. Beide partijen moeten een consistent datapakketformaat overeenkomen om gegevens normaal te kunnen verzenden en ontvangen. Veelgebruikte protocollen voor seriële communicatie zijn onder andere RS-232, RS-422 en RS-485.

Seriële communicatie verwijst naar een communicatiemethode waarbij gegevens bit voor bit via datalijnen tussen randapparatuur en computers worden verzonden. Deze communicatiemethode gebruikt minder datalijnen en kan communicatiekosten besparen bij communicatie over lange afstanden, maar de transmissiesnelheid is lager dan bij parallelle transmissie. De meeste computers (met uitzondering van laptops) hebben twee RS-232 seriële poorten. Seriële communicatie is ook een veelgebruikt communicatieprotocol voor instrumenten en apparatuur.

(3) Ethernet

Ethernet is een technologie voor lokale computernetwerken. De IEEE 802.3-standaard van de IEEE-organisatie beschrijft de technische standaard van Ethernet, die de inhoud specificeert, inclusief de bekabeling van de fysieke laag, elektronische signalen en protocollen voor de media-toegangslaag.

(4)MBus

Het MBus-systeem voor het op afstand uitlezen van meters (Symphonic MBus) is een Europese standaard 2-draads bus, die hoofdzakelijk wordt gebruikt voor verbruiksmeetinstrumenten zoals warmtemeters en watermeters.

2. Netwerklaag en transmissieprotocol

1、IPv4

Internet Communications Protocol Version 4 (IPv4) is de vierde revisie in de ontwikkeling van het Internet Protocol en de eerste versie van dit protocol die op grote schaal werd gebruikt. IPv4 vormt de kern van het internet en is de meest gebruikte versie van het Internet Protocol.

2、IPv6

Internetprotocol versie 6, omdat het grootste probleem van IPv4 de beperkte beschikbaarheid van netwerkadressen is, wat de toepassing en ontwikkeling van het internet ernstig belemmert. Het gebruik van IPv6 lost niet alleen het probleem van het beperkte aantal netwerkadressen op, maar neemt ook de belemmeringen weg voor meerdere apparaten om verbinding te maken met het internet.

3、TCP

Transmission Control Protocol (TCP) is een verbindingsgericht, betrouwbaar, op bytestromen gebaseerd communicatieprotocol voor de transportlaag. TCP is ontworpen om een ​​gelaagde protocolhiërarchie te ondersteunen die meerdere netwerktoepassingen mogelijk maakt. TCP wordt gebruikt om betrouwbare communicatiediensten te leveren tussen paren processen op een hostcomputer die zijn verbonden met verschillende, maar onderling verbonden computernetwerken. TCP gaat ervan uit dat het eenvoudige, mogelijk onbetrouwbare datagramdiensten kan verkrijgen van protocollen op een lager niveau.

4、6LoWPAN

6LoWPAN is een draadloze persoonlijke netwerkstandaard met lage snelheid, gebaseerd op IPv6, oftewel IPv6 over IEEE 802.15.4.

3. Applicatielaagprotocol

1, MQTT-versie

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), oftewel telemetrietransport, is een protocol voor het verzenden van telemetriegegevens. Het biedt hoofdzakelijk twee berichtmodi: abonneren en publiceren. Het is eenvoudig, lichtgewicht en gebruiksvriendelijk. Het is met name geschikt voor berichtdistributie in omgevingen met beperkte bandbreedte, hoge netwerklatentie en instabiele netwerkcommunicatie. Het is een standaard transmissieprotocol voor het Internet der Dingen.

In veel gevallen, ook in omgevingen met beperkte middelen zoals machine-naar-machine (M2M) communicatie en het Internet der Dingen (IoT), wordt het veelvuldig gebruikt. Het is bijvoorbeeld toegepast in communicatiesensoren via satellietverbindingen, medische apparatuur voor incidentele telefoongesprekken, slimme huizen en sommige geminiaturiseerde apparaten.

2. CoAP-technologie

CoAP (Constrained Application Protocol) is een webachtig protocol voor het Internet der Dingen. Het is geschikt voor kleine, energiezuinige sensoren, schakelaars, kleppen en soortgelijke componenten die op afstand moeten worden aangestuurd of bewaakt via een standaard internetnetwerk. De server hoeft geen rekening te houden met niet-ondersteunde typen.

3、REST/HTTP-versie

RESTful is een op resources gebaseerde softwarearchitectuurstijl. Een resource is een entiteit op het netwerk, of specifieke informatie op het netwerk. Een afbeelding of een muzieknummer is een resource. Een RESTful API is een implementatie gebaseerd op het HTTP-protocol. (HTTP is een protocol op de applicatielaag, dat eenvoudig en snel is).

Applicaties of ontwerpen die voldoen aan de REST-specificaties worden RESTful genoemd, en API's die volgens de REST-specificaties zijn ontworpen, worden RESTful API's genoemd.

4. DDS-protocol

DDS (Data Distribution Service) is een middlewareprotocol voor gedistribueerde realtime datadistributie. Het is de "TCP/IP" van het gedistribueerde realtime netwerk. Het wordt gebruikt om de interconnectie van netwerkprotocollen in het realtime netwerk te realiseren. De functie ervan is vergelijkbaar met een "bus op een bus".

5、AMQP-协议

AMQP, ofwel Advanced Message Queuing Protocol, is een geavanceerd berichtwachtrijprotocol op applicatielaagniveau dat uniforme berichtendiensten biedt. Het is een open standaard voor applicatielaagprotocollen en is ontworpen voor berichtgeoriënteerde middleware. Clients en berichtmiddleware die op dit protocol gebaseerd zijn, kunnen berichten verzenden en worden niet beperkt door verschillende client-/middlewareproducten, verschillende programmeertalen, enzovoort. Implementaties in Erlang zijn onder andere RabbitMQ.

6, XMPP-versie

XMPP is een protocol gebaseerd op XML, een subset van de Standard Universal Markup Language, en erft de flexibiliteit om te ontwikkelen in een XML-omgeving. Daardoor zijn op XMPP gebaseerde applicaties zeer schaalbaar. Na uitbreiding kan XMPP voldoen aan de behoeften van gebruikers door uitgebreidere informatie te verzenden, en kunnen applicaties zoals contentpublicatiesystemen en adresgebaseerde services bovenop XMPP worden gebouwd.

4. Vergelijking van enkele communicatieprotocollen

1. Vergelijking tussen het NB-IoT-protocol en het LoRa-protocol

Ten eerste, de frequentieband. LoRa werkt in licentievrije frequentiebanden onder de 1 GHz en vereist geen extra kosten voor de aanvraag. NB-IoT en mobiele communicatie maken gebruik van frequentiebanden onder de 1 GHz, die zijn geautoriseerd door 2113 en waarvoor kosten in rekening worden gebracht.

Ten tweede, de batterijduur. LoRa-modules hebben unieke eigenschappen met betrekking tot het omgaan met interferentie, netwerkoverlapping, schaalbaarheid, enz., maar kunnen niet dezelfde kwaliteit van dienstverlening bieden als cellulaire protocollen. Vanwege de beperkingen op het gebied van kwaliteit van dienstverlening kan NB-IoT niet dezelfde batterijduur bieden als LoRa.

Ten derde, de kosten van de apparatuur. Voor eindknooppunten is het LoRa-protocol eenvoudiger dan NB-IoT, gemakkelijker te ontwikkelen en beter toepasbaar en compatibel met microprocessoren. Tegelijkertijd zijn er al goedkope, relatief volwassen LoRa-modules op de markt verkrijgbaar, en zullen er steeds meer verbeterde versies verschijnen.

Ten vierde, netwerkdekking en implementatieplanning. De NB-IoT-standaard werd in 2016 aangekondigd. Naast de netwerkimplementatie zal de bijbehorende commercialisering en de opbouw van de industriële keten meer tijd en inspanning vergen. De gehele industriële keten van LoRa is relatief volwassen en de producten zijn "klaar voor lancering". Tegelijkertijd zijn veel landen wereldwijd bezig met de uitrol van een landelijk netwerk of hebben deze al voltooid.

2. Vergelijking van de Bluetooth-, WiFi- en ZigBee-protocollen

Momenteel is het voordeel van wifi dat het wijdverspreid is en in duizenden huishoudens is geïntegreerd; het voordeel van ZigBee is het lage energieverbruik en het zelforganiserende netwerk; het voordeel van UWB-draadloze communicatietechnologie is de transmissiesnelheid; het voordeel van Bluetooth is de eenvoudige netwerkverbinding. Deze drie technologieën hebben echter ook hun eigen nadelen, en geen enkele technologie kan volledig voldoen aan alle eisen van slimme huizen.

De opkomst van Bluetooth-technologie maakt draadloze communicatie over korte afstanden mogelijk, maar de complexe protocollen, het hoge stroomverbruik en de hoge kosten maken het minder geschikt voor industriële besturing en thuisnetwerken die lage kosten en een laag stroomverbruik vereisen. Het grootste obstakel voor Bluetooth is met name het beperkte zendbereik. Over het algemeen ligt het effectieve bereik rond de 10 meter. Problemen zoals een zwakke storingsbestendigheid en informatiebeveiliging zijn ook belangrijke factoren die de verdere ontwikkeling en grootschalige toepassing ervan belemmeren.

WiFi is een draadloze transmissietechnologie voor korte afstanden waarmee je altijd en overal draadloze signalen kunt ontvangen. Het is zeer mobiel en daardoor beter geschikt voor gebruik op kantoor en thuis. WiFi heeft echter ook een groot nadeel. Omdat WiFi gebruikmaakt van radiofrequentietechnologie, waarbij gegevens via de lucht worden verzonden en ontvangen en radiogolven worden gebruikt om datasignalen te verzenden, is het gevoeliger voor externe storingen.

ZigBee is een internationaal erkende draadloze communicatietechnologie. Elk van de netwerkpoorten kan tot meer dan 65,000 apparaten aansturen, waardoor het geschikt is voor gebruik in huis, industrie, landbouw en andere sectoren. Bluetooth- en wifi-apparaten kunnen daarentegen slechts tot 10 apparaten aansturen, wat duidelijk niet voldoet aan de behoeften van gezinnen. ZigBee heeft bovendien als voordelen een laag energieverbruik en lage kosten.

3. Vergelijking tussen het MQTT-protocol en het CoAP-protocol

MQTT is een many-to-many communicatieprotocol dat wordt gebruikt om berichten tussen verschillende clients te verzenden via een tussenliggende proxy. Hierdoor worden producenten en consumenten van elkaar losgekoppeld en kan de client berichten publiceren, waarna de proxy de routering en het kopiëren van de berichten bepaalt. Hoewel MQTT enige persistentie ondersteunt, is het het meest geschikt als een realtime datacommunicatiebus.

CoAP is in de eerste plaats een point-to-point-protocol dat wordt gebruikt om statusinformatie tussen clients en servers te verzenden. Hoewel het observeren van resources wordt ondersteund, is CoAP het meest geschikt voor een statusoverdrachtsmodel en is het niet volledig op gebeurtenissen gebaseerd.

De MQTT-client legt een langdurige TCP-verbinding tot stand. Dit betekent meestal dat er geen probleem is. Zowel de CoAP-client als de server verzenden en ontvangen UDP-pakketten. In een NAT-omgeving kan tunneling of port forwarding worden gebruikt om CoAP mogelijk te maken, of, zoals bij LWM2M, kan het apparaat eerst de front-endverbinding initialiseren.

MQTT biedt geen ondersteuning voor tags voor berichttypen of andere metadata om clients te helpen de inhoud te begrijpen. MQTT-berichten kunnen voor elk doel worden gebruikt, maar alle clients moeten het upstream-dataformaat kennen om communicatie mogelijk te maken. CoAP daarentegen biedt ingebouwde ondersteuning voor contentonderhandeling en -ontdekking, waardoor apparaten elkaar kunnen detecteren en een manier kunnen vinden om gegevens uit te wisselen.

Beide protocollen hebben voor- en nadelen, en de keuze voor het juiste protocol hangt af van uw toepassing.

Dit artikel is overgenomen van "Beijing Internet of Things Intelligent Technology Application AssociationWij steunen de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we de betreffende inhoud kunnen verwijderen.