Pełna analiza protokołów komunikacyjnych Internetu Rzeczy

Wraz ze wzrostem liczby urządzeń IoT, komunikacja lub połączenie między nimi stało się ważnym tematem rozważań. Komunikacja jest bardzo powszechna i kluczowa dla Internetu Rzeczy. Niezależnie od tego, czy chodzi o technologię transmisji bezprzewodowej krótkiego zasięgu, czy technologię komunikacji mobilnej, wpływa ona na rozwój Internetu Rzeczy. W komunikacji protokoły komunikacyjne odgrywają szczególnie ważną rolę. Są to zasady i umowy, których podmioty po obu stronach muszą przestrzegać, aby zapewnić komunikację lub usługi. W niniejszym artykule przedstawiono kilka dostępnych protokołów komunikacyjnych IoT o różnej wydajności, szybkości transmisji danych, zasięgu, mocy i pamięci, z których każdy ma swoje zalety i mniej lub bardziej istotne wady. Niektóre z tych protokołów komunikacyjnych nadają się tylko do małych urządzeń gospodarstwa domowego, podczas gdy inne mogą być stosowane w dużych projektach inteligentnych miast. Protokoły komunikacyjne Internetu Rzeczy dzielą się na dwie kategorie: protokół dostępu i protokół komunikacyjny. Protokół dostępu odpowiada zasadniczo za tworzenie sieci i komunikację między urządzeniami w podsieci; protokół komunikacyjny to głównie protokół komunikacyjny urządzeń, który działa w oparciu o tradycyjny protokół internetowy TCP/IP i odpowiada za wymianę danych i komunikację między urządzeniami za pośrednictwem Internetu.

1. Protokoły warstwy fizycznej i łącza danych

1. Komunikacja komórkowa na duże odległości

(1) Protokoły komunikacyjne 2G/3G/4G odnoszą się odpowiednio do protokołów systemów komunikacji mobilnej drugiej, trzeciej i czwartej generacji.

（2）NB-IoT

Wąskopasmowy Internet Rzeczy (NB-IoT) stał się ważną gałęzią Internetu Wszystkiego. NB-IoT opiera się na sieci komórkowej i zużywa jedynie około 180 kHz pasma. Można go wdrożyć bezpośrednio w sieciach GSM, UMTS lub LTE, co pozwala obniżyć koszty wdrożenia i zapewnić płynną modernizację. NB-IoT koncentruje się na rynku Internetu Rzeczy (IoT) o niskim poborze mocy (LPWA) i jest rozwijającą się technologią, która może być szeroko stosowana na całym świecie. Charakteryzuje się szerokim zasięgiem, wieloma połączeniami, dużą szybkością, niskim kosztem, niskim zużyciem energii i doskonałą architekturą.

Scenariusze zastosowań: Scenariusze zastosowań sieci NB-IoT obejmują inteligentne parkowanie, inteligentną ochronę przeciwpożarową, inteligentne usługi wodne, inteligentne oświetlenie uliczne, rowery współdzielone i inteligentne urządzenia gospodarstwa domowego.

(3) 5G

Technologia komunikacji mobilnej piątej generacji to najnowsza generacja technologii komunikacji komórkowej. Cele wydajnościowe 5G to wysoka prędkość transmisji danych, mniejsze opóźnienia, oszczędność energii, redukcja kosztów, zwiększona przepustowość systemu oraz łączność urządzeń na dużą skalę.

Scenariusze zastosowań: AR/VR, Internet pojazdów, inteligentna produkcja, inteligentna energia, bezprzewodowa opieka medyczna, bezprzewodowa rozrywka domowa, połączone drony, transmisje na żywo w ultrawysokiej rozdzielczości/panoramiczne, osobista pomoc AI i inteligentne miasta.

2. Komunikacja pozakomórkowa na duże odległości

（1）Wi-Fi

Ze względu na rosnącą popularność domowych routerów WiFi i smartfonów w ostatnich latach, protokoły WiFi znalazły również szerokie zastosowanie w dziedzinie inteligentnych domów. Największą zaletą protokołu WiFi jest bezpośredni dostęp do internetu. W porównaniu z ZigBee, rozwiązanie inteligentnego domu wykorzystujące protokół WiFi eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych bramek. W porównaniu z protokołem Bluetooth eliminuje konieczność korzystania z terminali mobilnych, takich jak telefony komórkowe.

Zasięg komercyjnej sieci WiFi w miejscach publicznych, takich jak miejski transport publiczny i centra handlowe, niewątpliwie pokazał potencjał komercyjnej sieci WiFi w zastosowaniach scenicznych.

(2) ZigBee

ZigBee to bezprzewodowy protokół komunikacyjny do transmisji danych o niskiej prędkości i na krótkie odległości. Jest to wysoce niezawodna bezprzewodowa sieć transmisji danych. Jej główne cechy to niska prędkość, niskie zużycie energii, niski koszt, obsługa dużej liczby węzłów online, obsługa wielu topologii online, niska złożoność, szybkość, niezawodność i bezpieczeństwo. Technologia ZigBee to nowa technologia, która pojawiła się niedawno. Opiera się głównie na sieciach bezprzewodowych do transmisji. Umożliwia ona nawiązywanie połączeń bezprzewodowych na krótkich dystansach i jest bezprzewodową technologią komunikacji sieciowej.

Wrodzone zalety technologii ZigBee sprawiły, że stopniowo stała się ona powszechnie stosowana w branży Internetu rzeczy i jest szeroko wykorzystywana w przemyśle, rolnictwie, inteligentnych domach i innych dziedzinach.

(3) LoRa

LoRa (LongRange, długi zasięg) to technologia modulacji, która zapewnia większe odległości komunikacji niż podobne technologie. Bramki LoRa, czujniki dymu, monitoring wody, detekcja podczerwieni, pozycjonowanie, listwy zasilające i inne powszechnie stosowane produkty IoT. Jako wąskopasmowa technologia bezprzewodowa, LoRa wykorzystuje różnicę czasu przybycia do geolokalizacji. Scenariusze zastosowań pozycjonowania LoRa: inteligentne miasta i monitoring ruchu drogowego, pomiary i logistyka, monitorowanie pozycji w rolnictwie.

3. Komunikacja bliskiego zasięgu

（1）RFID

RFID to skrót od Radio Frequency Identification (Identyfikacja Radiowa). Zasada działania technologii RFID polega na bezkontaktowej komunikacji danych między czytnikiem a tagiem w celu identyfikacji celu. Technologia RFID jest szeroko stosowana. Typowe zastosowania obejmują chipy dla zwierząt, alarmy samochodowe z chipami, kontrolę dostępu, sterowanie parkingami, automatyzację linii produkcyjnych oraz zarządzanie materiałami. Kompletny system RFID składa się z trzech części: czytnika (Reader), tagu elektronicznego (Tag) oraz systemu zarządzania danymi.

（2）NFC

Chińska pełna nazwa NFC to technologia komunikacji bliskiego zasięgu (Near Field Communication). Technologia NFC została opracowana w oparciu o technologię bezkontaktowej identyfikacji radiowej (RFID) połączoną z technologią połączeń bezprzewodowych. Zapewnia ona bardzo bezpieczną i szybką metodę komunikacji dla różnych produktów elektronicznych, które zyskują coraz większą popularność w naszym codziennym życiu. „Near Field” w chińskiej nazwie NFC odnosi się do fal radiowych w pobliżu pola elektromagnetycznego.

Scenariusze zastosowań: wykorzystywane w kontroli dostępu, rejestracji obecności, obsłudze gości, rejestracji na spotkaniach, patrolach i innych dziedzinach. NFC oferuje funkcje takie jak interakcja człowiek-komputer i interakcja maszyna-maszyna.

(3) Bluetooth

Technologia Bluetooth to otwarta, globalna specyfikacja bezprzewodowej transmisji danych i głosu. Jest to specjalna technologia łączności bezprzewodowej krótkiego zasięgu, która tworzy środowisko komunikacyjne dla urządzeń stacjonarnych i mobilnych w oparciu o tanie połączenia bezprzewodowe krótkiego zasięgu.

Technologia Bluetooth umożliwia bezprzewodową wymianę informacji między wieloma urządzeniami, w tym telefonami komórkowymi, komputerami PDA, bezprzewodowymi zestawami słuchawkowymi, laptopami i powiązanymi urządzeniami peryferyjnymi. Wykorzystanie technologii Bluetooth może skutecznie uprościć komunikację między urządzeniami końcowymi komunikacji mobilnej, a także między urządzeniem a Internetem, dzięki czemu transmisja danych staje się szybsza i bardziej wydajna, poszerzając możliwości komunikacji bezprzewodowej.


4. Komunikacja przewodowa

（1）USB

USB, skrót od Universal Serial Bus (Uniwersalna Magistrala Serialna) w języku angielskim, to standard magistrali zewnętrznej, używany do standaryzacji połączeń i komunikacji między komputerami a urządzeniami zewnętrznymi. Jest to technologia interfejsu stosowana w komputerach PC.

(2) Protokół komunikacji szeregowej

Protokół komunikacji szeregowej odnosi się do odpowiednich specyfikacji, które określają zawartość pakietu danych, obejmującą bit startu, dane główne, bit kontrolny i bit stopu. Obie strony muszą uzgodnić spójny format pakietu danych, aby móc normalnie wysyłać i odbierać dane. W komunikacji szeregowej powszechnie używane protokoły to RS-232, RS-422 i RS-485.

Komunikacja szeregowa odnosi się do metody komunikacji, która przesyła dane bit po bicie liniami danych między urządzeniami peryferyjnymi a komputerami. Ta metoda komunikacji wykorzystuje mniej linii danych i może obniżyć koszty komunikacji w komunikacji na duże odległości, ale jej prędkość transmisji jest niższa niż w przypadku transmisji równoległej. Większość komputerów (z wyłączeniem laptopów) posiada dwa porty szeregowe RS-232. Komunikacja szeregowa jest również powszechnie stosowanym protokołem komunikacyjnym w urządzeniach pomiarowych i sprzęcie.

(3) Ethernet

Ethernet to technologia lokalnej sieci komputerowej. Standard IEEE 802.3 organizacji IEEE formułuje standard techniczny Ethernetu, który określa zawartość, w tym okablowanie warstwy fizycznej, sygnały elektroniczne i protokoły warstwy dostępu do medium.

（4）MBus

System zdalnego odczytu liczników MBus (Symphonic Mbus) to europejski standard magistrali 2-żyłowej, stosowany głównie w urządzeniach do pomiaru zużycia, takich jak liczniki ciepła i wody.

2. Warstwa sieciowa i protokół transmisji

1, IPv4

Protokół komunikacji internetowej w wersji 4 to czwarta rewizja w procesie rozwoju protokołu internetowego i pierwsza powszechnie wdrożona wersja tego protokołu. IPv4 stanowi rdzeń Internetu i jest najszerzej stosowaną wersją protokołu internetowego.

2, IPv6

Protokół internetowy w wersji 6, ponieważ największym problemem IPv4 są ograniczone zasoby adresów sieciowych, co poważnie ogranicza zastosowanie i rozwój Internetu. Wykorzystanie IPv6 nie tylko rozwiązuje problem liczby zasobów adresów sieciowych, ale także eliminuje przeszkody utrudniające wielu urządzeniom dostępowym łączenie się z Internetem.

3, TCP

Protokół kontroli transmisji (TCP) to zorientowany na połączenie, niezawodny protokół komunikacyjny warstwy transportowej oparty na strumieniu bajtów. TCP został zaprojektowany z myślą o obsłudze warstwowej hierarchii protokołów, która obsługuje wiele aplikacji sieciowych. Protokół TCP jest niezbędny do zapewnienia niezawodnych usług komunikacyjnych między parami procesów w komputerze-hoście podłączonym do różnych, ale połączonych ze sobą sieci komunikacyjnych. TCP zakłada, że ​​może uzyskać proste, potencjalnie zawodne usługi datagramowe z protokołów niższego poziomu.

4, 6LoWPAN

6LoWPAN to standard bezprzewodowej sieci osobistej o niskiej prędkości oparty na protokole IPv6, a konkretnie na protokole IPv6 w standardzie IEEE 802.15.4.

3. Protokół warstwy aplikacji

1. Konfigurowanie MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), tłumacząc na język chiński, to protokół transmisji telemetrycznej. Zapewnia on głównie dwa tryby przesyłania wiadomości: subskrypcję/publikację. Jest prostszy, lżejszy i łatwiejszy w użyciu. Szczególnie nadaje się do dystrybucji wiadomości w środowiskach o ograniczonym dostępie (niska przepustowość, wysokie opóźnienia sieciowe i niestabilna komunikacja sieciowa). Jest to standardowy protokół transmisji dla Internetu Rzeczy (Internet of Things).

W wielu przypadkach, w tym w środowiskach o ograniczonych możliwościach, takich jak komunikacja maszyna-maszyna (M2M) i Internet Rzeczy (IoT), technologia ta jest szeroko stosowana w czujnikach komunikacyjnych za pośrednictwem łączy satelitarnych, sprzęcie medycznym do okazjonalnego wybierania numerów, inteligentnych domach i niektórych zminiaturyzowanych urządzeniach.

2. CoAP – informacje ogólne

CoAP (Constrained Application Protocol) to protokół internetowy w świecie Internetu Rzeczy. Nadaje się do małych czujników o niskim poborze mocy, przełączników, zaworów i podobnych komponentów, które wymagają zdalnego sterowania lub monitorowania za pośrednictwem standardowej sieci internetowej. Serwer nie musi reagować na nieobsługiwane typy danych.

3. Konfigurowanie REST/HTTP

RESTful to architektura oprogramowania oparta na zasobach. Tak zwany zasób to jednostka w sieci lub konkretna informacja w sieci. Obraz lub piosenka to zasób. API RESTful to implementacja oparta na protokole HTTP (HTTP to protokół warstwy aplikacji, który jest prosty i szybki).

Aplikacje i projekty zgodne ze specyfikacjami REST są nazywane interfejsami API RESTful, a interfejsy API zaprojektowane zgodnie ze specyfikacjami REST są nazywane interfejsami API RESTful.

4. Protokół DDS

DDS (Data Distribution Service) to protokół pośredniczący rozproszonej usługi dystrybucji danych w czasie rzeczywistym. Jest odpowiednikiem protokołu TCP/IP w rozproszonej sieci czasu rzeczywistego. Służy do rozwiązywania problemów z wzajemnymi połączeniami protokołów sieciowych w sieci czasu rzeczywistego. Jego funkcją jest równoznaczna z funkcją magistrali w magistrali.

5. Przegląd AMQP

AMQP, czyli Advanced Message Queuing Protocol, to standardowy protokół kolejkowania wiadomości warstwy aplikacji, który zapewnia ujednolicone usługi przesyłania wiadomości. Jest to otwarty standard protokołów warstwy aplikacji, przeznaczony dla oprogramowania pośredniczącego zorientowanego na wiadomości. Klienci i oprogramowanie pośredniczące oparte na tym protokole mogą przesyłać wiadomości i nie są ograniczone przez różne produkty klienckie/pośredniczące, różne języki programowania itp. Implementacje w Erlangu obejmują RabbitMQ itp.

6、Wstęp do XMPP

XMPP to protokół oparty na XML, podzbiorze języka Standard Universal Markup Language (SML), który zapewnia elastyczność tworzenia w środowisku XML. Dzięki temu aplikacje oparte na XMPP są wysoce skalowalne. Po rozszerzeniu XMPP może obsługiwać potrzeby użytkowników, wysyłając rozszerzone informacje, a aplikacje takie jak systemy publikacji treści i usługi oparte na adresach mogą być budowane na bazie XMPP.

4. Porównanie niektórych protokołów komunikacyjnych

1. Porównanie protokołu NB-IoT i protokołu LoRa

Po pierwsze, pasmo częstotliwości. LoRa działa w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości poniżej 1 GHz i nie wymaga dodatkowych opłat za aplikację. NB-IoT i komunikacja komórkowa korzystają z pasm częstotliwości poniżej 1 GHz, które są autoryzowane przez 2113 i wymagają opłat.

Po drugie, żywotność baterii. Moduły LoRa charakteryzują się unikalnymi cechami w zakresie radzenia sobie z zakłóceniami, nakładaniem się sieci, skalowalnością itp., ale nie mogą zapewnić takiej samej jakości usług jak protokoły komórkowe. Ze względu na kwestie związane z jakością usług, NB-IoT nie może zapewnić takiej samej żywotności baterii jak LoRa.

Po trzecie, koszty sprzętu. W przypadku węzłów końcowych protokół LoRa jest prostszy niż NB-IoT, łatwiejszy w opracowaniu oraz bardziej przydatny i kompatybilny z mikroprocesorami. Jednocześnie na rynku można już znaleźć niedrogie, stosunkowo dojrzałe moduły LoRa, a ich udoskonalone wersje będą pojawiać się jeden po drugim.

Po czwarte, zasięg sieci i harmonogram wdrażania. Standard NB-IoT został ogłoszony w 2016 roku. Oprócz wdrożenia sieci, odpowiednia komercjalizacja i utworzenie łańcucha branżowego będą wymagały więcej czasu i wysiłku. Cały łańcuch branżowy LoRa jest stosunkowo dojrzały, a jej produkty są „gotowe do wprowadzenia na rynek”. Jednocześnie wiele krajów na całym świecie jest w trakcie lub zakończyło wdrażanie sieci na skalę ogólnokrajową.

2. Porównanie protokołów Bluetooth, WiFi i ZigBee

Obecnie zaletą Wi-Fi jest jego szerokie zastosowanie i popularność w tysiącach gospodarstw domowych; zaletą ZigBee jest niskie zużycie energii i samoorganizująca się sieć; zaletą technologii komunikacji bezprzewodowej UWB bez użycia nośnika jest szybkość transmisji, a zaletą Bluetooth jest łatwość tworzenia sieci. Jednak te trzy technologie mają również swoje wady i żadna z nich nie jest w stanie w pełni spełnić wszystkich wymagań inteligentnych domów.

Rozwój technologii Bluetooth umożliwia bezprzewodową komunikację na krótkie odległości, ale jej złożone protokoły, wysoki pobór mocy i wysoki koszt nie nadają się do sterowania przemysłowego i sieci domowych, które wymagają niskich kosztów i niskiego poboru mocy. W szczególności największą przeszkodą dla technologii Bluetooth jest ograniczony zasięg transmisji. Zazwyczaj efektywny zasięg wynosi około 10 metrów. Problemy takie jak słaba odporność na zakłócenia i kwestie bezpieczeństwa informacji to również główne czynniki ograniczające jej dalszy rozwój i zastosowanie na szeroką skalę.

WiFi to również technologia bezprzewodowej transmisji danych na krótkie odległości, umożliwiająca dostęp do sygnałów bezprzewodowych w dowolnym momencie. Jest wysoce mobilna i lepiej nadaje się do użytku w biurach i domach. Oczywiście WiFi ma również istotną wadę. Ponieważ WiFi wykorzystuje technologię radiową, która wysyła i odbiera dane drogą radiową, a do przesyłania sygnałów wykorzystuje fale radiowe, jest bardziej podatne na zakłócenia zewnętrzne.

ZigBee to uznana na całym świecie technologia komunikacji bezprzewodowej. Każdy z jej portów sieciowych obsługuje do ponad 65 000 portów, co jest przydatne w domu, przemyśle, rolnictwie i innych dziedzinach. Jednak terminale sieciowe Bluetooth i Wi-Fi obsługują tylko 10 portów, co oczywiście nie zaspokaja potrzeb rodzin. ZigBee oferuje również niskie zużycie energii i niski koszt.

3. Porównanie protokołu MQTT i protokołu CoAP

MQTT to protokół komunikacyjny typu wiele-do-wielu, używany do przesyłania wiadomości między różnymi klientami za pośrednictwem pośredniczącego serwera proxy, oddzielając producentów od konsumentów i umożliwiając klientowi publikowanie wiadomości oraz pozostawienie serwera proxy do decydowania o routingu i kopiowaniu. Chociaż MQTT obsługuje pewien stopień trwałości, najlepiej sprawdza się jako magistrala transmisji danych w czasie rzeczywistym.

CoAP to przede wszystkim protokół typu punkt-punkt, używany do przesyłania informacji stanowych między klientami a serwerami. Chociaż obsługiwane są zasoby obserwacyjne, CoAP najlepiej sprawdza się w modelu transferu stanowego i nie jest w pełni oparty na zdarzeniach.

Klient MQTT nawiązuje długotrwałe połączenie TCP. Zazwyczaj oznacza to brak problemu. Zarówno klient CoAP, jak i serwer wysyłają i odbierają pakiety UDP. W środowisku NAT można użyć tunelowania lub przekierowania portów, aby umożliwić CoAP, lub, podobnie jak w przypadku LWM2M, urządzenie może najpierw zainicjować połączenie front-end.

Protokół MQTT nie obsługuje tagów typu wiadomości ani innych metadanych ułatwiających klientom zrozumienie komunikatów. Wiadomości MQTT mogą być wykorzystywane w dowolnym celu, ale wszyscy klienci muszą znać format danych nadrzędnych, aby umożliwić komunikację. CoAP natomiast zapewnia wbudowaną obsługę negocjacji i wyszukiwania treści, umożliwiając urządzeniom wzajemne wykrywanie się w celu znalezienia sposobu na wymianę danych.

Oba protokoły mają swoje zalety i wady, a wybór właściwego zależy od konkretnego zastosowania.

Niniejszy artykuł jest przedrukowany z „Pekińskie Stowarzyszenie Zastosowań Inteligentnych Technologii Internetu Rzeczy„Wspieramy ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia.