Полный анализ протоколов связи Интернета вещей.

По мере роста числа устройств Интернета вещей (IoT) связь между ними становится важной темой для размышлений. Коммуникация очень распространена и имеет решающее значение для Интернета вещей. Будь то технология беспроводной передачи данных на короткие расстояния или технология мобильной связи, она влияет на развитие Интернета вещей. В сфере связи протоколы связи играют особенно важную роль. Это правила и соглашения, которым должны следовать обе стороны для осуществления связи или предоставления услуг. В данной статье рассматриваются несколько доступных протоколов связи для IoT с различными характеристиками, скоростью передачи данных, зоной покрытия, энергопотреблением и объемом памяти, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые из этих протоколов связи подходят только для небольших бытовых приборов, в то время как другие могут использоваться в крупномасштабных проектах «умного города». Протоколы связи для Интернета вещей делятся на две категории: протоколы доступа и протоколы связи. Протокол доступа, как правило, отвечает за создание сети и связь между устройствами в пределах подсети; протокол связи — это в основном протокол связи устройств, работающий на основе традиционного интернет-протокола TCP/IP и отвечающий за обмен данными и связь между устройствами через Интернет.

1. Протоколы физического уровня и канального уровня.

1. Сотовая связь на большие расстояния

(1) Протоколы связи 2G/3G/4G относятся к протоколам мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений соответственно.

（2）НБ-IoT

Узкополосный Интернет вещей (NB-IoT) стал важной частью Интернета вещей. NB-IoT построен на основе сотовой сети и потребляет всего около 180 кГц полосы пропускания. Его можно напрямую развертывать в сетях GSM, UMTS или LTE, что позволяет снизить затраты на развертывание и обеспечить плавную модернизацию. NB-IoT ориентирован на рынок Интернета вещей с низким энергопотреблением и широким покрытием (LPWA) и является перспективной технологией, которая может широко использоваться по всему миру. Она обладает такими характеристиками, как широкое покрытие, множественные соединения, высокая скорость, низкая стоимость, низкое энергопотребление и превосходная архитектура.

Сценарии применения: Сеть NB-IoT предоставляет возможности для таких сценариев применения, как интеллектуальная парковка, интеллектуальная противопожарная защита, интеллектуальное водоснабжение, интеллектуальное уличное освещение, системы проката велосипедов и интеллектуальная бытовая техника.

（3）5G

Технология мобильной связи пятого поколения (5G) — это новейшее поколение сотовой мобильной связи. Цели 5G включают высокую скорость передачи данных, снижение задержки, экономию энергии, снижение затрат, увеличение пропускной способности системы и широкомасштабное подключение устройств.

Сценарии применения: дополненная и виртуальная реальность, Интернет транспортных средств, интеллектуальное производство, интеллектуальная энергетика, беспроводное медицинское обслуживание, беспроводные домашние развлечения, подключенные дроны, прямые трансляции в сверхвысокой четкости/панорамные трансляции, персональные помощники на основе ИИ и умные города.

2. Дальняя несотовая связь

(1) Wi-Fi

В связи с быстрой популярностью домашних Wi-Fi роутеров и смартфонов в последние несколько лет, протоколы Wi-Fi также широко используются в сфере умного дома. Главное преимущество протокола Wi-Fi заключается в возможности прямого доступа к Интернету. По сравнению с ZigBee, решения для умного дома, использующие протокол Wi-Fi, исключают необходимость в дополнительных шлюзах. По сравнению с протоколом Bluetooth, они исключают зависимость от мобильных устройств, таких как мобильные телефоны.

Покрытие коммерческих сетей Wi-Fi в общественных местах, таких как городской общественный транспорт и торговые центры, несомненно, продемонстрировало потенциал коммерческих сетей Wi-Fi в различных практических приложениях.

（2）ЗигБи

ZigBee — это протокол беспроводной связи для передачи данных на малых скоростях и на короткие расстояния. Это высоконадежная беспроводная сеть передачи данных. Ее основные характеристики: низкая скорость, низкое энергопотребление, низкая стоимость, поддержка большого количества онлайн-узлов, поддержка различных онлайн-топологий, низкая сложность, скорость, надежность и безопасность. Технология ZigBee — это относительно новая технология, появившаяся сравнительно недавно. Она в основном использует беспроводные сети для передачи данных. Она позволяет устанавливать беспроводные соединения на коротких расстояниях и является технологией беспроводной сетевой связи.

Внутренние преимущества технологии ZigBee постепенно сделали ее основной технологией в индустрии Интернета вещей, и она широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, умных домах и других областях.

（3）Лора

LoRa (LongRange, дальний радиус действия) — это технология модуляции, обеспечивающая большую дальность связи, чем аналогичные технологии. Она широко используется в шлюзах LoRa, датчиках дыма, системах мониторинга воды, инфракрасном обнаружении, позиционировании, сетевых фильтрах и других продуктах IoT. Как узкополосная беспроводная технология, LoRa использует разницу во времени прихода сигнала для определения местоположения. Сценарии применения позиционирования LoRa: интеллектуальный город и мониторинг дорожного движения, учет и логистика, мониторинг позиционирования в сельском хозяйстве.

3. Ближняя бесконтактная связь

(1) RFID

RFID — это аббревиатура от Radio Frequency Identification (радиочастотная идентификация). Принцип действия заключается в бесконтактной передаче данных между считывателем и меткой для идентификации цели. RFID широко используется. Типичные области применения включают чипы для животных, автомобильные сигнализации с чипами, системы контроля доступа, системы управления парковками, автоматизацию производственных линий и управление материальными ресурсами. Полная система RFID состоит из трех частей: считывателя (Reader), электронной метки (Tag) и системы управления данными.

（2）NFC

Полное китайское название NFC — технология ближней связи. NFC разработана на основе бесконтактной технологии радиочастотной идентификации (RFID) в сочетании с технологией беспроводной связи. Она обеспечивает очень безопасный и быстрый способ связи для различных электронных устройств, которые становятся все более популярными в нашей повседневной жизни. «Ближняя связь» в китайском названии NFC означает радиоволны, находящиеся вблизи электромагнитного поля.

Сценарии применения: используется в системах контроля доступа, учета посещаемости, регистрации посетителей, регистрации участников собраний, патрулирования и других областях. NFC обладает такими функциями, как взаимодействие человека с компьютером и взаимодействие машины с машиной.

(3) Bluetooth

Технология Bluetooth — это открытая глобальная спецификация для беспроводной передачи данных и голоса. Это специальная технология беспроводной связи ближнего радиуса действия, которая создает среду связи для стационарных и мобильных устройств на основе недорогих беспроводных соединений ближнего радиуса действия.

Технология Bluetooth позволяет осуществлять беспроводной обмен информацией между множеством устройств, включая мобильные телефоны, КПК, беспроводные гарнитуры, ноутбуки, сопутствующую периферию и т. д. Использование технологии Bluetooth эффективно упрощает связь между мобильными устройствами связи, а также позволяет успешно упростить связь между устройством и Интернетом, благодаря чему передача данных становится быстрее и эффективнее, расширяя возможности беспроводной связи.


4. Проводная связь

(1) USB

USB, аббревиатура от Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина), — это стандарт внешней шины, используемый для стандартизации подключения и связи между компьютерами и внешними устройствами. Это технология интерфейса, применяемая в сфере персональных компьютеров.

(2) Протокол последовательной связи

Протокол последовательной связи относится к соответствующим спецификациям, определяющим содержимое пакета данных, включая стартовый бит, основные данные, контрольный бит и стоповый бит. Обе стороны должны согласовать согласованный формат пакета данных для нормальной отправки и приема данных. В последовательной связи обычно используются протоколы RS-232, RS-422 и RS-485.

Последовательная связь — это метод передачи данных, при котором данные передаются побитово по линиям связи между периферийными устройствами и компьютерами. Этот метод связи использует меньше линий связи и позволяет сэкономить на затратах на передачу данных на большие расстояния, но скорость передачи ниже, чем при параллельной передаче. Большинство компьютеров (за исключением ноутбуков) имеют два последовательных порта RS-232. Последовательная связь также является широко используемым протоколом связи для измерительных приборов и оборудования.

(3) Ethernet

Ethernet — это технология локальных компьютерных сетей. Стандарт IEEE 802.3, разработанный организацией IEEE, определяет технические характеристики Ethernet, включая физический уровень проводки, электронные сигналы и протоколы уровня доступа к среде передачи.

（4）МБбус

Система дистанционного считывания показаний счетчиков MBus (symphonic mbus) — это европейский стандарт двухпроводной шины, в основном используемой для измерительных приборов потребления, таких как тепловые и водомеры.

2. Сетевой уровень и протокол передачи данных

1、IPv4

Протокол интернет-коммуникаций версии 4 (IPv4) — это четвёртая редакция в процессе разработки интернет-протокола и первая широко распространённая версия этого протокола. IPv4 является ядром интернета и наиболее распространённой версией интернет-протокола.

2、IPv6

Использование протокола IPv6 обусловлено тем, что главной проблемой IPv4 является ограниченность сетевых адресных ресурсов, что серьезно ограничивает применение и развитие интернета. IPv6 не только решает проблему нехватки сетевых адресных ресурсов, но и устраняет препятствия для подключения множества устройств доступа к интернету.

3, TCP

Протокол управления передачей (TCP) — это ориентированный на соединение, надежный протокол связи транспортного уровня, основанный на потоковой передаче байтов. TCP разработан для обеспечения многоуровневой иерархии протоколов, поддерживающей множество сетевых приложений. TCP используется для обеспечения надежных услуг связи между парами процессов на хост-компьютере, подключенном к различным, но взаимосвязанным компьютерным сетям связи. TCP предполагает, что он может получать простые, возможно, ненадежные дейтаграммные услуги от протоколов более низкого уровня.

4, 6LoWPAN

6LoWPAN — это стандарт низкоскоростной беспроводной персональной сети, основанный на IPv6, а именно IPv6 поверх IEEE 802.15.4.

3. Протокол прикладного уровня

1. Поддержка MQTT.

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), в переводе на китайский, — это протокол передачи телеметрии. Он предоставляет два основных режима передачи сообщений: подписка/публикация. Он более прост, легок и удобен в использовании. Особенно подходит для распространения сообщений в условиях ограниченного пространства (низкая пропускная способность, высокая задержка сети и нестабильная сетевая связь). Это стандартный протокол передачи данных для Интернета вещей.

Во многих случаях, в том числе в условиях ограниченного пространства, таких как межмашинная связь (M2M) и Интернет вещей (IoT). Он широко используется в коммуникационных датчиках через спутниковую связь, медицинском оборудовании для эпизодических звонков, системах «умного дома» и некоторых миниатюрных устройствах.

2、CoAP协议

CoAP (Constrained Application Protocol) — это протокол, аналогичный веб-протоколу, используемый в мире Интернета вещей. Он подходит для небольших маломощных датчиков, переключателей, клапанов и подобных компонентов, которые необходимо дистанционно контролировать или отслеживать через стандартную интернет-сеть. Серверу не нужно отвечать на запросы неподдерживаемых типов.

3. Поддержка REST/HTTP.

RESTful — это архитектура программного обеспечения, основанная на ресурсах. Так называемый ресурс — это сущность в сети или конкретная информация в сети. Изображение или песня — это ресурс. RESTful API — это реализация, основанная на протоколе HTTP (HTTP — это протокол прикладного уровня, простой и быстрый).

Приложения или разработки, соответствующие спецификациям Rest, называются RESTful, а API, разработанные в соответствии со спецификациями Rest, называются RESTful API.

4. Протокол ДДС

DDS (Data Distribution Service) — это протокол промежуточного программного обеспечения для распределенной передачи данных в реальном времени. Он является аналогом TCP/IP в распределенных сетях реального времени. Используется для решения проблемы межсетевого взаимодействия протоколов в сетях реального времени. Его функция эквивалентна принципу «шина на шине».

5、AMQP协议

AMQP, или Advanced Message Queuing Protocol (протокол расширенной очереди сообщений), — это стандарт прикладного уровня, предоставляющий унифицированные услуги обмена сообщениями. Это открытый стандарт для протоколов прикладного уровня, разработанный для промежуточного программного обеспечения, ориентированного на сообщения. Клиенты и промежуточное программное обеспечение, основанные на этом протоколе, могут передавать сообщения и не ограничены различными клиентскими/промежуточными продуктами, различными языками разработки и т. д. Реализации на Erlang включают RabbitMQ и др.

6. Поддержка XMPP.

XMPP — это протокол, основанный на XML, подмножестве стандартного универсального языка разметки (SML), который унаследовал гибкость разработки в среде XML. Поэтому приложения на основе XMPP обладают высокой масштабируемостью. После расширения XMPP может удовлетворять потребности пользователей, отправляя расширенную информацию, и на его основе можно создавать такие приложения, как системы публикации контента и адресные сервисы.

4. Сравнение некоторых протоколов связи

1. Сравнение протокола NB-IoT и протокола LoRa.

Во-первых, частотный диапазон. LoRa работает в нелицензированных частотных диапазонах ниже 1 ГГц и не требует дополнительных сборов за подачу заявки. NB-IoT и сотовая связь используют частотные диапазоны ниже 1 ГГц, которые разрешены в соответствии с законом 2113 и требуют оплаты.

Во-вторых, время автономной работы. Модули LoRa обладают уникальными характеристиками в плане защиты от помех, наложения сетей, масштабируемости и т. д., но не могут обеспечить такое же качество обслуживания, как сотовые протоколы. Из-за соображений качества обслуживания NB-IoT не может обеспечить такое же время автономной работы, как LoRa.

В-третьих, стоимость оборудования. Для конечных узлов протокол LoRa проще, чем NB-IoT, его легче разрабатывать, он более применим и совместим с микропроцессорами. В то же время на рынке уже можно найти недорогие, относительно зрелые по технологии модули LoRa, и модернизированные версии будут выпускаться одна за другой.

В-четвертых, охват сети и график развертывания. Стандарт NB-IoT был анонсирован в 2016 году. Помимо развертывания сети, соответствующая коммерциализация и создание производственной цепочки потребуют больше времени и усилий. Вся производственная цепочка LoRa относительно зрелая, и ее продукты «готовы к запуску». В то же время во многих странах мира идет или уже завершено развертывание общенациональных сетей.

2. Сравнение протоколов Bluetooth, WiFi и ZigBee

В настоящее время преимуществом Wi-Fi является его широкое распространение и популярность в тысячах домохозяйств; преимуществом ZigBee является низкое энергопотребление и самоорганизующаяся сеть; преимуществом технологии беспроводной связи UWB является высокая скорость передачи данных; преимуществом Bluetooth — простота создания сети. Однако у этих трех технологий также есть свои недостатки, и ни одна из них не может в полной мере удовлетворить все требования умного дома.

Появление технологии Bluetooth сделало возможной беспроводную связь на коротких расстояниях, однако её сложные протоколы, высокое энергопотребление и высокая стоимость делают её непригодной для промышленного управления и домашних сетей, требующих низкой стоимости и низкого энергопотребления. В частности, самым большим препятствием для Bluetooth является ограниченная дальность передачи. Как правило, эффективная дальность составляет около 10 метров. Такие проблемы, как слабая помехоустойчивость и вопросы информационной безопасности, также являются основными факторами, ограничивающими её дальнейшее развитие и широкое применение.

Wi-Fi — это технология беспроводной передачи данных на короткие расстояния, позволяющая получать доступ к беспроводным сигналам в любое время. Она отличается высокой мобильностью и больше подходит для использования в офисах и дома. Конечно, у Wi-Fi есть и существенный недостаток. Поскольку Wi-Fi использует радиочастотную технологию, которая передает и принимает данные по воздуху и использует радиоволны для передачи сигналов, он более подвержен внешним помехам.

ZigBee — это международно признанная технология беспроводной связи. Каждый из её сетевых портов может подключать до 65 000 портов, что подходит для использования в быту, промышленности, сельском хозяйстве и других областях. Однако сетевые терминалы Bluetooth и Wi-Fi могут подключать только 10 портов, что явно не удовлетворяет потребности домохозяйств. ZigBee также обладает преимуществами низкого энергопотребления и низкой стоимости.

3. Сравнение протокола MQTT и протокола CoAP

MQTT — это протокол связи «многие ко многим», используемый для передачи сообщений между различными клиентами через промежуточный прокси-сервер, разделяющий отправителей и получателей и позволяющий клиенту публиковать сообщения, а прокси-серверу — определять маршрутизацию и копировать их. Хотя MQTT поддерживает некоторую степень сохранения данных, лучше всего его использовать в качестве шины для передачи данных в реальном времени.

CoAP — это, прежде всего, протокол «точка-точка», используемый для передачи информации о состоянии между клиентами и серверами. Хотя наблюдение за ресурсами поддерживается, CoAP лучше всего подходит для модели передачи данных с сохранением состояния и не является полностью событийным протоколом.

MQTT-клиент устанавливает долговременное TCP-соединение. Обычно это означает отсутствие проблем. И CoAP-клиент, и сервер отправляют и получают UDP-пакеты. В среде NAT для обеспечения работы CoAP можно использовать туннелирование или переадресацию портов, или, как в случае с LWM2M, устройство может сначала инициализировать соединение с внешним интерфейсом.

MQTT не поддерживает теги типов сообщений или другие метаданные, помогающие клиентам понимать их. Сообщения MQTT можно использовать для любых целей, но все клиенты должны знать формат передаваемых данных для обеспечения связи. CoAP, вместо этого, обеспечивает встроенную поддержку согласования и обнаружения контента, позволяя устройствам обнаруживать друг друга и находить способ обмена данными.

Оба протокола имеют свои преимущества и недостатки, и выбор подходящего зависит от конкретного приложения.

Данная статья воспроизведена из "Пекинская ассоциация по применению интеллектуальных технологий Интернета вещей«В целях защиты прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации».