Phân tích đầy đủ các giao thức truyền thông của Internet vạn vật (IoT).

Khi số lượng thiết bị IoT tiếp tục tăng lên, việc giao tiếp hoặc kết nối giữa các thiết bị này đã trở thành một chủ đề quan trọng cần quan tâm. Giao tiếp rất phổ biến và quan trọng đối với Internet vạn vật. Cho dù đó là công nghệ truyền dẫn không dây tầm ngắn hay công nghệ truyền thông di động, nó đều ảnh hưởng đến sự phát triển của Internet vạn vật. Trong giao tiếp, các giao thức giao tiếp đặc biệt quan trọng. Chúng là các quy tắc và thỏa thuận mà các thực thể ở cả hai phía phải tuân theo để hoàn thành việc giao tiếp hoặc dịch vụ. Bài viết này giới thiệu một số giao thức giao tiếp IoT hiện có với hiệu năng, tốc độ dữ liệu, phạm vi phủ sóng, công suất và bộ nhớ khác nhau, và mỗi giao thức đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Một số giao thức giao tiếp này chỉ phù hợp với các thiết bị gia dụng nhỏ, trong khi những giao thức khác có thể được sử dụng trong các dự án thành phố thông minh quy mô lớn. Các giao thức giao tiếp Internet vạn vật được chia thành hai loại, một là giao thức truy cập và loại kia là giao thức truyền thông. Giao thức truy cập thường chịu trách nhiệm về mạng và giao tiếp giữa các thiết bị trong một mạng con; giao thức truyền thông chủ yếu là giao thức truyền thông thiết bị chạy trên giao thức TCP/IP Internet truyền thống và chịu trách nhiệm trao đổi dữ liệu và giao tiếp giữa các thiết bị thông qua Internet.

1. Các giao thức lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu

1. Truyền thông di động tầm xa

(1) Các giao thức truyền thông 2G/3G/4G lần lượt đề cập đến các giao thức hệ thống truyền thông di động thế hệ thứ hai, thứ ba và thứ tư.

（2）NB-IoT

Internet vạn vật băng tần hẹp (NB-IoT) đã trở thành một nhánh quan trọng của Internet vạn vật. NB-IoT được xây dựng trên mạng di động và chỉ tiêu thụ khoảng 180kHz băng thông. Nó có thể được triển khai trực tiếp trên mạng GSM, mạng UMTS hoặc mạng LTE để giảm chi phí triển khai và đạt được khả năng nâng cấp dễ dàng. NB-IoT tập trung vào thị trường Internet vạn vật (IoT) phủ sóng rộng công suất thấp (LPWA) và là một công nghệ mới nổi có thể được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Nó có các đặc điểm như vùng phủ sóng rộng, nhiều kết nối, tốc độ nhanh, chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp và kiến ​​trúc ưu việt.

Các kịch bản ứng dụng: Các kịch bản ứng dụng được mạng NB-IoT mang lại bao gồm bãi đỗ xe thông minh, phòng cháy chữa cháy thông minh, dịch vụ cấp nước thông minh, đèn đường thông minh, xe đạp dùng chung và thiết bị gia dụng thông minh.

（3）5G

Công nghệ truyền thông di động thế hệ thứ năm (5G) là thế hệ công nghệ truyền thông di động tế bào mới nhất. Các mục tiêu về hiệu năng của 5G bao gồm tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí, tăng dung lượng hệ thống và khả năng kết nối thiết bị quy mô lớn.

Các kịch bản ứng dụng: Thực tế ảo/Thực tế tăng cường (AR/VR), Internet xe cộ, sản xuất thông minh, năng lượng thông minh, chăm sóc y tế không dây, giải trí tại nhà không dây, máy bay không người lái kết nối, phát sóng trực tiếp độ phân giải cực cao/toàn cảnh, trợ lý AI cá nhân và thành phố thông minh.

2. Giao tiếp tầm xa không dùng mạng di động

（1)Wi-Fi

Do sự phổ biến nhanh chóng của bộ định tuyến WiFi gia đình và điện thoại thông minh trong vài năm qua, giao thức WiFi cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nhà thông minh. Ưu điểm lớn nhất của giao thức WiFi là khả năng truy cập Internet trực tiếp. So với ZigBee, giải pháp nhà thông minh sử dụng giao thức WiFi loại bỏ nhu cầu về các thiết bị cổng bổ sung. So với giao thức Bluetooth, nó loại bỏ sự phụ thuộc vào các thiết bị di động như điện thoại di động.

Việc phủ sóng WiFi thương mại tại các địa điểm công cộng như phương tiện giao thông công cộng đô thị và trung tâm mua sắm đã chứng minh rõ ràng tiềm năng của WiFi thương mại trong các ứng dụng thực tiễn.

（2）ZigBee

ZigBee là một giao thức truyền thông không dây dành cho truyền dẫn tốc độ thấp và khoảng cách ngắn. Nó là một mạng truyền dữ liệu không dây có độ tin cậy cao. Các đặc điểm chính của nó là tốc độ thấp, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí thấp, hỗ trợ số lượng lớn các nút trực tuyến, hỗ trợ nhiều cấu trúc liên kết trực tuyến, độ phức tạp thấp, nhanh, đáng tin cậy và an toàn. Công nghệ ZigBee là một công nghệ mới xuất hiện gần đây. Nó chủ yếu dựa vào mạng không dây để truyền dẫn. Nó có thể thực hiện các kết nối không dây ở khoảng cách ngắn và là một công nghệ truyền thông mạng không dây.

Những ưu điểm vốn có của công nghệ ZigBee đã dần đưa nó trở thành công nghệ chủ đạo trong ngành Internet vạn vật, và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, nhà thông minh và các lĩnh vực khác.

（3)LoRa

LoRa (LongRange, tầm xa) là công nghệ điều chế cung cấp khoảng cách liên lạc xa hơn so với các công nghệ tương tự. LoRa được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm IoT như cổng LoRa, cảm biến khói, giám sát nước, phát hiện hồng ngoại, định vị, ổ cắm điện và nhiều sản phẩm khác. Là một công nghệ không dây băng hẹp, LoRa sử dụng sự chênh lệch thời gian đến để xác định vị trí địa lý. Các kịch bản ứng dụng của định vị LoRa: thành phố thông minh và giám sát giao thông, đo lường và hậu cần, giám sát định vị nông nghiệp.

3. Giao tiếp trường gần

（1)RFID

RFID là viết tắt của Radio Frequency Identification (Nhận dạng tần số vô tuyến). Nguyên lý hoạt động là truyền dữ liệu không tiếp xúc giữa đầu đọc và thẻ để xác định đối tượng cần nhận dạng. RFID được sử dụng rộng rãi. Các ứng dụng điển hình bao gồm chip cho động vật, chip báo động ô tô, kiểm soát ra vào, kiểm soát bãi đậu xe, tự động hóa dây chuyền sản xuất và quản lý vật liệu. Một hệ thống RFID hoàn chỉnh bao gồm ba phần: đầu đọc (Reader), thẻ điện tử (Tag) và hệ thống quản lý dữ liệu.

（2)NFC

Tên đầy đủ tiếng Trung của NFC là công nghệ giao tiếp trường gần. NFC được phát triển dựa trên công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến không tiếp xúc (RFID) và kết hợp với công nghệ kết nối không dây. Nó cung cấp một phương thức giao tiếp rất an toàn và nhanh chóng cho nhiều sản phẩm điện tử ngày càng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. "Trường gần" trong tên tiếng Trung của NFC đề cập đến sóng vô tuyến gần trường điện từ.

Các trường hợp ứng dụng: được sử dụng trong kiểm soát ra vào, chấm công, quản lý khách thăm, điểm danh cuộc họp, tuần tra và các lĩnh vực khác. NFC có các chức năng như tương tác người-máy và tương tác máy-máy.

（3）Bluetooth

Công nghệ Bluetooth là một tiêu chuẩn mở toàn cầu dành cho truyền thông dữ liệu và thoại không dây. Đây là một công nghệ kết nối không dây tầm ngắn đặc biệt, thiết lập môi trường giao tiếp cho các thiết bị cố định và di động dựa trên các kết nối không dây tầm ngắn chi phí thấp.

Công nghệ Bluetooth cho phép trao đổi thông tin không dây giữa nhiều thiết bị, bao gồm điện thoại di động, PDA, tai nghe không dây, máy tính xách tay và các thiết bị ngoại vi liên quan, v.v. Việc sử dụng công nghệ "Bluetooth" có thể đơn giản hóa hiệu quả việc giao tiếp giữa các thiết bị đầu cuối di động, đồng thời đơn giản hóa thành công việc giao tiếp giữa thiết bị và Internet, giúp truyền dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn, mở rộng con đường cho truyền thông không dây.


4. Giao tiếp có dây

（1） USB

USB, viết tắt của Universal Serial Bus trong tiếng Anh, là một chuẩn bus ngoại vi được sử dụng để chuẩn hóa kết nối và giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Đây là một công nghệ giao diện được ứng dụng trong lĩnh vực máy tính cá nhân.

(2) Giao thức truyền thông nối tiếp

Giao thức truyền thông nối tiếp đề cập đến các thông số kỹ thuật liên quan quy định nội dung của gói dữ liệu, bao gồm bit bắt đầu, dữ liệu chính, bit kiểm tra và bit dừng. Cả hai bên cần thống nhất về định dạng gói dữ liệu để gửi và nhận dữ liệu bình thường. Trong truyền thông nối tiếp, các giao thức thường được sử dụng bao gồm RS-232, RS-422 và RS-485.

Giao tiếp nối tiếp đề cập đến phương pháp truyền dữ liệu từng bit một thông qua các đường truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi và máy tính. Phương pháp này sử dụng ít đường truyền dữ liệu hơn và có thể tiết kiệm chi phí truyền thông đường dài, nhưng tốc độ truyền chậm hơn so với truyền song song. Hầu hết các máy tính (không bao gồm máy tính xách tay) đều có hai cổng nối tiếp RS-232. Giao tiếp nối tiếp cũng là một giao thức truyền thông thường được sử dụng cho các thiết bị và dụng cụ đo lường.

(3) Ethernet

Ethernet là công nghệ mạng cục bộ máy tính. Tiêu chuẩn IEEE 802.3 của tổ chức IEEE quy định tiêu chuẩn kỹ thuật của Ethernet, trong đó nêu rõ nội dung bao gồm dây dẫn lớp vật lý, tín hiệu điện tử và giao thức lớp truy cập phương tiện.

（4）MBus

Hệ thống đọc đồng hồ từ xa MBus (symphonic mbus) là một tiêu chuẩn bus 2 dây của châu Âu, chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị đo lường tiêu thụ như đồng hồ đo nhiệt và đồng hồ đo nước.

2. Lớp mạng và giao thức truyền dẫn

1、IPv4

Giao thức truyền thông Internet phiên bản 4 (IPv4) là phiên bản sửa đổi thứ tư trong quá trình phát triển của giao thức Internet và là phiên bản được triển khai rộng rãi đầu tiên của giao thức này. IPv4 là cốt lõi của Internet và là phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất của giao thức Internet.

2、IPv6

Giao thức Internet phiên bản 6 (IPv4) ra đời vì vấn đề lớn nhất của IPv4 là tài nguyên địa chỉ mạng bị hạn chế, điều này hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng và phát triển Internet. Việc sử dụng IPv6 không chỉ giải quyết vấn đề về số lượng tài nguyên địa chỉ mạng mà còn giải quyết được trở ngại cho nhiều thiết bị truy cập kết nối với Internet.

3.TCP

Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) là một giao thức truyền thông lớp vận chuyển dựa trên luồng byte, hướng kết nối và đáng tin cậy. TCP được thiết kế để phù hợp với hệ thống phân cấp giao thức nhiều lớp, hỗ trợ nhiều ứng dụng mạng. TCP được sử dụng để cung cấp các dịch vụ truyền thông đáng tin cậy giữa các cặp tiến trình trong máy chủ được kết nối với các mạng truyền thông máy tính khác nhau nhưng được kết nối với nhau. TCP giả định rằng nó có thể nhận được các dịch vụ datagram đơn giản, có thể không đáng tin cậy, từ các giao thức cấp thấp hơn.

4、6LoWPAN

6LoWPAN là một tiêu chuẩn mạng cá nhân không dây tốc độ thấp dựa trên IPv6, cụ thể là IPv6 trên nền tảng IEEE 802.15.4.

3. Giao thức lớp ứng dụng

1、MQTT được sử dụng

MQTT (Message Queue Telemetry Transport), dịch sang tiếng Trung, là một giao thức truyền dữ liệu đo từ xa. Nó chủ yếu cung cấp hai chế độ gửi tin nhắn: đăng ký/xuất bản. MQTT đơn giản, nhẹ và dễ sử dụng hơn. Nó đặc biệt phù hợp cho việc phân phối tin nhắn trong môi trường hạn chế (băng thông thấp, độ trễ mạng cao và giao tiếp mạng không ổn định). Đây là một giao thức truyền tải tiêu chuẩn cho Internet vạn vật (IoT).

Trong nhiều trường hợp, kể cả trong môi trường hạn chế như giao tiếp giữa máy với máy (M2M) và Internet vạn vật (IoT), công nghệ này đã được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến giao tiếp qua liên kết vệ tinh, thiết bị y tế để gọi điện thoại không thường xuyên, nhà thông minh và một số thiết bị thu nhỏ.

2、CoAP được sử dụng

CoAP (Constrained Application Protocol) là một giao thức tương tự như Web trong thế giới Internet vạn vật. Nó phù hợp với các cảm biến, công tắc, van và các thành phần tương tự có kích thước nhỏ, công suất thấp cần được điều khiển hoặc giám sát từ xa thông qua mạng Internet tiêu chuẩn. Máy chủ không cần phải phản hồi các kiểu dữ liệu không được hỗ trợ.

3、Sử dụng REST/HTTP

RESTful là một kiểu kiến ​​trúc phần mềm dựa trên tài nguyên. Cái gọi là tài nguyên là một thực thể trên mạng, hoặc một thông tin cụ thể trên mạng. Một bức ảnh hoặc một bài hát là một tài nguyên. API RESTful là một triển khai dựa trên giao thức HTTP. (HTTP là một giao thức lớp ứng dụng, đơn giản và nhanh).

Các ứng dụng hoặc thiết kế đáp ứng các tiêu chuẩn REST được gọi là RESTful, và các API được thiết kế theo tiêu chuẩn REST được gọi là API RESTful.

4. Giao thức DDS

DDS (Data Distribution Service) là một giao thức phần mềm trung gian dịch vụ phân phối dữ liệu thời gian thực phân tán. Nó được ví như "TCP/IP" trong mạng thời gian thực phân tán. Nó được sử dụng để giải quyết vấn đề kết nối giao thức mạng trong mạng thời gian thực. Chức năng của nó tương đương với "một đường truyền trên một đường truyền khác".

5、AMQP được sử dụng

AMQP, hay Giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao, là một giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao tiêu chuẩn ở lớp ứng dụng, cung cấp các dịch vụ nhắn tin thống nhất. Nó là một tiêu chuẩn mở cho các giao thức lớp ứng dụng và được thiết kế cho phần mềm trung gian hướng tin nhắn. Các máy khách và phần mềm trung gian nhắn tin dựa trên giao thức này có thể truyền tin nhắn và không bị hạn chế bởi các sản phẩm máy khách/phần mềm trung gian khác nhau, các ngôn ngữ lập trình khác nhau, v.v. Các triển khai trong Erlang bao gồm RabbitMQ, v.v.

6、XMPP được sử dụng

XMPP là một giao thức dựa trên XML, một tập hợp con của Ngôn ngữ đánh dấu phổ quát tiêu chuẩn (SUDL), kế thừa tính linh hoạt để phát triển trong môi trường XML. Do đó, các ứng dụng dựa trên XMPP có khả năng mở rộng cao. Sau khi được mở rộng, XMPP có thể đáp ứng nhu cầu của người dùng bằng cách gửi thông tin mở rộng, và các ứng dụng như hệ thống xuất bản nội dung và dịch vụ dựa trên địa chỉ có thể được xây dựng trên nền tảng XMPP.

4. So sánh một số giao thức truyền thông

1. So sánh giữa giao thức NB-IoT và giao thức LoRa

Đầu tiên là dải tần số. LoRa hoạt động trong các dải tần số không cần cấp phép dưới 1GHz và không yêu cầu phí bổ sung khi sử dụng. NB-IoT và truyền thông di động sử dụng các dải tần số dưới 1GHz, được cấp phép theo tiêu chuẩn 2113 và yêu cầu trả phí.

Thứ hai, về thời lượng pin. Các mô-đun LoRa có những đặc điểm riêng biệt trong việc xử lý nhiễu, chồng chéo mạng, khả năng mở rộng, v.v., nhưng không thể cung cấp chất lượng dịch vụ tương đương với các giao thức di động. Do những cân nhắc về chất lượng dịch vụ, NB-IoT không thể cung cấp thời lượng pin tương tự như LoRa.

Thứ ba, chi phí thiết bị. Đối với các thiết bị đầu cuối, giao thức LoRa đơn giản hơn so với NB-IoT, dễ phát triển hơn và khả năng ứng dụng cũng như tương thích với bộ vi xử lý cao hơn. Đồng thời, các mô-đun LoRa có chi phí thấp, công nghệ tương đối hoàn thiện đã có mặt trên thị trường, và các phiên bản nâng cấp sẽ được phát hành liên tục.

Thứ tư, phạm vi phủ sóng mạng và tiến độ triển khai. Tiêu chuẩn NB-IoT được công bố vào năm 2016. Bên cạnh việc triển khai mạng, việc thương mại hóa và thiết lập chuỗi ngành tương ứng sẽ cần nhiều thời gian và nỗ lực hơn để nghiên cứu. Toàn bộ chuỗi ngành của LoRa tương đối trưởng thành, và các sản phẩm của nó đã "sẵn sàng ra mắt". Đồng thời, nhiều quốc gia trên thế giới đang tiến hành hoặc đã hoàn thành việc triển khai mạng lưới trên toàn quốc.

2. So sánh các giao thức Bluetooth, WiFi và ZigBee

Hiện nay, ưu điểm của WiFi là được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong hàng nghìn hộ gia đình; ưu điểm của ZigBee là tiêu thụ điện năng thấp và khả năng tự tổ chức mạng; ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây UWB là tốc độ truyền tải cao; ưu điểm của Bluetooth là khả năng kết nối mạng đơn giản. Tuy nhiên, cả ba công nghệ này đều có những nhược điểm riêng, và không có công nghệ nào có thể đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của nhà thông minh.

Sự ra đời của công nghệ Bluetooth cho phép giao tiếp không dây tầm ngắn, nhưng các giao thức phức tạp, mức tiêu thụ điện năng cao và chi phí cao khiến nó không phù hợp với điều khiển công nghiệp và mạng gia đình vốn yêu cầu chi phí và mức tiêu thụ điện năng thấp. Đặc biệt, trở ngại lớn nhất của Bluetooth là phạm vi truyền dẫn hạn chế. Thông thường, phạm vi hoạt động hiệu quả chỉ khoảng 10 mét. Các vấn đề như khả năng chống nhiễu yếu và vấn đề bảo mật thông tin cũng là những yếu tố chính hạn chế sự phát triển và ứng dụng quy mô lớn của nó.

WiFi cũng là một công nghệ truyền dẫn không dây tầm ngắn, cho phép truy cập tín hiệu không dây bất cứ lúc nào. Nó có tính di động cao và phù hợp hơn để sử dụng trong môi trường văn phòng và gia đình. Tất nhiên, WiFi cũng có một nhược điểm chí mạng. Vì WiFi sử dụng công nghệ tần số vô tuyến, gửi và nhận dữ liệu qua không khí và sử dụng sóng radio để truyền tín hiệu dữ liệu, nên nó dễ bị nhiễu từ bên ngoài hơn.

ZigBee là công nghệ truyền thông không dây được quốc tế chấp nhận. Mỗi cổng mạng của nó có thể kết nối tới hơn 65,000 cổng, phù hợp để sử dụng trong gia đình, công nghiệp, nông nghiệp và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối mạng Bluetooth và WiFi chỉ có thể kết nối 10 cổng, rõ ràng là không đáp ứng được nhu cầu của gia đình. ZigBee cũng có ưu điểm là tiêu thụ điện năng thấp và chi phí thấp.

3. So sánh giữa giao thức MQTT và giao thức CoAP

MQTT là một giao thức truyền thông nhiều-đến-nhiều được sử dụng để truyền tải thông điệp giữa các máy khách khác nhau thông qua một máy chủ trung gian, tách biệt người gửi và người nhận, cho phép máy khách xuất bản và để máy chủ trung gian quyết định định tuyến và sao chép thông điệp. Mặc dù MQTT hỗ trợ một số tính năng lưu trữ dữ liệu lâu dài, nhưng nó được sử dụng tốt nhất như một hệ thống truyền dữ liệu thời gian thực.

CoAP chủ yếu là một giao thức điểm-đến-điểm được sử dụng để truyền thông tin có trạng thái giữa máy khách và máy chủ. Mặc dù hỗ trợ quan sát tài nguyên, CoAP phù hợp nhất với mô hình truyền tải có trạng thái và không hoàn toàn dựa trên sự kiện.

Máy khách MQTT thiết lập kết nối TCP dài hạn. Điều này thường có nghĩa là không có vấn đề gì. Cả máy khách CoAP và máy chủ đều đang gửi và nhận các gói UDP. Trong môi trường NAT, có thể sử dụng đường hầm hoặc chuyển tiếp cổng để cho phép CoAP, hoặc giống như LWM2M, thiết bị có thể khởi tạo kết nối phía trước trước.

MQTT không hỗ trợ các thẻ loại tin nhắn hoặc siêu dữ liệu khác để giúp các máy khách hiểu được. Tin nhắn MQTT có thể được sử dụng cho bất kỳ mục đích nào, nhưng tất cả các máy khách phải biết định dạng dữ liệu gửi đến để có thể giao tiếp. Ngược lại, CoAP cung cấp hỗ trợ tích hợp cho việc đàm phán và khám phá nội dung, cho phép các thiết bị phát hiện lẫn nhau để tìm cách trao đổi dữ liệu.

Cả hai giao thức đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng của bạn.

Bài viết này được sao chép từ "Hiệp hội Ứng dụng Công nghệ Thông minh Internet vạn vật Bắc KinhĐể ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại. Nếu phát hiện vi phạm, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.