2024年物联网协议和标准完整指南;当人们思考物联网 (IoT) 时,物联网协议和标准常常被忽视。通常,该行业的注意力都集中在沟通上。虽然设备、物联网传感器、网关、服务器和用户应用程序之间的交互对于物联网至关重要,但如果没有正确的物联网协议,通信就会失败。

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为什么物联网协议很重要?

物联网协议是物联网技术堆栈的组成部分。如果没有物联网协议和标准,硬件将毫无用处。这是因为物联网协议是在所有这些不同设备之间实现通信(即交换数据或发送命令)的东西。并且,最终用户可以从这些传输的数据和命令中提取有用的信息以及与设备交互和控制设备。

考虑到这一点,我们将研究您的企业在 2024年可能使用的一些最重要的物联网协议和标准。

物联网协议有多少种?
简而言之,很多。物联网是异构的,这意味着典型的物联网系统涉及各种不同的智能设备、协议和应用程序。不同的项目和用例可能需要不同类型的设备和协议。

例如,旨在收集大范围天气数据的物联网网络需要大量不同类型的传感器。拥有如此多的传感器,设备必须重量轻且功耗低,否则传输数据所需的能量将是巨大的。在这种情况下,低功耗是主要优先事项,而不是安全性或传输速度。

然而,如果物联网系统由救护车上的医疗传感器、提前将患者数据传输到医院的传感器组成,那么时间显然至关重要。此外,HIPAA 要求健康数据采用特殊的安全协议。因此,需要更高功率、更快且更安全的协议。

由于物联网系统有多种不同类型和多种不同的应用程序,专家们找到了一种方法,将物联网架构的所有组件分类为不同的类别,称为层。这些层使 IT 团队能够专注于系统中可能需要维护的不同部分,并促进互操作性。换句话说,如果每个系统都遵循一组特定的层或可由一组特定的层定义,则系统更有可能能够通过这些层相互通信。

理解 IoT 层的最佳框架之一是开放系统互连 (OSI) 模型,它在自上而下的架构中定义了七个不同的层。自上而下只是意味着各层的定义从一般人用来与物联网系统交互的内容(例如智能手机应用程序或网站)开始,一直向下到例如在后台工作的以太网电缆来传输数据。

以下是各层:

应用程序层,包含移动和 Web 应用程序,您可以通过它们与 IoT 系统中的设备进行交互。
表示层,对物联网设备收集的数据进行加密和转换,以便应用层能够以可读的格式呈现信息。
会话层,充当传入和传出数据的一种调度程序。每当两个设备需要在物联网系统内进行通信时,系统都需要通过打开会话来安排通信。
传输层,就像运输公司的卡车车队,不同之处在于该层传输数据包而不是运输集装箱。
网络层,就像数据的邮局,协调系统传输数据的地点和时间。路由器是网络层的主要部分,它告诉数据包如何到达目的地。
数据链路层,纠正由于物理层硬件异常或损坏而导致的错误,并链接不同的设备,以便它们可以通过网络层传输数据。
物理层,由以太网电缆、蜂窝塔等组成。
OSI 是一个概念模型,这意味着它并不总是物联网系统的实际外观。就像工厂可能被划分为不同的维护区域以简化查找和解决不同机器问题的过程一样,OSI 的七层允许 IT 团队将错误原因归零。此外,OSI 模型提供了一种方便的方法来详细解释物联网网络的不同可能部分。

专家还将物联网架构简化为三层、四层或五层模型,如有必要,每个模型都可以根据 OSI 结构进一步细分。例如,三层模型有一个应用程序层,就像 OSI 模型一样。然后是网络/互联网层。最后,感知/传感层由物联网系统中的所有传感器组成。

四层模型最容易与 OSI 模型进行比较。应用层包括 OSI 模型的应用层、表示层和会话层。然后是传输层和网络/互联网层,用于以数字方式传输数据。最后是物理网络访问层,其中包括任何以太网电缆、路由器、调制解调器等。为了更清楚地了解 OSI 和四层模型之间的关系,请参见下图。

2023 年物联网协议和标准完整指南

信息图展示了物联网协议在四层物联网堆栈中的位置。
最后,五层模型在其他层之上添加了业务层。业务层也可以称为数据分析层或云数据库层。在这一层,从传感器收集的数据变得可操作。随着基于数据的维护和操作的增加,当今大多数物联网系统都具有某种形式的业务层。下图比较了三层和五层架构。

显示物联网协议和标准如何与三层和五层物联网模型相关的信息图。
同样,将所有这些组件组织成层的目的之一是将各种协议的不同功能归零。例如,上述所有模型中都包含的应用程序协议以典型用户可以理解的方式转换/呈现数据。

应用协议可以包括:

可扩展消息传递和状态协议 (XMPP)
消息队列遥测传输 (MQTT)
受限应用协议 (CoAP)
简单对象访问协议 (SOAP)
超文本传输​​协议 (HTTP)
在理想的情况下,该应用层中的任何协议都应该能够与任何其他协议进行通信。

网络层协议允许物联网网络中的设备相互通信,包括:

蓝牙
以太网
无线上网
紫蜂
线
蜂窝网络(4G 或 5G)
等等。同样,在理想的物联网系统中,这些协议中的任何一个都应该与该层中的任何其他协议兼容。

物联网合格设备使用哪些协议?
本质上,物联网协议和标准大致分为两个不同的类别。这些都是:

物联网数据协议(表示/应用层)
物联网网络协议(数据链路/物理层)
物联网数据协议
让我们仔细看看每个类别涉及的协议。

物联网数据协议用于连接低功耗物联网设备。它们提供与用户端硬件的通信,无需任何互联网连接。物联网数据协议和标准中的连接是通过有线或蜂窝网络进行的。 IoT 数据协议的一些示例包括:

可扩展消息传递和状态协议 (XMPP)
XMPP是一种相当灵活的数据传输协议,是一些即时消息技术(包括 Messenger 和 Google Hangouts)的基础。 XMPP 是一种开放协议,可免费使用且易于使用。这就是为什么许多人使用该协议进行物联网设备之间的机器对机器 (M2M) 通信,或设备与主服务器之间的通信。

XMPP 为设备提供类似于电子邮件地址的 ID。然后,设备之间可以可靠、安全地进行通信。专家可以根据不同的用例定制 XMPP,并用于传输非结构化数据或结构化数据(如完全格式化的文本消息)。

MQTT(消息队列遥测传输)
MQTT是一种轻量级的物联网数据协议。它具有发布者-订阅者消息传递模型,并允许在不同设备之间进行简单的数据流动。MQTT的主要卖点是它的架构。它的基因构成是基本和轻巧的,因此,它能够为设备提供低功耗。它还可以在 TCP/IP 协议之上工作。

物联网数据协议旨在解决不可靠的通信网络问题。由于过去几年网络中出现的小型、廉价和低功耗物体的数量不断增加,这成为物联网世界的一种需求。

尽管 MQTT 得到了广泛采用(最引人注目的是作为工业应用的物联网标准),但它不支持定义的数据表示和设备管理结构模式。因此,数据和设备管理功能的实现完全是特定于平台或供应商的。另外,该协议没有内置的安全措施,因此必须在设备和/或应用程序级别管理安全性。

如果您想了解有关 MQTT 的更多信息,请查看“在物联网中使用 MQTT 的优点和缺点”

CoAP(受限应用协议)
CoAP是应用层协议。它旨在满足基于 HTTP 的 IoT 系统的需求。 HTTP 是万维网数据通信的基础。

虽然任何物联网设备都可以免费使用现有的互联网结构,但对于物联网应用来说,它通常过于笨重且耗电。这导致物联网社区中的许多人认为 HTTP 是一种不适合物联网的协议。

然而,CoAP 通过将 HTTP 模型转换为在限制性设备和网络环境中使用来解决此限制。它的开销非常低,易于使用,并且能够启用多播支持。

因此,CoAP 非常适合在资源有限的设备中使用,例如IoT 微控制器或 WSN 节点。它传统上用于涉及智能能源和楼宇自动化的应用。

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AMQP(高级消息队列协议)
AMQP 是一种开放标准应用层协议,用于服务器之间的事务消息。

该物联网协议的主要功能如下:

接收消息并将其放入队列
存储消息
设置这些组件之间的关系
凭借其高水平的安全性和可靠性,AMQP 最常用于需要基于服务器的分析环境的环境中,例如银行业。然而,它并没有在其他地方广泛使用。由于其笨重,AMQP 不适合内存有限的物联网传感器设备。因此,它在物联网领域的使用仍然相当有限。

DDS(数据分发服务)
DDS 是另一种可扩展的 IoT 协议,可实现 IoT 中的高质量通信。与 MQTT 类似,DDS 也适用于发布者-订阅者模型。

它可以部署在多种设置中,从云端到非常小的设备。这使其非常适合实时和嵌入式系统。此外,与 MQTT 不同,DDS 协议允许独立于硬件和软件平台的可互操作数据交换。事实上,DDS 被认为是第一个开放的国际中间件物联网标准。

HTTP(超文本传输​​协议)
我们之前已经简要介绍过 HTTP 模型。如前所述,由于成本、电池寿命、巨大的功耗和重量问题,HTTP 协议并不是首选的物联网标准。

话虽如此,它仍在某些行业中使用。例如,制造和 3D 打印依赖于 HTTP 协议,因为它可以发布大量数据。它使 PC 连接到网络中的 3D 打印机并打印三维物体。

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WebSocket
WebSocket 最初是在 2011 年作为HTML5 计划的一部分开发的。 WebSocket 允许通过单个 TCP 连接在客户端和服务器之间发送消息。

与 CoAp 一样,WebSocket 具有标准连接协议,有助于简化互联网上连接管理和双向通信所涉及的许多复杂性和困难。

WebSocket 可应用于物联网网络,其中数据在多个设备之间连续通信。因此,您会发现它最常用于充当客户端或服务器的地方。这包括运行时环境或库。

物联网网络协议
现在我们已经介绍了物联网数据协议,我们将了解物联网的不同网络协议。

物联网网络协议用于通过网络连接设备。这些协议集通常在互联网上使用。以下是各种物联网网络协议的一些示例。

轻量级 M2M (LWM2M)
许多物联网系统依赖于资源受限的设备和传感器,以及耗电量很少的设备。问题是这些设备之间或从设备到中央服务器的任何通信也必须非常轻量级并且需要很少的能量。

收集气象数据是一种需要在大范围内安装数百或数千个传感器的用例。想象一下,如果所有这些设备都需要大量能源来运行和传输数据,会对环境造成影响。相反,专家们依靠轻量级通信协议来减少此类系统的能耗。

极大地促进轻量级通信的网络协议之一是轻量级M2M(LWM2M)协议。 LWM2M 在物联网系统中的设备之间提供远程、长距离连接。该协议主要以小型、高效的数据包传输数据。

蜂窝网络
蜂窝网络是连接物联网设备的另一种方法。大多数物联网系统依赖 4G 蜂窝协议,尽管 5G 也有一些应用。蜂窝网络通常比上述大多数协议消耗更多电量,但也许更重要的是,蜂窝连接需要您支付 SIM 卡费用。当您需要在大范围内使用大量设备时,成本很快就会变得令人望而却步。 。

尽管如此,蜂窝网络的延迟非常低,并且可以支持高速数据传输。特别是 4G 比 3G 迈出了一大步,因为 4G 速度快了十倍。当您使用智能手机的数据远程控制某些 IoT 设备或与之交互时,您通常使用 4G 或 5G。一个例子是,当您出门在外时,使用手机数据查看智能安全摄像头的信息。

无线上网
Wi-Fi 是此列表中最著名的物联网协议。然而,仍然值得解释一下最流行的物联网协议的工作原理。

为了创建 Wi-Fi 网络,您需要一个可以发送无线信号的设备。这些包括:

电话
电脑
路由器
Wi-Fi 为特定范围内的附近设备提供互联网连接。使用 Wi-Fi 的另一种方法是创建 Wi-Fi 热点。移动电话或计算机可以通过广播信号与其他设备共享无线或有线互联网连接。

Wi-Fi 使用无线电波在特定频率(例如 2.4 GHz 或 5GHz 信道)上广播信息。此外,这两个频率范围都有许多不同的无线设备可以工作的通道。这可以防止无线网络溢出。

Wi-Fi 连接的范围通常为 100 米。话虽如此,最常见的距离仅限于 10 至 35 米。对 Wi-Fi 连接范围和速度的主要影响是环境以及是否提供内部覆盖或外部覆盖。

蓝牙
与此处列出的其他物联网网络协议相比,蓝牙倾向于跳频并且范围通常较短。然而,由于它集成到现代移动设备(智能手机和平板电脑等)以及可穿戴技术(例如无线耳机)中,它赢得了巨大的用户群。由于许多不同的设备和系统都可以使用蓝牙,因此它非常有助于促进互操作性,从而实现截然不同的系统和应用程序之间的通信。

标准蓝牙技术使用 2.4 GHz ISM 频段的无线电波,并以数据包的形式发送到 79 个通道之一。然而,最新的蓝牙4.0标准有40个通道,带宽为2Mhz。这保证了高达 3 Mb/s 的最大数据传输率。这项新技术被称为低功耗蓝牙 (BLE),可以成为需要显着灵活性、可扩展性和低功耗的物联网应用的基础。

BLE 最初并不是蓝牙技术。诺基亚提出了这一概念,很快就引起了蓝牙特别兴趣小组的注意。自此,蓝牙全面采用BLE作为重要的通信协议。

但由于蓝牙的范围较小,它并不适合所有用例。此外,由于任何其他支持蓝牙的设备都可以发现任何支持蓝牙的设备进行配对,因此 BLE 没有内置安全功能来防止未经授权的连接。您需要在应用程序层添加安全措施。

因此,虽然 BLE 是智能家居和办公室的绝佳选择,因为附近有相当数量的 IoT 设备构成单个 IoT 系统,但 BLE 不太适合长距离传输敏感数据或远程访问 IoT 系统从很远的地方。

紫蜂
基于 ZigBee 的网络与蓝牙网络类似,因为 ZigBee 已经在物联网领域拥有重要的用户群。

然而,其规格略胜于更普遍使用的蓝牙。 ZigBee具有功耗低、数据范围小、安全性高、通信距离远等优点。 (ZigBee 的传输距离可达 200 米,而蓝牙的最大传输距离为 100 米。)

Zigbee 是一种相对简单的协议,通常在要求较低的设备中实现,例如微控制器和传感器。此外,它可以轻松扩展到数千个节点。毫不奇怪,许多供应商都提供支持 ZigBee 开放标准自组装和自愈网格拓扑模型的设备。

线
Thread 是一种基于 Zigbee 的新物联网协议,是一种在相对较小的区域内为低功耗设备提供基于无线电的互联网访问的方法。 Thread 与 Zigbee 或 Wi-Fi 非常相似,但它具有很高的能效。此外,Thread 网络具有自我修复功能,这意味着网络中的某些设备可以充当路由器来取代损坏或出现故障的路由器。

Thread 可以连接最多 250 个设备,其中最多 32 个设备是网络中的活动路由器。新开发的 Matter 协议在应用程序级别运行,以支持不同 IoT 设备和协议之间的互操作性(兼容性),通常运行在 Thread 之上。

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Z波
Z-Wave 是一种日益流行的物联网协议。它是一种无线射频通信技术,主要用于物联网家庭应用。它的工作频率为 800 至 900MHz,而 Zigbee 的工作频率为 2.4GHz,这也是 Wi-Fi 的主要频率。

通过在自己的范围内运行,Z-Wave 很少遭受任何重大干扰问题。然而,Z-Wave 设备的运行频率取决于位置,因此请确保您购买适合您所在国家/地区的设备。

Z-Wave 是一个令人印象深刻的物联网协议。然而,与 ZigBee 一样,它最好在家庭中使用,而不是在商业世界中使用。

LoRaWAN(远程广域网)
LoRaWAN 是一种媒体访问控制 (MAC) 物联网协议。 LoRaWAN 允许低功耗设备通过远程无线连接直接与互联网连接的应用程序进行通信。此外,它还能够映射到 OSI 模型的第二层和第三层。 LoRaWAN 是在工业、科学和医疗 (ISM) 无线电频段的 LoRa 或 FSK 调制之上实现的。

底线
如您所见,为您的项目选择正确的物联网协议和标准至关重要。如果选择错误,整个技术堆栈就会崩溃。因此,您应该为您的物联网应用选择正确的一种。

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