沃卡惠行业资讯

资讯详情

流行的物联网通信协议回顾

2022-08-20 08:48:384636

选择错误的物联网通信技术会耗尽您连接的设备的电量，导致数据传输延迟，打开安全漏洞，并使整个设置失败。

根据市场研究公司IoT Analytics的数据，2020年全球有117亿个IoT连接，预计到2025年这个数字将超过300亿。随着物联网的采用持续增长，仔细考虑如何以最佳方式连接信息物理系统并避免信号干扰。

有许多物联网通信协议，筛选它们的规范并确定哪种技术适合您的应用程序可能会让人不知所措。本文阐明了围绕物联网连接的基本术语，并介绍了最流行的物联网协议。阅读后，您将了解选择可帮助您充分利用物联网产品的协议所需的知识。

如果您想在提升通信协议知识之前更好地了解IoT，请查看本IoT产品开发指南。否则，让我们直接潜入！

流行的物联网通信协议回顾

物联网设备如何相互通信？

通信协议是一组规则，可实现设备和/或数据中心以及其他存储和处理单元之间的安全数据交换。

每种物联网通信协议都有其独特的特点，这使其适用于一个项目而对另一个项目无用。协议在范围、内存使用、功耗、安装成本等方面差异很大。有些只能连接一栋建筑物内的设备，有些则可以跨越物理障碍进行通信。例如，蓝牙是一种常用的智能家居、健身技术和医疗保健物联网通信技术，它不需要太多的内存和电源即可运行，但其连接范围有限。

正如Gartner高级研究总监比尔·雷(Bill Ray)所说，“并非所有协议在任何情况下都能正常工作或运行良好。”

IoT通信协议支持以下连接：

设备到设备
设备到网关
设备到云端或数据中心

由于物联网解决方案是作为技术堆栈构建的，并且由多个层组成，如下图所示，因此通信协议也在不同的层上运行。例如，前面提到的蓝牙工作在最低层，而数据分发服务（DDS）协议工作在最高层——即应用层。

无线与有线物联网系统

有线物联网设备通过低压或标准电源线连接。每个节点都有一个唯一的ID和在其上运行的嵌入式软件。这些设备是自给自足的，不依赖于中央集线器。它们通过特殊协议进行通信，例如X10和Insteon。

有线部署是可靠的，但IDC高级研究分析师Sandra Wendelken表示，“因此，无线连接一直是物联网部署激增的驱动力。”

与无线网络物理系统不同，有线物联网解决方案不允许在运行中向网络添加更多设备，并且它们的配置可能是一项复杂的任务。另一方面，无线解决方案并不总是提供对数据的实时访问，因此需要考虑近实时模式是否适合他们的项目目标。

无线物联网通信协议的好处：

可扩展性：标准协议支持以最少的配置调整添加新设备
互操作性：物联网通信协议可以编程为与不同的硬件一起工作，例如芯片和网关，它们支持来自不同供应商的设备
可靠性：标准通信技术确保安全的数据传输和抗干扰的鲁棒性

物联网无线连接技术可以进一步细分为短程和远程解决方案。

短距离与长距离无线通信协议

短程技术在有限范围内运行，同时降低连接成本和功耗。这样的协议为智能家居和商业楼宇自动化提供了一个很好的选择。该技术的一些流行示例是蓝牙和Zigbee协议。

远程物联网通信协议覆盖更远的距离。他们大多试图降低吞吐量以节省长距离传输的功率。该技术的热门应用是工业现场监控、农业系统和智慧城市。远程协议的一个示例是LoRaWAN，如果不存在物理障碍，它可以跨越10公里。

物联网通信协议分类

最常见的方法之一是将物联网通信协议分为两组——数据协议和网络协议。

数据协议在更高层运行，例如应用程序和表示
网络协议从数据链路、传输、网络和物理层工作

物联网通信技术：数据协议

物联网数据协议连接低功耗物联网设备，并在离线模式下直接与硬件提供点对点通信。连接是通过有线或蜂窝网络实现的。

高级消息队列协议(AMQP)

这是一个开放标准应用层协议，支持独立于所使用平台的系统之间的消息传递。它可以保证来自不同供应商的客户端之间的互操作性。即使在较差的网络或其中一个系统暂时不可用时，AMQP也能确保安全可靠的通信。它指定“转发地址”，在连接失败的情况下可以路由消息。

该协议在基于服务器的分析环境的设置中很受欢迎，例如银行技术解决方案。否则，由于它的重量，它的应用相当有限。

AMQP与传输层安全性(TLS)集成，可确保传输时的数据加密。此外，这种物联网通信技术实现了简单身份验证安全层(SASL)框架，用于客户端和服务器之间的安全身份验证握手。

优点：

可靠性
安全
支持不同的消息传递模式（发布-订阅、存储转发和经典消息传递队列）
以最小的努力实现可扩展性

缺点：

大量内存需求
由于消息量大，数据传输慢

消息队列遥测传输(MQTT)

这是一个轻量级的物联网通信协议。它提供可靠的连接并在TCP/IP网络之上运行。MQTT适用于带宽受限、延迟高的无线系统，例如在不可靠网络上运行的移动设备。这就是Facebook将其用于在线聊天的原因。另一个应用是远程监控，因为MQTT擅长从远程位置容量有限的设备收集小消息。

与AMQP不同，该协议仅限于发布-订阅架构，并具有三个主要组件——订阅者、发布者和代理。订阅者机制生成数据，发布者提供路由选项，代理确保安全。

它不提供设备管理结构或定义的数据表示。因此，这些参数是特定于供应商的。

优点：

低功耗
低带宽使用
能够在不可靠的连接下正常运行

缺点：

来自不同供应商的设备之间的互操作性有限
固有的安全约束（依靠短用户名和密码进行身份验证）
延展性差
消息传递模式的有限选择（仅发布-订阅）

受限应用协议(CoAP)

互联网工程任务组设计了这个物联网通信协议来满足基于HTTP的系统的需求。尽管互联网可供所有人免费使用，但对于许多物联网应用程序来说它还是太重了。因此，物联网社区倾向于摒弃HTTP，认为它对物联网应用程序不可行。CoAP可以与HTTP一起工作而不会引起窃听，因为它允许短唤醒和长睡眠状态。它允许HTTP客户端在资源受限的情况下交换信息。它在楼宇自动化和智能能源应用中很受欢迎。

CoAP依赖于用户数据报协议(UDP)数据包进行通信和消息传递。该技术用于机器对机器应用程序，并允许容量有限的设备（如低可用性）加入物联网环境。它甚至可以与只有10KiBRAM的微控制器一起使用。

优点：

高度安全，因为它使用DTSL参数作为其默认参数
易于部署
适用于功能有限的设备

缺点：

消息可能以错误的顺序到达目的地，这是UDP的常见问题
难以与网络地址转换(NAT)后面的设备通信，因为它们可以生成动态IP地址

数据分发服务(DDS)

对象管理组(OMG)为实时系统开发了这种物联网通信协议。DDS使用发布-订阅模式提供可靠且可扩展的数据交换。它的可扩展性归因于DDS支持发布者和订阅者的动态发现。它适用于云和低占用空间的设备，并提供可互操作的数据共享，这是软件和硬件独立的。

该协议被认为是第一个开放的国际中间件物联网标准。

优点：

可扩展
高度安全和强大的QoS机制
保证低延迟通信
连接来自不同供应商的设备

缺点：

带宽重（消耗的流量是MQTT的两倍）
仅通过网关与Web服务交互

物联网通信技术：网络协议

物联网网络通信协议通过网络连接中等和高功率物联网设备。该技术通常在互联网上运行。

有几种方法可以将IoT设备连接到网络和/或相互连接。这些包括点对点、星形和网状网络。

在点对点部署中，两个节点直接相连，形成一个紧密的网络。此网络上的数据不会在公共Internet上传输，因此此连接非常安全。

在星形网络中，所有节点都连接到网关，网关收集和传输数据以进行进一步处理和存储。这种方法不会消耗太多能量，因为允许设备在传输之间休息。但是，如果一个节点无法访问网关，它就无法继续传递数据。另一个缺点是网关存在单点故障。如果它断开连接，整个系统就会关闭。

网状网络更可靠，因为其他节点也可以从其邻居接收数据并将其进一步传递到网关。因此，节点的功能不受其直接访问网关的能力的限制。这种网络类型可以覆盖比星形网络更远的距离并自我修复，因为它会在节点故障的情况下自动重新计算数据传输路线。

您可以使用多种IoT通信协议来创建这些类型的网络。

蓝牙和低功耗蓝牙(BLE)

蓝牙是一种用于短距离交换数据的无线技术。它在手机、媒体播放器和平板电脑等个人小工具中很常见。该协议广泛用于智能家居配置。物联网用户很欣赏它可以通过智能手机控制他们连接的设备，这非常方便。即使需要网关将数据传输到互联网，普通智能手机也可以充当网关。

该协议以突发方式传输小块数据，并且在处理较大的文件时会出现问题。

BLE于2010年推出，是针对短距离物联网连接进行优化的蓝牙版本。它比标准蓝牙协议消耗更少的功率。需要注意的是，BLE设备无法与经典蓝牙设备通信，除非它们都安装了这两种协议。

这种物联网通信协议相当安全，因为它在应用程序和网络级别对传输的数据进行加密。

优点：

低延迟
硬件简单，成本低
通过智能手机轻松访问互联网
安全的

缺点：

使用拥挤的2.4GHz频率
连接设备数量有限

Zigbee

Zigbee是一种强大且可扩展的物联网通信协议，用于在家庭自动化和工业应用中收集传感器数据。它在中等距离上传输少量数据。Zigbee在自我修复的网状拓扑上运行，这使其高度可靠。新设备在执行“握手”过程后即可加入网络，该过程仅需30毫秒。

该协议需要一个自定义网关来控制物联网设备，这很昂贵，尤其是与可以在智能手机上运行的蓝牙相比。

优点：

理论上最多可容纳65,000台设备
低功耗（小型设备可以使用一节电池运行数年）
相对较长的通信距离

缺点：

使用常见的2.4GHz频率，容易受到干扰
需要自定义网关，这很昂贵

Z波

这是一种低功耗无线协议，常用于智能家居解决方案和商业应用。Z-Wave在本文介绍的网络IoT通信协议中提供最低延迟。需要注意的是，这项技术在每个国家/地区以不同的频率运行，这意味着用户在更改其位置时将不得不购买不同的设备。理论上，该协议最多支持232种物联网产品。

Z-Wave是一项由Z-Wave联盟管理的专有技术，负责监督认证。因此，每个Z-Wave设备都与每个Z-Wave控制器兼容，独立于制造商。此外，所有规范都在2016年向公众发布，使开发人员可以使用该标准。

优点：

避免Wi-Fi、蓝牙和Zigbee使用的拥挤的2.4GHz频率
低延迟
低功耗
合理覆盖

缺点：

低数据传输率
溢价价格

无线上网

Wi-Fi使用Internet协议(IP)连接局域网(LAN)上的设备。它确保靠近的设备之间进行可靠和安全的通信。该协议相对便宜且易于部署，适用于智能家居系统等室内应用。它适用于繁重的文件，并且可以处理大量数据。

但是，这种物联网通信协议太耗电，并且有范围限制。

优点：

方便且易于安装
高数据传输率

缺点：

高功耗
难以扩展
短距离通讯

远程无线电广域网(LoRaWAN)

这是一种非蜂窝无线广域网技术，可远距离连接设备，使其适用于远距离传输遥测数据的智慧城市和工业应用。一个例子是连接到在LoRaWAN协议上运行的LoRa网关的智能路灯。该技术可以连接数百万个物联网设备，并针对低功耗进行了优化。新设备既可以硬编码，也可以安排成无线连接。

LoRa网关从不同的传感器收集数据，并通过标准IP协议将其传输到服务器或云端。LoRaWAN提供两个安全层——一个用于网络层，另一个用于应用程序。

这种物联网通信协议不适用于需要低延迟或传输大量数据的应用程序。

优点：

可扩展性
覆盖大距离
低功耗
在未经许可的频率上运行

缺点：

低数据传输率
自定义LoRa网关
不适合实时应用

如何为您的项目选择合适的物联网通信技术？

没有一种单一的物联网通信协议可以始终节省时间并在每项任务中都能正常工作。选择正确的技术是一个重大决定，需要谨慎对待。每个协议都有它的优势，并且在它大放异彩时有一套条件。在为您的下一个物联网项目寻找最佳选择时，请考虑以下标准：

设备能力。一些设备支持特定的通信协议。因此，您的硬件选择将限制协议选项。
同步响应要求。如果系统不期望立即响应操作，您可以使用异步通信模式并从广泛的MQ协议中进行选择，例如MQTT。
连接性。根据连接类型和设备要求，您需要考虑数据传输速率、通信范围和延迟等因素。
能量消耗。如果您有能力将设备插入电源插座，这不是问题，例如固定式家庭自动化产品。但是，如果您的设备使用电池运行且无法充电，那么低功耗协议将是更好的选择。
分配的预算。物联网通信协议带有不同的价格标签。对其中一些人来说，安装成本极低，一部普通的智能手机就可以充当网关。对于其他人来说，加入相应的联盟将花费你一大笔钱，然后，你将为每台连接的设备支付费用——更不用说将自定义网关整合到你的物联网部署中的成本了。