解密IoT协议：如何让144亿台设备”开口说话”？数据无缝衔接全攻略

物联网（IoT）技术栈中的协议至关重要，若没有它们，硬件将无法发挥作用，数据通信也将面临挑战。本文将探讨IoT协议的定义、愿景、分类及其优势。让我们开始：

除非你一直与世隔绝，否则你会知道物联网是嵌入式系统、控制解决方案、无线传感器网络和自动化的融合。从下一代医疗保健和智能零售到可穿戴设备和智能产品增强——物联网已跨越多个行业，且理由充分。

从商业角度来看，物联网技术通过数据驱动的洞察、增强的运营流程以及更高效的资源和劳动力利用，推动了组织转型。难怪物联网行业规模持续呈指数级增长，仅2021年就达到了122亿个活跃终端。

在人工智能、5G和边缘计算技术的推动下，物联网领域预计将以18%的复合年增长率增长，到2025年达到144亿个活跃连接。根据德勤的数据，与其他工业4.0技术（如大数据、3D打印、区块链、高级机器人等）相比，物联网预计将对组织产生最深远的影响。

然而，向物联网的快速过渡也引发了安全问题，并对关键运营产生了全球性影响。因此，需要具体、统一且完善的物联网协议来应对未来的通信挑战。

本文旨在帮助您了解标准的物联网协议及其功能和连接要求。但首先，让我们明确一些基础知识：

物联网协议的定义与愿景

物联网协议旨在通过无缝且安全的连接，将设备连接到物联网设备。物联网协议基于四个支柱运行：设备、连接、数据和分析。其深度防御安全策略通过层层防护数据传输。

商业层包括计费和数据市场的管理，而与物联网设备和技术交互的人员则属于技术用户层。

设备层由传感器、硬件、执行器、软件和网关的组合构成，这些设备连接并与网络交互。数据层则涉及在业务环境中收集、处理、存储和分析的数据。

物联网协议的重要性

物联网协议是物联网生态系统不可或缺的组成部分。它们是一套明确的规则和标准，确保物联网中不同设备之间的无缝通信。协议是数据传输的基础，因此，为物联网构建协议至关重要。这些协议对于物联网应用之间的无缝通信至关重要。

数据通信通过物联网协议实现，确保数据从一个设备或传感器发送，并由物联网连接生态系统中的另一个设备或传感器接收。协议是物联网存在的基础。

物联网协议连接模型

数据路由没有固定模式，通信高度依赖网络拓扑。然而，物联网部署中会单独或组合使用以下基本模型：

1. 设备到设备
通过蓝牙、ZigBee、Z-Wave、4G、5G和WiFi等物联网协议，实现附近设备（近距离）之间的通信。

2. 设备到网关
在此模型中，设备通过LPWAN、WiFi和/或以太网等物联网协议与数据系统进行通信。

设备到网关的核心功能包括整合来自传感器的数据、进行分析，并将其路由到目标数据系统（数据中心或云）。此外，在出现问题时，该连接模型还会将数据返回源设备。

3. 设备到数据
该模型基于边缘计算，允许设备直接与数据源连接。一些流行的设备到数据连接模型包括BLE、LoRaWAN和Z-Wave。

4. 网关到数据
这是中介平台或中心与数据中心或云之间的简单通信。开放自动化软件（OAS）和通用数据连接器是强大的物联网网关的典范。

5. 数据之间通信
该协议连接模型允许数据中心和云之间的数据传输。它包括MQTT、HTTP、REST等物联网数据协议。

物联网协议的类型

物联网协议和标准主要分为两大类：具有表示层或应用层的物联网数据协议，以及包含数据链路层和物理层的物联网网络协议：

I. 物联网数据协议

这些协议使用有线或蜂窝网络，在低功耗物联网设备与源端、客户端和/或用户端的硬件之间建立端到端通信。物联网数据协议无需互联网连接即可运行：

1. 高级消息队列协议（AMQP）
AMQP在银行和金融领域被广泛用作面向消息的开放标准软件协议。它包含三个关键消息组件：交换、队列和路由。

它基于传输控制协议，并采用“发布/订阅”和“请求/响应”架构。确保交付或事务消息的功能使AMQP具有互操作性、安全性和可靠性。

2. 数据分发服务（DDS）
DDS是一种基于UDP的“发布/订阅”API，可促进连接的物联网设备之间安全的实时机器对机器（M2M）数据共享。此外，它基于无代理的可扩展架构（DCPS和DLRL）运行，即独立于任何硬件或软件平台。

其多功能性简化了从小型设备到高性能网络的物联网部署。

3. 可扩展消息和存在协议（XMPP）
XMPP是一种去中心化、开源且安全的协议，使用XML语言实现实时数据交换。它通过反映可用服务器和设备的状态来充当存在指示器。XMPP-IoT是XMPP的轻量级版本，最适合面向消费者的物联网部署，因为它具有可扩展性、可伸缩性和灵活性。

4. WebSocket
WebSocket由HTML5引入，是一种基于事件触发的独立TCP物联网协议或API。它可在客户端和服务器之间建立全双工实时通信。

它利用先进技术简化了互联网上双向传输所涉及的复杂性。并且，它适用于在异构物联网设备之间保持持续连接。值得注意的是，WebSocket比HTTP快得多。

5. 开放平台通信统一架构（OPC UA）
OPC UA是适用于工业4.0和物联网的下一代数据模型技术。它基于平台独立、加密且可扩展的多层架构运行。此外，其面向服务的框架支持“发布/订阅”和“请求/响应”两种模型。

根据OPC基金会发布的最新新闻稿，西门子、SAP、微软、IBM、AWS和谷歌云等领先的物联网供应商已经在边缘到云的应用中利用OPC UA。

II. 物联网网络协议

这些协议构成了特定的标准、策略和统一规则，以在互联网上建立物联网设备之间的安全通信。

随着物联网生态系统的不断发展，这些协议利用了基于网络拓扑的多种技术。最广泛使用的是星型和网状拓扑。以下是广泛使用的物联网网络协议：

1. 蓝牙和蓝牙低功耗（BLE）
蓝牙是短距离无线通信的首选，特别适用于个人2.4 GHz网络。蓝牙低功耗（BLE）是其优化版本，也是物联网架构的标准协议。

蓝牙的最新版本是5.3，于2021年7月13日发布，目前仍处于测试阶段。蓝牙最适用于信标、健身、汽车、零售和音频物联网应用。

2. 蜂窝网络 - 4G和5G
蜂窝网络是一种无线移动通信网络技术，可提供大带宽和可靠的宽带服务。目前，3G几乎已濒临淘汰。另一方面，4G虽然处于领先地位，但由于成本较高且功耗较大，并不适合物联网应用。然而，新一代5G非常适合各行各业和个人使用的物联网应用。

3. Wi-Fi和Wi-Fi HaLow
Wi-Fi是家庭和商业用途中最流行且最传统的无线网络协议。但是，对于物联网目的来说，它并不十分灵活和可扩展。Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11 ah）是克服其挑战的独特解决方案。这种高级通信协议在750至950 MHz之间提供长距离低功耗连接。

4. 低功耗广域网络（LPWAN）
LPWAN是一组新的无线网络协议，旨在在低功耗物联网应用之间建立长距离通信。它们是一种节省成本的选项，因为它们使用的小型且价格实惠的电池寿命长且功耗低。

MIOTY、LoRaWAN、6LoWPAN、Thread、NB-IoT、LTE-M、SigFox和HayStack是专为大规模物联网部署而设计的LPWAN。

5. ZigBee
ZigBee是一种基于2.4 GHz网络的网状无线通信协议。它是短距离、高度互操作、低功耗的，并且支持单次实例中的大量数据传输，具有高安全性。ZigBee最适用于微型控制器、传感器、网关等小型和中型物联网设备。

值得注意的是，由于其网状网格结构设计，可以通过多跳路由将连接扩展到更长的距离。ZigBee最适用于商业建筑和创新型家庭自动化应用。实际上，它是通过传感器传输实时患者数据的最安全的无线协议。

6. Z-Wave
与ZigBee类似，Z-Wave协议也基于网状网络拓扑运行。然而，它最突出的是物联网家庭自动化应用。Z-Wave是一种基于射频（RF）的低功耗无线通信技术，工作频率在800-900 MHz之间，且完全取决于位置。因此，它几乎不会遇到任何连接障碍。它支持安全稳定的数据传输，且延迟低。

7. 可扩展消息和存在协议（XMPP）
该技术可追溯到21世纪初，最初设计用于实时人与人之间的通信。现在，XMPP用于机器对机器（M2M）通信以及路由XML数据。

XMPP支持跨多个网络实体实时交换结构化但可扩展的数据，因此适用于面向消费者的物联网部署，如智能家电和可穿戴设备。

除了上述选项外，轻量级M2M（LWM2M）、射频识别（RFID）、近场通信（NFC）、以太网和Wi-Sun等网络协议也为物联网领域建立可持续连接做出了重大贡献。

因此，无论是家庭用途还是商业用途，选择理想的物联网网络协议都必须考虑带宽、范围、功耗、延迟、间歇性连接、服务质量（QoS）和安全性等参数。

物联网无线协议的优势

物联网协议是物联网基础设施的重要组成部分。它们以更低的复杂性提供更高的数据吞吐量。无线物联网协议已成为个人和工业用途的首选解决方案。对无线物联网协议的需求不断增长，是因为其核心优势：

• 价格实惠
• 时间和能耗更低
• 强大的安全性和数据隐私
• 良好的网络覆盖和连接性
• 自动化和简化的通信
• 数据传输更快，操作更流畅
• 在物联网基础设施中设置和部署简单
• 使用简便，同时提高生产力

市场报告估计，今年物联网市场可能增长到144亿个全球连接，而WNAN、WLAN和WPAN在2021-25年期间将保持11-24%的复合年增长率。

如何选择合适的物联网协议？

步骤1：评估应用需求
首先，您需要考虑确定：

• 您想要构建什么类型的物联网应用？
• 您需要考虑哪些特定的协议要求？
  在分析协议需求时，请确保评估功耗、数据查询响应时间、数据类型、数据量以及正在传输的数据量等各个方面。协议需求因情况而异。低延迟的物联网应用需要的协议与低数据、低寿命传感器所需的协议不同。

步骤2：优先考虑安全考虑
物联网技术处理敏感数据，因此数据安全是首要需求。要建立强大的安全性，您需要遵循物联网协议。分析并选择支持安全通信、身份验证和加密的协议。

例如，MQTT提供SSL/TSL等功能以确保提高安全性。考虑到其他协议，您可能需要添加一层增强的保护。优先考虑并选择满足您安全需求并使您的物联网生态系统安全的物联网协议。

步骤3：评估网络架构
物联网设备或传感器在网络中运行。这可以是云网络、本地网络或两者的混合。因此，您可以了解您的物联网设备如何连接到网络。如果您想为需要跨多个设备连接的大规模网络实施物联网协议，您可以考虑ZigBee或LoRaWAN等协议。

在IT基础设施中实施物联网协议时，您需要评估：

• 您如何将物联网协议集成到现有的IT基础设施中？
• 如何选择提供卓越可扩展性、无缝数据传输和改进通信的协议套件？

步骤4：分析用例细节
每个物联网协议都以不同的方式为您服务。当针对特定用例考虑时，它们会提供最佳结果。

例如：

• 如果您的物联网基础设施在高延迟环境中工作且带宽较低，则选择MQLL。
• 当您必须使用有限的资源和网络运行物联网设备或传感器时，CoAP将是您的理想选择。
  因此，您需要根据特定的用例来考虑物联网协议。最常见的物联网实施用例包括远程监控、智慧城市、工业自动化等。选择合适的协议有助于提高解决方案的性能。

步骤5：比较协议功能
选择合适的协议很困难，因为不同的协议具有不同的功能。有些协议擅长优化数据吞吐量和速度，而其他协议则能够提供更高的功率和范围效率。

因此，您可以根据需求选择合适的协议套件。在专家的帮助下，物联网协议的选择和实施对您来说将非常容易。

为了做出正确的选择，您需要比较各种协议的功能，如可扩展性、数据传输速率、带宽、功耗等。

例如：

• 如果您的物联网应用需要更低的能耗和短距离通信，则蓝牙集成将是最佳选择。
• 对于低范围和低功耗应用，您可以实施NB-IoT。

步骤6：测试和实施
现在，您已经选择并将合适的协议实施到您的物联网生态系统中，您应该首先进行试点测试。检查协议对设备子集的影响。对可扩展性、延迟、可靠性、丢包率等组件进行测试。

在实时情况下监控协议实施的性能和结果。在将协议大规模实施到您的物联网应用中之前，检查其影响，以确保其可持续性。如果在测试过程中发现任何需要改进的地方，请进行调整。这确保了您获得有保证的结果。

物联网协议层

物联网基于各种网络技术运行，具体取决于IT基础设施的要求，因此，它需要架构来建立连贯的物联网生态系统。

考虑到配置、操作、功能和通信的复杂性，物联网架构的五层结构适用于所有用途。以下是各层如何帮助简化结构设计的：

1. 网络层
其核心功能是将物联网设备与网络系统和服务器连接起来。网络层还有助于使用设定的通信协议和统一格式来路由和控制数据传输。

利用TCP/IP协议栈以及根据规格的蜂窝和无线技术，网络层有助于在所有互联设备之间建立安全传输。一些示例包括IPv4/IPv6、ICMP、IGMP、ARP、3G/4G/5G、UDP、6LoWPAN和WiFi。

2. 应用层
它充当物联网设备与最终用户或任何其他通过安全网络请求信息的设备之间的接口。在成功处理、格式化和呈现数据后，它会产生最终信息。应用层的一些示例包括HTTP、FTP、POP、IMAP、TLS、SMTP、DNS、TFTP、SNMP和TELNET。

物联网应用协议取决于四个关键参数：延迟、可靠性、带宽和传输。考虑到这一点，以及规格和功能的对应性，以下是五大物联网应用协议：

• 表述性状态转移（REST）
• 受限应用协议（CoAP）
• 高级消息队列协议（AMQP）
• 消息队列遥测传输（MQTT）
• 可扩展消息和存在协议（XMPP）

3. 感知层
它由传感器、执行器和人工智能驱动的设备组成，用于收集有关周围物理对象或环境的宝贵细节。收集的数据从模拟信号转换为数字格式，以便进行进一步操作。

其功能包括识别、信息收集和自动化控制技术，以连接数字世界和现实世界。感知层的一些示例包括监控摄像头、条形码、便携式电脑、RFID、WSN和GPS。

4. 安全层
它最大限度地降低了物联网生态系统最脆弱领域遭受潜在网络攻击的风险。安全检查点出现在三个重要位置：设备（包括硬件和软件）、云和连接。

随着疫情期间数字技术的飞速发展，物联网架构面临的安全挑战和潜在威胁也呈指数级增长。因此，分层安全方法在当前形势下变得至关重要。

安全层的一些示例包括可信平台模块（TPM）芯片、多重授权、防火墙、NAC、AAA、NAP、IPS加密和加密机制。

5. 边缘层
它基于边缘计算框架，旨在改善延迟、带宽和实时通信挑战。边缘层的主要目标是从数据源附近获取和处理请求的信息。

随着集中式云系统上的智能设备数量不断增加，“响应延迟”是一个重大问题。然而，结合5G和人工智能功能，边缘物联网层在处理时间敏感型数据方面表现出色，并提供了更快的响应结果。

边缘层的一些示例包括电动汽车、智能手机、智能手表、笔记本电脑、安全摄像头、V2X、公共交通应用、智慧城市和绿色技术。物联网架构的五层结构促进了物联网生态系统的平稳运行。

此外，它们能够适应扩展，并根据最新的技术进步处理复杂性。其目标是建立无缝的物联网互操作性，并关注3C：变化、兼容性和网络安全。

总结

物联网协议在当今时代具有重要意义。

物联网技术生态系统支持数十种物联网无线协议，这促使许多专家呼吁全球协议标准化。然而，鉴于生态系统的碎片化性质，物联网市场可能永远不需要一个全面的标准。

再次强调，应该指出的是，安全有效的设备管理是物联网网络全球可持续发展的基石。

在全栈物联网生态系统中，智能设备之间的通信、数据共享和信息使用得以实现。因此，统一的全球协议标准化对于消除物联网碎片化和潜在安全威胁至关重要。

物联网协议是通信媒介或共享语言，有助于在不同智能设备之间建立连接，并帮助它们相互交互。它们对于整体设备管理至关重要。

物联网协议考虑了各种集成设备的需求、通信和安全性。根据物联网架构、当前场景和使用上下文，设计了不同的物联网协议，以最大限度地降低入侵风险。