2023年最常見物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)指南

2023年最常見物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)指南

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備似乎無處不在,從智能手機(jī)、智能恒溫器和門鈴攝像頭,到制造這些設(shè)備的制造工廠。協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)確保這些設(shè)備能夠正常運行并相互通信,生成使其非常有用的數(shù)據(jù)。以下是最常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

什么是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)?

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何工作和通信的既定規(guī)則。標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議類似,但使用范圍更廣泛,例如在整個行業(yè)中。它們共同確保所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備彼此之間以及與其他相關(guān)設(shè)備和應(yīng)用具有最低程度的兼容性。

例如,制造商可能會使用不同品牌的兩種不同的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。只要兩家企業(yè)遵循相同的指導(dǎo)方針,傳感器就可以在同一網(wǎng)絡(luò)上工作。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)通常在單層中發(fā)揮作用,作為較大網(wǎng)絡(luò)的獨特部分,最常見的是在標(biāo)準(zhǔn)五層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用和中間件層,但不限于此。例如,藍(lán)牙和Wi-Fi都運行在網(wǎng)絡(luò)層。

圖片來源:Jo?o Pedro Reis博士繪制的標(biāo)準(zhǔn)五層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個巨大的、且仍在增長的行業(yè)。對智能家居技術(shù)的興趣正在創(chuàng)造消費電子市場對設(shè)備的高需求。因此,協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn),以確保消費者獲得簡化的、用戶友好的體驗。雖然其中一些標(biāo)準(zhǔn)也用于工業(yè)應(yīng)用,但它們最大的好處在商業(yè)環(huán)境中最為突出。一些商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議應(yīng)用如此廣泛,以至于無處不在,例如藍(lán)牙和Wi-Fi。

藍(lán)牙

很難想象,當(dāng)今的消費電子產(chǎn)品如果沒有藍(lán)牙無線設(shè)備對設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)會是什么樣子。每一款新的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦都將藍(lán)牙支持作為標(biāo)準(zhǔn)功能。

藍(lán)牙是最早的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議之一,為智能手表和無線耳機(jī)等消費物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的繁榮打開了大門。其使用無線個域網(wǎng)(WPAN),允許使用無線電波進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸。

藍(lán)牙最初由全球最大的技術(shù)專業(yè)組織IEEE于2005年根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。盡管更新已于2018年停止,但藍(lán)牙仍然是一種極其流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,尤其是在消費電子產(chǎn)品中。

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)專為跨硬件和軟件平臺的通信而設(shè)計。其主要優(yōu)點包括易于擴(kuò)展、高可靠性和低延遲連接。DDS非常適合確保系統(tǒng)中的所有物聯(lián)網(wǎng)組件都能保持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。

DDS在商業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中很受歡迎。其最初是由Object Management Group于2004年發(fā)布的,至今仍在維護(hù)。其是一種中間件協(xié)議,用于使用發(fā)布者-訂閱者模型標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器對機(jī)器的通信。

圖片來源:DDS擴(kuò)展圖,來自DDS Foundation/Object Management Group Inc.

Matter

Matter是一種通信和互操作性標(biāo)準(zhǔn),旨在解決品牌之間智能家居設(shè)備通信的問題。許多商業(yè)設(shè)備制造商希望消費者從一個品牌購買所有智能家居設(shè)備。這并不一定符合消費者的最佳利益,但不同企業(yè)的產(chǎn)品之間缺乏交互可能會迫使其選擇單一品牌。

Matter確保參與制造商的智能家居設(shè)備能夠在本地協(xié)同工作。這對制造商和消費者都有利。例如,由于企業(yè)不必成為一站式商店,因此可以專注于制造出色的智能恒溫器,而不必?fù)?dān)心競爭品牌也生產(chǎn)其他產(chǎn)品。

Wi-Fi

Wi-Fi是最古老的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一,也是當(dāng)今最著名和最廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)之一。其的發(fā)明可以追溯到1942年,當(dāng)時女演員兼發(fā)明家Hedy Lamarr獲得了跳頻專利。其經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展,直到1997年創(chuàng)建了第一個WiFi標(biāo)準(zhǔn)。

第一套標(biāo)準(zhǔn)建立了如今所知的Wi-Fi。IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)概述了無線局域網(wǎng)(WLAN)上的通信應(yīng)如何工作。其還規(guī)定了每秒2兆字節(jié)的最低數(shù)據(jù)傳輸速度。IEEE繼續(xù)維持802.11標(biāo)準(zhǔn),Wi-Fi仍然存在于大多數(shù)消費電子和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中,例如智能家電和傳感器。

XMPP

可擴(kuò)展消息傳遞和狀態(tài)協(xié)議(XMPP)最初于2002年為人與人之間的通信而開發(fā)。在此后的20多年里,其已發(fā)展成為智能設(shè)備普遍使用的機(jī)器對機(jī)器通信協(xié)議。

如今,XMPP是由XMPP標(biāo)準(zhǔn)基金會維護(hù)的開源協(xié)議。其是一種輕量級中間件系統(tǒng),用于標(biāo)準(zhǔn)化通信和XML數(shù)據(jù)。XMPP運行在應(yīng)用層,可以提供近乎實時的數(shù)據(jù)傳輸。這種響應(yīng)能力與XMPP的高可訪問性相結(jié)合,使其成為與家用電器等智能家居設(shè)備進(jìn)行通信的理想選擇。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場是世界上表現(xiàn)最強(qiáng)勁的市場之一,考慮到物聯(lián)網(wǎng)在制造、物流和建筑領(lǐng)域的無數(shù)應(yīng)用,這不足為奇。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)被認(rèn)為是其獨特的利基市場。

隨著企業(yè)越來越依賴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議變得越來越重要。例如,智能工廠中的制造商可能會使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)送維護(hù)警報,這可能會影響員工的安全。物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)可確保傳感器成功發(fā)送實時警報,無論品牌或型號如何。

受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP)

受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP)是一種允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在不消耗過多功耗的情況下使用HTTP的協(xié)議。其于2013年推出,在機(jī)器對機(jī)器(M2M)通信中很受歡迎,尤其是在供應(yīng)鏈環(huán)境等工業(yè)應(yīng)用中。

CoAP允許工業(yè)用戶在其網(wǎng)絡(luò)中包含更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,而不受低功耗功能或帶寬的限制。其主要缺點是缺乏安全功能。CoAP本身在某種程度上是公開的,需要額外的數(shù)據(jù)報傳輸層安全(DTLS)協(xié)議來確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。

輕量級M2M(LWM2M)

輕量級M2M(或LWM2M)是一種專門用于物聯(lián)網(wǎng)或機(jī)器對機(jī)器環(huán)境中的遠(yuǎn)程設(shè)備管理的協(xié)議。其是專為物聯(lián)網(wǎng)傳感器而設(shè)計,使其成為工業(yè)應(yīng)用中非常有用的協(xié)議。其的輕量級意味著其不需要太多的電力、存儲或計算資源來運行。

LWM2M最初于2017年發(fā)布,目前仍然活躍并由OMA SpecWorks維護(hù)。2020年協(xié)議更新增加了與邊緣網(wǎng)絡(luò)和5G的兼容性,使LWM2M成為當(dāng)今工業(yè)環(huán)境的尖端標(biāo)準(zhǔn)。LWM2M通過TCP/TLS、MPTT和HTTP運行。

MQTT

MQTT是一種使用發(fā)布者-訂閱者模型的機(jī)器對機(jī)器通信的應(yīng)用層協(xié)議。其于1999年開發(fā),是一種流行的開源協(xié)議,用于標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。

由于其輕量級特性和低帶寬容忍度,MQTT特別適合IIoT傳感器。由于不需要太多內(nèi)存空間,MQTT與全系列IIoT設(shè)備高度兼容。其本質(zhì)上充當(dāng)應(yīng)用的橋梁。

Zigbee

Zigbee是一種非常流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,專門用于自動化中使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。消費和工業(yè)設(shè)備使用Zigbee,盡管其強(qiáng)調(diào)自動化和各種應(yīng)用,使其成為商業(yè)的理想選擇。Zigbee是由連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟開發(fā)的,該聯(lián)盟也創(chuàng)建了Matter。

Zigbee的主要優(yōu)點包括低功耗和高度靈活性。其是為短距離設(shè)計的,類似于藍(lán)牙。在工業(yè)領(lǐng)域特別有利的一項功能是其高級別安全性。Zigbee默認(rèn)包括加密和身份驗證,同時保持輕量級。這意味著工業(yè)用戶可以構(gòu)建具有安全功能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),而無需使用過多的電力和計算資源。

安全物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和成長中始終發(fā)揮著重要作用。一些與通信相關(guān)的協(xié)議包括安全功能,但情況并非總是如此。越來越多的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)旨在強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)安全。其中一些是其他產(chǎn)品的附加規(guī)則集,例如,Wi-Fi Protected Access 2是當(dāng)今添加到Wi-Fi的領(lǐng)先網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議之一。

Ascon(NIST)

Ascon是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)于2023年選定的物聯(lián)網(wǎng)加密官方標(biāo)準(zhǔn)。其現(xiàn)已成為美國保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和通信安全的正式標(biāo)準(zhǔn)。

Ascon是加密算法的集合,可提供高度安全的加密,而不需要大量的電力和計算。實施Ascon可以幫助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商更加主動地預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊和漏洞,而不僅僅是對其做出響應(yīng)。

DTLS

數(shù)據(jù)報傳輸層安全性(DTLS)是一種用于加密通信的安全協(xié)議。數(shù)據(jù)報是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸單元,例如單個消息,其通常用于游戲、流視頻或視頻會議應(yīng)用。

DTLS由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組設(shè)計,可保護(hù)無線通信的安全,以便發(fā)送者和接收者知道其消息不會被攔截或監(jiān)視。DTLS是商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域常用的協(xié)議。

Z-Wave

Z-Wave是藍(lán)牙和Wi-Fi等協(xié)議的專有替代方案,專為加密網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計,提供比開源同類產(chǎn)品更高的安全性。其在各種低水平的無線電頻率上運行。

Z-Wave在智能家居自動化系統(tǒng)中很受歡迎,尤其是那些注重安全的系統(tǒng)。其主要用于消費電子和商業(yè)應(yīng)用,但也可用于工業(yè)環(huán)境。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是人們生活中常見的一部分。其存在于我們的家中、醫(yī)生的辦公室、海洋和天空中,企業(yè)越來越依賴其來實現(xiàn)各種目的。這些設(shè)備日復(fù)一日地生成大量數(shù)據(jù),用于商業(yè)智能、競爭分析、更高效的制造、消費者反饋等。數(shù)十種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)在后臺運行,以確保這些設(shè)備和傳感器平穩(wěn)、安全地工作,并能夠有效地相互通信。了解這些協(xié)議可以幫助企業(yè)做出更好的購買決策,并構(gòu)建更安全、更穩(wěn)健的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

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2023-08-23
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