物聯(lián)網(wǎng)IOT系列之3：物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

在前面的文章中，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了討論。從前面教程的討論中，必須清楚通信網(wǎng)絡(luò)是任何物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的骨干。只有（互聯(lián)網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)才能使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（板）和基于云的服務(wù)和應(yīng)用程序相互通信。沒有互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)就什么都不是?；ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信并不那么直接。有無數(shù)異構(gòu)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接，這些過多的獨(dú)特設(shè)備需要以安全、可靠和路由的方式進(jìn)行通信。此外，這些設(shè)備可能正在運(yùn)行具有自己的框架和域的獨(dú)特應(yīng)用程序或服務(wù)。有了這樣的多樣性，

任何互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都是一堆技術(shù)。有一些技術(shù)可以物理地連接設(shè)備（連接到位于同一地點(diǎn)的設(shè)備或路由器）、為其分配邏輯地址、通過網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)以及管理客戶端的數(shù)據(jù)交換。

為了協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)被安排在不同的層中。典型的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)遵循開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型，它是互聯(lián)網(wǎng)的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)模型。OSI 模型將互聯(lián)網(wǎng)分為七層——物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。雖然 OSI 模型的實(shí)際實(shí)現(xiàn)是通過 TCP-IP 模型完成的，它將七層 OSI 模型簡(jiǎn)化為四層互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議套件。在 TCP-IP 模型（OSI 模型的實(shí)際實(shí)現(xiàn)）中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層合并形成物理和網(wǎng)絡(luò)訪問層，并將 OSI 模型的會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層合并為單個(gè)應(yīng)用層。

圖 1：顯示 OSI 和 TCP-IP 模型層比較的圖像

堆棧從兩個(gè)客戶端橫向連接，通過物理傳輸介質(zhì)和互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)器之間連接。

圖 2：Internet 上的設(shè)備到設(shè)備通信概述

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的云網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上沒有任何標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)是高度定制的環(huán)境，具有可變的復(fù)雜性。但是，由于架構(gòu)層的類似實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各種架構(gòu)模型可以與典型的 OSI 或 TCP-IP 模型進(jìn)行比較。概括標(biāo)準(zhǔn)組織部署或推薦的各種架構(gòu)模型，云或物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有以下四層 -

1) 基礎(chǔ)設(shè)施層

2) 服務(wù)發(fā)現(xiàn)/服務(wù)管理/發(fā)現(xiàn)層

3) 應(yīng)用層

4) 業(yè)務(wù)層

圖 3：IOT 參考架構(gòu)與 OSI 和 TCP-IP 模型的比較圖

每一層都有用于處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N協(xié)議。協(xié)議是一組預(yù)定義的規(guī)則，設(shè)備必須遵循它們才能相互通信或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。讓我們討論它們所涉及的每一層和協(xié)議——

基礎(chǔ)設(shè)施層——在這一層中，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括傳感器網(wǎng)絡(luò)）和將位于同一地點(diǎn)的設(shè)備或設(shè)備物理連接到標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。與 OSI 模型相比，該層融合了典型 Internet 網(wǎng)絡(luò)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。與 TCP-IP 模型相比，該層融合了物理和網(wǎng)絡(luò)訪問、互聯(lián)網(wǎng)和傳輸層。所以，一般來說，這一層可以分為以下子層——

1) 物理和鏈路/MAC/網(wǎng)絡(luò)訪問層——在物理層，各個(gè)比特被編碼并排列在數(shù)據(jù)鏈路層幀中，排列在協(xié)議定義幀中的編碼數(shù)據(jù)被推送到有線或無線數(shù)據(jù)通信鏈路。如果數(shù)據(jù)鏈路是無線的，那么決定頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率的是物理層。同樣，物理層也解碼傳入的比特和字節(jié)，并將它們傳輸?shù)?IOT 設(shè)備的現(xiàn)有處理器或控制器。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包封裝成幀，通過媒體訪問控制（MAC）協(xié)議訪問數(shù)據(jù)鏈路，并通過通信鏈路傳送或接收數(shù)據(jù)。為物理和網(wǎng)絡(luò)訪問層定義的一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如下：

? Ethernet

? Bluetooth Low Energy

? Wireless HART

? Zigbee

? Z-wave

? RFID

? IEEE 802.11.ah

? IEEE 802.15.4e

? LoRaWAN

? DASH7

? Weightless

? HomePlug

? G.9959

? LTE-A

? DECT/ULE

? ISA 100.11a

? ANT

? NFC

? EPC Global

? EddyStone

? EnOcean

? WiMax

? NB-IOT

? EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT)

? RPMA

? LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication)

? Cellular (GPRS/2G/3G/4G/5G)

? CDMA

? Thread

? INSTEON

? DigiMesh

2) 網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)封裝或適配層——該層負(fù)責(zé)通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行尋址。來自傳輸層的傳入數(shù)據(jù)包包含源地址和目標(biāo)地址。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)包被封裝成唯一的地址，稱為 IP 地址。早期的 IPv4 用于網(wǎng)絡(luò)層尋址，但其 IP 地址已經(jīng)用盡。因此，已經(jīng)指定了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 IPv6，它將具有 128 位地址。IPv6 有 1038 個(gè)地址的地址空間。6LoWPAN 是另一種用于低功率無線個(gè)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。它是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和家庭區(qū)域網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的 IPv6 協(xié)議。因此，流行的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如下：

?IPv4

? IPv6

? 6LoWPAN

? 6Lo

? 6TiSCH

? IPv6 over Bluetooth Low Energy

? IPv6 over G.9959

3) 傳輸層或路由層——該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由。在這一層，執(zhí)行數(shù)據(jù)包傳送中的數(shù)據(jù)包排序、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。為傳輸層指定的一些流行協(xié)議如下 -

? TCP

? UDP

? DTLS

? TLS

? RPL

? CARP

? CORPL

? QUIC

? uIP

? ROLL

? Aeron

? CCN (Content Centric Networking)

? NanoIP

? TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol)

服務(wù)發(fā)現(xiàn)或服務(wù)管理層——該層將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或云網(wǎng)絡(luò)與典型的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)分開來。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要通過互聯(lián)網(wǎng)尋找其他設(shè)備、服務(wù)和資源。因此，需要在云網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行資源管理和注冊(cè)過程。為此，規(guī)定了服務(wù)發(fā)現(xiàn)和管理協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上一些流行的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議如下：

? DNS-SD (DNS-Service Discovery)

? mDNS (Multicast Domain Name System)

? uPnP

? Simple Discovery Service Protocol

Some of the currently available service discovery platforms and technologies are as follow –

? HyperCat

? Physical Web

? Wi-Fi Aware

? Bluetooth Beacons

? Shazam

? Open Hybrid

? Chirp

應(yīng)用層——這是通信網(wǎng)絡(luò)中的最高層。它是（IOT）設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的接口。該層通過設(shè)備端的專用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。與計(jì)算機(jī)一樣，應(yīng)用層由瀏覽器實(shí)現(xiàn)。它是實(shí)現(xiàn) HTTP、HTTPS、SMTP 和 FTP 等應(yīng)用層協(xié)議的瀏覽器。同樣，在 IOT 的上下文中指定了應(yīng)用層協(xié)議，如下所示：

? MQTT

? SMQTT

? CoAP

? DDS

? XMPP

? AMQP

? RESTful HTTP

? MQTT-SN

? STOMP

? SMCP

? LLAP

? SSI

? LWM2M

? M3DA

? XMPP-IOT

? ONS 2.0

? SOAP

? Websocket

? Reactive Streams

? HTTP/2

? JavaScript IOT

業(yè)務(wù)層——這一層實(shí)際上不是通信網(wǎng)絡(luò)的一部分。它位于物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)。它可以是實(shí)現(xiàn)專用應(yīng)用程序或在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)提供特定業(yè)務(wù)或工業(yè)解決方案的云或服務(wù)器。就像它可能將各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 或知識(shí)管理 (KM) 解決方案一樣。這一層實(shí)際上負(fù)責(zé)無縫集成設(shè)備、服務(wù)和解決方案，并為垂直特定（健康、交通、能源、教育等）實(shí)施集成云和設(shè)備。

除了為不同網(wǎng)絡(luò)層指定的協(xié)議外，IOT 系統(tǒng)可能會(huì)使用附加協(xié)議來進(jìn)行設(shè)備管理、設(shè)備識(shí)別、上下文感知或語義和數(shù)據(jù)安全。一些設(shè)備管理協(xié)議如下 -

? OMA-DM

? TR-069

? OMA-CP

Some of the data security protocols are as follow –

? Open Trust Protocol (OTrP)

? X.509

一些流行的語義協(xié)議如下-

? SensorML

? IOTDB

? RAML

? SENML

? Semantic Sensor Net Ontology

? LsDL

? Wolfram Language Connected Devices

在下一個(gè)文章中，將討論物理和網(wǎng)絡(luò)訪問層協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。