扒一扒IOT的協(xié)議，很多你可能不知道

[導讀] AIOT如火如荼的當下，今天自網絡整理分享一下IOT常見/不常見的協(xié)議，以及簡要介紹。

協(xié)議介紹

物聯(lián)網涵蓋了廣泛的行業(yè)和用例，從單個受約束的設備到大規(guī)模的跨平臺部署的嵌入式技術和實時連接的云系統(tǒng)，應有盡有。協(xié)議紛繁復雜，如用OSI模型進行對應，比較困難。本文按其作用大體分成幾大類：

• 基礎架構（例如：6LowPAN，IPv4 / IPv6，RPL）
• 標識（例如：EPC，uCode，IPv6，URI）
• 通訊/傳輸（例如：Wifi，藍牙，LPWAN）
• 發(fā)現(xiàn)（例如：物理Web，mDNS，DNS-SD）
• 數(shù)據(jù)協(xié)議（例如：MQTT，CoAP，AMQP，Websocket，Node）
• 設備管理（例如：TR-069，OMA-DM）
• 語義（例如：JSON-LD，Web Thing Model）
• 多層框架（例如：Alljoyn，IoTivity，Weave，Homekit）

基礎架構

• IPv6：IPv6是一種Internet層協(xié)議，用于數(shù)據(jù)包交換的互聯(lián)網絡，并提供跨多個IP網絡的端到端數(shù)據(jù)報傳輸。
• 6LoWPAN：是IPv6在低功耗無線個人區(qū)域網絡上首字母縮寫。它是一個通過IEEE802.15.4鏈接的IPv6適配層。該協(xié)議僅在2.4 GHz頻率范圍內工作，傳輸速率為250kbps。
• UDP(User Datagram Protocol) ：(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議：一個簡單的OSI傳輸層協(xié)議，用于基于互聯(lián)網協(xié)議(IP)的客戶端/服務器網絡應用程序。UDP是TCP的主要替代品，也是現(xiàn)存最古老的網絡協(xié)議之一，于1980年引入。UDP通常用于專門針對實時性能進行調優(yōu)的應用程序中。
• QUIC(Quick UDP Internet Connections，讀作Quick)通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)支持兩個端點之間的一組多路復用連接，旨在提供相當于TLS/SSL的安全保護，同時減少連接和傳輸延遲，并在每個方向估計帶寬，以避免擁塞。
• Aeron : 高效可靠的UDP單播，UDP多播，IPC消息傳輸。
• uIP 是一個開源的TCP/IP協(xié)議棧，可以與8位和16位微控制器一起使用。它最初是由瑞典計算機科學研究所“網絡嵌入式系統(tǒng)”小組的Adam Dunkels開發(fā)的，并獲得了BSD風格許可證，隨后由廣泛的開發(fā)人員開發(fā)。
• LwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧
• DTLS(Datagram Transport Layer)——DTLS協(xié)議為數(shù)據(jù)報協(xié)議提供通信隱私。該協(xié)議允許客戶端/服務器應用程序以一種旨在防止竊聽、篡改或偽造消息的方式進行通信。DTLS協(xié)議基于傳輸層安全(TLS)協(xié)議，提供了等價的安全保證。
• ROLL / RPL(用于低功耗/有損網絡的IPv6路由)
• NanoIP是nano Internet協(xié)議的縮寫，它是一個概念，用于將類似Internet的網絡服務引入嵌入式和傳感器設備，而不需要TCP/IP的開銷。NanoIP的設計考慮到了最小的開銷、無線網絡和本地尋址。
• CCN(Content-Centric Networking): 下一代網絡架構可解決內容分發(fā)可擴展性，移動性和安全性方面的挑戰(zhàn)。
• 時間同步網格協(xié)議(TSMP): 一種用于無線設備的自組織網絡的通信協(xié)議，稱為motes。與其他時分復用系統(tǒng)類似，TSMP設備彼此保持同步，并在時隙中進行通信。

標識

• mDNS(多播域名系統(tǒng))：在不包含本地域名服務器的小型網絡中將主機名解析為IP地址。
• 物理Web：物理Web使您能夠通過藍牙低能量(BLE)信標看到周圍環(huán)境中的對象廣播的url列表。
• HyperCat：一種開放的、輕量級的、基于json的超媒體目錄格式，用于公開uri集合。
• UPnP (Universal Plug and Play)：現(xiàn)在由開放連接基金會管理的是一套網絡協(xié)議，它允許網絡設備無縫地發(fā)現(xiàn)彼此在網絡上的存在，并為數(shù)據(jù)共享、通信和娛樂建立功能網絡服務。

數(shù)據(jù)協(xié)議

• MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)：MQTT協(xié)議以一種非常輕量級的方式支持發(fā)布/訂閱消息傳遞模型。它適用于需要少量代碼占用和/或網絡帶寬昂貴的遠程位置的連接。
• MQTT-SN (MQTT For Sensor Networks)：一個專門為機器對機器和移動應用程序設計的開放的輕量級發(fā)布/訂閱協(xié)議
• Mosquitto: 開源MQTT v3.1代理
• CoAP (Constrained Application Protocol): CoAP是一種應用層協(xié)議，旨在用于資源受限的Internet設備（例如WSN節(jié)點）。CoAP旨在輕松轉換為HTTP以簡化與Web的集成，同時還滿足諸如多播支持等特殊要求， CoRE小組為CoAP提出了以下功能：RESTful協(xié)議設計，最大程度地減少了HTTP映射的復雜性，低報頭開銷和解析復雜性，URI和內容類型支持，對資源發(fā)現(xiàn)的支持 已知的CoAP服務。簡單的資源預訂，以及由此產生的推送通知，簡單的基于最大使用期限的緩存。
• SMCP —基于C的CoAP堆棧，適用于嵌入式環(huán)境。功能包括：支持draft-ietf-core-coap-13，完全異步I/O，同時支持BSD套接字和UIP。
• STOMP: 面向簡單文本的消息協(xié)議
• XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）: 一種用于實時通信的開放技術，可為廣泛的應用程序提供支持，包括即時消息，狀態(tài)，多方聊天，語音和視頻通話，協(xié)作，輕量級中間件，內容聯(lián)合以及XML數(shù)據(jù)的通用路由。
• XMPP-IoT: 在與XMPP相同的方式下，創(chuàng)建了人與人之間的通信可互操作。目標是使人與人之間的通信以及機與機之間的通信互操作。
• Mihini/M3DA: Mihini代理是一個軟件組件，它充當M2M服務器和運行在嵌入式網關上的應用程序之間的中介。M3DA是一種為傳輸二進制M2M數(shù)據(jù)而優(yōu)化的協(xié)議。可用在Mihini項目對設備管理的手段,通過寬松的操縱和同步設備的數(shù)據(jù)模型,對資產管理的手段,通過允許用戶應用程序交換輸入數(shù)據(jù)/命令M2M服務器,來回的方式優(yōu)化帶寬的使用
• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol):面向消息中間件的開放標準應用層協(xié)議。AMQP的定義特性是面向消息、排隊、路由(包括點對點和發(fā)布-訂閱)、可靠性和安全性。
• DDS (Data-Distribution Service for Real-Time Systems): 第一個開放的國際中間件標準直接解決了實時和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)布-訂閱通信問題
• LLAP (lightweight local automation protocol):LLAP是一個簡單的短消息，它是用普通文本在智能對象之間發(fā)送的，它不像TCP/IP、藍牙、zigbee、6lowpan、WiFi等低級別“如何”移動數(shù)據(jù)。這意味著LLAP可以在任何通信媒介上運行。LLAP的三個優(yōu)點是，它可以運行在任何東西上，現(xiàn)在可以運行在任何東西上，將來也可以運行在任何東西上，而且人類很容易理解它。
• LWM2M (Lightweight M2M): 輕量級M2M (LWM2M)是開放移動聯(lián)盟中的一個系統(tǒng)標準。它包括DTLS、CoAP、Block、Observe、SenML和Resource目錄，并將它們與對象結構一起編織成一個設備-服務器接口
• SSI (Simple Sensor Interface):一種簡單的通信協(xié)議，用于計算機或用戶終端與智能傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸
• Reactive Streams:異步流處理和JVM上的非阻塞回壓的標準
• HTTP/2: 通過引入報頭字段壓縮和允許同一連接上的多個并發(fā)交換，可以更有效地使用網絡資源和減少延遲感知。
• SOAP(簡單對象訪問協(xié)議 (Simple Object Access Protocol)，JSON/XML, WebHooks, Jelastic, MongoDB
• WebSocket:作為HTML5的一部分開發(fā)——引入了WebSocket JavaScript接口，它定義了一個全雙工的單套接字連接，客戶端和服務器之間可以通過它發(fā)送消息。WebSocket標準簡化了很多關于雙向web通信和連接管理的復雜性。

通信/傳輸層

• 以太網：是一種計算機局域網技術。IEEE組織的IEEE 802.3標準制定了以太網的技術標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問層協(xié)議的內容。以太網是目前應用最普遍的局域網技術，取代了其他局域網技術如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。
• WirelessHART：技術為整個過程測量、控制和資產管理應用程序提供了健壯的無線協(xié)議
• DigiMesh：是一種專用的點對點網絡拓撲，用于無線端點連接解決方案。
• ISA100.11a：是國際自動化學會(ISA)開發(fā)的無線網絡技術標準。官方描述是“工業(yè)自動化的無線系統(tǒng):過程控制和相關應用”
• IEEE 802.15.4：是為低速率無線個人區(qū)域網絡(lr - wpan)指定物理層和媒體訪問控制的標準。它由IEEE 802.15工作組維護。它是ZigBee、ISA100.11a、WirelessHART和MiWi規(guī)范的基礎，每一個規(guī)范都通過開發(fā)IEEE 802.15.4中沒有定義的上層來進一步擴展標準。或者，它可以與6LoWPAN和標準Internet協(xié)議一起使用來構建無線嵌入式Internet。
• ANT：是一種專有的無線傳感器網絡技術,無線通信協(xié)議棧,使半導體收音機操作在2.4 GHz的工業(yè),科學和醫(yī)學的RF頻譜分配(“ISM樂隊”)通過建立通信標準規(guī)則共處,數(shù)據(jù)表示,信號、身份驗證和錯誤檢測。
• 藍牙：工作在2.4 GHz的ISM頻段，使用跳頻。具有高達3mbps的數(shù)據(jù)速率和100m的最大范圍。每個可以使用藍牙的應用程序類型都有自己的配置文件。
• Eddystone ：一個協(xié)議規(guī)范，為接近信標消息定義了一個藍牙低能量(BLE)消息格式。
• ZigBee協(xié)議：使用802.15.4標準，在2.4 GHz頻率范圍內運行，速率為250kbps。網絡中的最大節(jié)點數(shù)為1024，最大范圍為200米。ZigBee可以使用128位AES加密。
• EnOcean：是一種能量收集無線技術，其工作頻率為歐洲的868 MHz和北美的315 MHz。在建筑物內發(fā)射距離可達30米，在室外可達300米。
• Wi-Fi（發(fā)音：/?wa?fa?/），在中文里又稱作“行動熱點”，是Wi-Fi聯(lián)盟制造商的商標做為產品的品牌認證，是一個創(chuàng)建于IEEE 802.11標準的無線局域網技術?；趦商紫到y(tǒng)的密切相關，也常有人把Wi-Fi當做IEEE 802.11標準的同義術語。“Wi-Fi”常被寫成“WiFi”或“Wifi”，但是它們并沒有被Wi-Fi聯(lián)盟認可。
• WiMax是基于IEEE 802.16標準的，用于無線城域網。對于固定站點和移動設備來說，這一距離是不同的，前者最高可達50公里，而后者可達5至15公里。WiMAx的工作頻率在2.5 GHz到5.8 GHz之間，傳輸速率為40mbps。
• **LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網絡）**也稱為LPWA (Low-Power Wide-Area) 或 LPN（Low-Power Network，低功率網絡），是一種用在物聯(lián)網（例如以電池為電源的感測器），可以用低比特率進行長距離通訊的無線網絡。低電量需求、低比特率與使用時機可以用來區(qū)分LPWAN與無線廣域網絡，無線廣域網絡被設計來連接企業(yè)或用戶，可以傳輸更多資料但也更耗能。LPWAN每個頻道的傳輸速率介于0.3 kbit/s 到 50 kbit/s之間。
• Weightless：是一種被提議的專用開放無線技術標準，用于在基站和它周圍的數(shù)千臺機器之間交換數(shù)據(jù)(在未占用的電視傳輸通道中使用波長無線電傳輸)，具有很高的安全性。
• NB-IOT(Narrow-Band IoT)：窄帶物聯(lián)網(窄帶物聯(lián)網)是由3GPP標準組織標準化的一種技術
• LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication) :基于標準的技術家族支持幾個技術類別，如適用于物聯(lián)網的Cat-1和CatM1。
• EC-GSM-IoT (Extended Coverage-GSM-IoT):為現(xiàn)有的LPWA(低功耗廣域)物聯(lián)網應用提供新的蜂窩網絡功能。EC-GSM-IoT可以通過部署在非常大的GSM網絡上的新軟件來激活，從而為物聯(lián)網設備增加更多的覆蓋范圍。
• LoRaWAN : 用于區(qū)域、國家或全球網絡中無線電池操作事物的網絡協(xié)議。
• RPMA (隨機相位多址):是一種采用直接序列擴頻(DSSS)多址技術的通信系統(tǒng)。
• 蜂窩移動通信技術:GPRS/2G/3G/4G/5G, 特別介紹一下5G。
• 5G: 第五代移動通信技術（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術）是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。5G的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接。Release-15中的5G規(guī)范的第一階段是為了適應早期的商業(yè)部署。Release-16的第二階段將于2020年4月完成，作為IMT-2020技術的候選提交給國際電信聯(lián)盟（ITU） [1]  。ITU IMT-2020規(guī)范要求速度高達20 Gbit/s，可以實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMO。

語義

• IOTDB：描述物聯(lián)網的JSON / Linked Data標準
• SensorML：提供了用于描述傳感器和測量過程的標準模型和XML編碼
• Semantic Sensor Net Ontology - W3C語義傳感器網絡本體-W3C，該本體描述傳感器和觀測值以及相關概念。它沒有描述域的概念，時間，位置等。這些域旨在通過OWL導入而包含在其他本體中
• Wolfram Language - Connected Devices:每個設備的符號表示,是一套標準的Wolfram語言函數(shù)，如DeviceRead、DeviceExecute、DeviceReadBuffer和DeviceReadTimeSeries，它們執(zhí)行與設備相關的操作。
• RAML (RESTful API建模語言): 簡化了從設計到共享的整個API生命周期的管理。它很簡潔——您只編寫需要定義的內容——并且是可重用的。
• SENML(用于傳感器標記語言的媒體類型): 一個簡單的傳感器，例如溫度傳感器，可以在HTTP或CoAP等協(xié)議中使用這種媒體類型來傳輸傳感器的測量值或對其進行配置。
• LsDL (Lemonbeat智能設備語言): 面向服務設備的基于xml的設備語言

多層框架

• Alljoyn: 一個開源的軟件框架，使得設備和應用程序之間的發(fā)現(xiàn)和交流變得容易。
• IoTivity: 是一個開源項目，由Linux基金會主辦，OIC贊助。
• IEEE P2413: 物聯(lián)網架構框架標準
• Thread: 以6LoWPAN為基礎，基于開放標準和IPv6技術構建。
• IPSO Application Framework (PDF)：此設計定義了一組REST接口，智能對象可以使用它們來表示其可用資源，與其他智能對象和后端服務進行交互。該框架旨在補充現(xiàn)有的Web配置文件，包括SEP2和oBIX。
• OMA LightweightM2M v1.0：LightweightM2M的背景是開發(fā)一個可快速部署的客戶機-服務器規(guī)范來提供機器到機器的服務。LightweightM2M是一種設備管理協(xié)議，但它的設計應能滿足應用的需要。LightweightM2M不局限于設備管理，它應該能夠傳輸服務/應用數(shù)據(jù)。
• Weave：物聯(lián)網設備的通信平臺，支持設備設置，電話到設備到云的通信以及來自移動設備和Web的用戶交互。
• **Telehash-JSON + UDP + DHT **：為應用程序和設備的分散式覆蓋網絡提供支持的安全有線協(xié)議

安全

• 開放信任協(xié)議（OTrP）：一種在受信任的執(zhí)行環(huán)境（TEE）中安裝，更新和刪除應用程序以及管理安全配置的協(xié)議。

• X.509：公共密鑰基礎結構（PKI）的標準，用于管理數(shù)字證書和公共密鑰加密。傳輸層安全協(xié)議的關鍵部分，用于保護Web和電子郵件通信。

架構圖

來自ARM的架構圖：

工業(yè)領域圖：

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