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(yùn)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(gè)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(huì)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(dú)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(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)層。

圖片來源：João 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(gè)巨大的、且仍在增長(zhǎng)的行業(yè)。對(duì)智能家居技術(shù)的興趣正在創(chuàng)造消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)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(fèi)者獲得簡(jiǎn)化的、用戶友好的體驗(yàn)。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(fèi)電子產(chǎn)品如果沒有藍(lán)牙無線設(shè)備對(duì)設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)會(huì)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(fèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的繁榮打開了大門。其使用無線個(gè)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(fèi)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(tái)的通信而設(shè)計(jì)。其主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(fèi)者從一個(gè)品牌購(gòu)買所有智能家居設(shè)備。這并不一定符合消費(fèi)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(huì)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(duì)制造商和消費(fèi)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(gè)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(fèi)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(duì)機(jī)器通信協(xié)議。

如今，XMPP是由XMPP標(biāo)準(zhǔn)基金會(huì)維護(hù)的開源協(xié)議。其是一種輕量級(jí)中間件系統(tǒng)，用于標(biāo)準(zhǔn)化通信和XML數(shù)據(jù)。XMPP運(yùn)行在應(yīng)用層，可以提供近乎實(shí)時(shí)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(chǎng)是世界上表現(xiàn)最強(qiáng)勁的市場(chǎng)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(dú)特的利基市場(chǎng)。

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(huì)使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)送維護(hù)警報(bào)，這可能會(huì)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(shí)時(shí)警報(bào)，無論品牌或型號(hào)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(duì)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(diǎn)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(bào)傳輸層安全(DTLS)協(xié)議來確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。

輕量級(jí)M2M(LWM2M)

輕量級(jí)M2M(或LWM2M)是一種專門用于物聯(lián)網(wǎng)或機(jī)器對(duì)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(jì)，使其成為工業(yè)應(yīng)用中非常有用的協(xié)議。其的輕量級(jí)意味著其不需要太多的電力、存儲(chǔ)或計(jì)算資源來運(yùn)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(yùn)行。

MQTT

MQTT是一種使用發(fā)布者-訂閱者模型的機(jī)器對(duì)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(jí)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(dòng)化中使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。消費(fèi)和工業(yè)設(shè)備使用Zigbee，盡管其強(qiáng)調(diào)自動(dòng)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(diǎn)包括低功耗和高度靈活性。其是為短距離設(shè)計(jì)的，類似于藍(lán)牙。在工業(yè)領(lǐng)域特別有利的一項(xiàng)功能是其高級(jí)別安全性。Zigbee默認(rèn)包括加密和身份驗(yàn)證，同時(shí)保持輕量級(jí)。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(jì)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(zhǎng)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(guó)國(guó)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(guó)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(jì)算。實(shí)施Ascon可以幫助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商更加主動(dòng)地預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊和漏洞，而不僅僅是對(duì)其做出響應(yīng)。

DTLS

數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸單元，例如單個(gè)消息，其通常用于游戲、流視頻或視頻會(huì)議應(yīng)用。

DTLS由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組設(shè)計(jì)，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(huì)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(jì)，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(yùn)行。

Z-Wave在智能家居自動(dòng)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(fèi)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)分析、更高效的制造、消費(fèi)者反饋等。數(shù)十種協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)在后臺(tái)運(yùn)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(gòu)買決策，并構(gòu)建更安全、更穩(wěn)健的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。