iot物联网技术及应用（物联网标准和协议）

在前面的文章中，一个物联网的基本架构系统进行了讨论。从前面教程的讨论中，必须清楚通信网络是任何物联网系统的骨干。只有（互联网）网络才能使物联网设备（板）和基于云的服务和应用程序相互通信。没有互联网，物联网就什么都不是。互联网网络上的数据通信并不那么直接。有无数异构设备通过互联网连接，这些过多的独特设备需要以安全、可靠和路由的方式进行通信。此外，这些设备可能正在运行具有自己的框架和域的独特应用程序或服务。有了这样的多样性，

任何互联网网络都是一堆技术。有一些技术可以物理地连接设备（连接到位于同一地点的设备或路由器）、为其分配逻辑地址、通过网络路由数据以及管理客户端的数据交换。

为了协议的标准化和实现，这些技术被安排在不同的层中。典型的互联网网络遵循开放系统互连 (OSI) 模型，它是互联网的 ISO 标准模型。OSI 模型将互联网分为七层——物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。虽然 OSI 模型的实际实现是通过 TCP-IP 模型完成的，它将七层 OSI 模型简化为四层互联网协议套件。在 TCP-IP 模型（OSI 模型的实际实现）中，物理层和数据链路层合并形成物理和网络访问层，并将 OSI 模型的会话层、表示层和应用层合并为单个应用层。

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图 1：显示 OSI 和 TCP-IP 模型层比较的图像

堆栈从两个客户端横向连接，通过物理传输介质和互联网上的网络/服务器之间连接。

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图 2：Internet 上的设备到设备通信概述

物联网生态系统的云网络实际上没有任何标准架构，因为这些网络是高度定制的环境，具有可变的复杂性。但是，由于架构层的类似实现，物联网系统的各种架构模型可以与典型的 OSI 或 TCP-IP 模型进行比较。概括标准组织部署或推荐的各种架构模型，云或物联网网络架构将具有以下四层 -

1) 基础设施层

2) 服务发现/服务管理/发现层

3) 应用层

4) 业务层

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图 3：IOT 参考架构与 OSI 和 TCP-IP 模型的比较图

每一层都有用于处理数据传输的各种协议。协议是一组预定义的规则，设备必须遵循它们才能相互通信或通过网络进行通信。让我们讨论它们所涉及的每一层和协议——

基础设施层——在这一层中，包括物联网设备（包括传感器网络）和将位于同一地点的设备或设备物理连接到标准互联网网络的技术。与 OSI 模型相比，该层融合了典型 Internet 网络的物理层、数据链路层、网络层和传输层。与 TCP-IP 模型相比，该层融合了物理和网络访问、互联网和传输层。所以，一般来说，这一层可以分为以下子层——

1) 物理和链路/MAC/网络访问层——在物理层，各个比特被编码并排列在数据链路层帧中，排列在协议定义帧中的编码数据被推送到有线或无线数据通信链路。如果数据链路是无线的，那么决定频率和数据传输速率的是物理层。同样，物理层也解码传入的比特和字节，并将它们传输到 IOT 设备的现有处理器或控制器。数据链路层负责将数据包封装成帧，通过媒体访问控制（MAC）协议访问数据链路，并通过通信链路传送或接收数据。为物理和网络访问层定义的一些标准协议如下：

• 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) 网络或网络封装或适配层——该层负责通过互联网对数据包进行寻址。来自传输层的传入数据包包含源地址和目标地址。在网络层，数据包被封装成唯一的地址，称为 IP 地址。早期的 IPv4 用于网络层寻址，但其 IP 地址已经用尽。因此，已经指定了一个新的网络层协议 IPv6，它将具有 128 位地址。IPv6 有 1038 个地址的地址空间。6LoWPAN 是另一种用于低功率无线个域网的网络层协议。它是为无线传感器网络和家庭区域网络开发的 IPv6 协议。因此，流行的网络层协议如下：

•IPv4

• IPv6

• 6LoWPAN

• 6Lo

• 6TiSCH

• IPv6 over Bluetooth Low Energy

• IPv6 over G.9959

3) 传输层或路由层——该层负责数据包的路由。在这一层，执行数据包传送中的数据包排序、错误检测和纠正。为传输层指定的一些流行协议如下 -

• TCP

• UDP

• DTLS

• TLS

• RPL

• CARP

• CORPL

• QUIC

• uIP

• ROLL

• Aeron

• CCN (Content Centric Networking)

• NanoIP

• TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol)

服务发现或服务管理层——该层将物联网网络或云网络与典型的互联网网络区分开来。物联网设备需要通过互联网寻找其他设备、服务和资源。因此，需要在云网络上进行资源管理和注册过程。为此，规定了服务发现和管理协议。物联网系统上一些流行的服务发现协议如下：

• 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

应用层——这是通信网络中的最高层。它是（IOT）设备和网络之间的接口。该层通过设备端的专用应用程序实现。与计算机一样，应用层由浏览器实现。它是实现 HTTP、HTTPS、SMTP 和 FTP 等应用层协议的浏览器。同样，在 IOT 的上下文中指定了应用层协议，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

业务层——这一层实际上不是通信网络的一部分。它位于物联网端点。它可以是实现专用应用程序或在物联网系统内提供特定业务或工业解决方案的云或服务器。就像它可能将各种物联网设备连接到企业资源规划 (ERP) 或知识管理 (KM) 解决方案一样。这一层实际上负责无缝集成设备、服务和解决方案，并为垂直特定（健康、交通、能源、教育等）实施集成云和设备。

除了为不同网络层指定的协议外，IOT 系统可能会使用附加协议来进行设备管理、设备识别、上下文感知或语义和数据安全。一些设备管理协议如下 -

• OMA-DM

• TR-069

• OMA-CP

Some of the data security protocols are as follow –

• Open Trust Protocol (OTrP)

• X.509

一些流行的语义协议如下-

• SensorML

• IOTDB

• RAML

• SENML