物聯(lián)網(wǎng)IOT系列之4：物理和數據鏈路層協(xié)議

在之前的教程中，物聯(lián)網(wǎng)的參考架構與 OSI 和 TCP-IP 模型進(jìn)行了比較，并提到了物聯(lián)網(wǎng)架構不同層的各種數據通信協(xié)議。在本教程中，將詳細討論物理和數據鏈路層協(xié)議。

物理和數據鏈路層包括物聯(lián)網(wǎng)對象和將它們與其他對象或網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)的物理網(wǎng)絡(luò )。原始數據或信息的組成位在這一層進(jìn)行編碼和解碼，并通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)物理鏈路進(jìn)行交換。不同的機構和組織為物理和網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議指定了許多協(xié)議和標準技術(shù)。這些協(xié)議和技術(shù)適合不同的應用程序和網(wǎng)絡(luò )站點(diǎn)。一些流行的物理和數據鏈路層協(xié)議和標準如下：

? Ethernet

? Bluetooth Low Energy

? Wi-Fi

? Wi-Fi Direct

? WPA

? 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

在本教程中，討論了當今用于互連計算機和移動(dòng)設備的流行標準和協(xié)議。這些協(xié)議被廣泛使用，以至于它們在城市和大都市連接中無(wú)處不在。這些協(xié)議如下 -

1) Ethernet

2) Bluetooth 4.0

3) Wi-Fi

4) Wi-Fi Direct

5) WPA/WPA2/WPA3

1) 以太網(wǎng)——以太網(wǎng)是最流行的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。它廣泛用于連接個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)、家庭局域網(wǎng) (HAN)、局域網(wǎng) (LAN)、廣域網(wǎng) (WAN) 和城域網(wǎng) (MAN) 中的計算機。它基于 IEEE 802.3 標準。在物聯(lián)網(wǎng)系統中，以太網(wǎng)可用于連接固定或固定物聯(lián)網(wǎng)設備。例如，它可用于連接工業(yè)中的傳感器網(wǎng)絡(luò )、家庭自動(dòng)化系統中的電器控制電路或辦公自動(dòng)化系統中的物聯(lián)網(wǎng)設備。

對于 6 類(lèi)電纜，以太網(wǎng)中的數據傳輸速率可高達每秒 10 吉比特 (Gbit/s)。以太網(wǎng)上的數據速度取決于電纜類(lèi)型，并且可能受到網(wǎng)絡(luò )管理員的限制?？赡苡杏糜谝蕴W(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的光纖、同軸或雙絞線(xiàn)電纜。以太網(wǎng)具有非常低的延遲，這使其適用于設備可能位于同一地點(diǎn)或遠距離的關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應用。

2)低功耗藍牙 (BLE) – 藍牙是一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準，用于在固定設備和移動(dòng)設備之間進(jìn)行短距離數據交換，從而創(chuàng )建具有高度安全性的個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)。低功耗藍牙，也稱(chēng)為藍牙智能，是由藍牙特別興趣小組開(kāi)發(fā)和提出的。BLE 是原始 2.4 GHz 藍牙的低功耗版本。BLE 在 2011 年作為藍牙 4.0 推出。

BLE 旨在以高速 (1Mbps) 傳輸少量數據，其中一個(gè)設備可能以星形拓撲連接到多個(gè)設備。BLE 的范圍限制為 100 米，因此它通常適用于個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)。通過(guò) BLE 連接的設備在不傳輸數據時(shí)進(jìn)入睡眠模式。連接后，BLE 設備的連接時(shí)間可能只有幾毫秒，而經(jīng)典藍牙的平均時(shí)間為 100 毫秒。由于連接時(shí)間短和數據速率高，與任何其他競爭協(xié)議相比，BLE 具有極高的能效。

圖 1：顯示藍牙低功耗 (BLE) 協(xié)議架構的圖像

BLE 專(zhuān)為可以使用小電池供電數年的物聯(lián)網(wǎng)設備而設計。OSI 模型的物理層和數據鏈路層都是在低功耗藍牙上實(shí)現的。BLE 協(xié)議棧有兩部分——控制器和主機。在該架構中，物理層和鏈路層都在控制器部分實(shí)現?？刂破魍ǔＪ?SOC（片上系統），在藍牙設備上帶有無(wú)線(xiàn)電。其余的東西，如 GAP、GATT 服務(wù)、安全管理器都包含在主機部分中。至少，藍牙中的 GAP（通用訪(fǎng)問(wèn)配置文件）服務(wù)使 BLE 設備能夠觀(guān)察并連接到其他 BLE 設備（僅在需要時(shí)）。藍牙 LE 中的 GATT（通用屬性配置文件）服務(wù)使其他設備能夠訪(fǎng)問(wèn)該藍牙設備中存在的服務(wù)和特性。

BLE 協(xié)議棧類(lèi)似于用于經(jīng)典藍牙技術(shù)的協(xié)議棧，但 BLE 與經(jīng)典藍牙不兼容。主要區別在于 BLE 不支持數據流。相反，它只支持以 1 Mbps 的數據速率快速傳輸小數據包（數據包大小很?。?。

BLE中有兩種類(lèi)型的設備——主設備和從設備。主設備充當可以連接到各種從設備的中央設備?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，手機或PC可以作為主設備，而嵌入BLE的智能鎖作為從設備。主設備根據它給出的命令控制從設備。在這種情況下，Slave 必須非常節能。

然而，在經(jīng)典藍牙中，即使沒(méi)有數據傳輸，連接也一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。此外，經(jīng)典藍牙支持 79 個(gè)數據通道（1 MHz 通道帶寬），而 BLE 支持 40 個(gè)通道和 2 MHz 通道帶寬（經(jīng)典藍牙的兩倍）。

BLE 協(xié)議棧還支持基于 IP 的通信。

圖 2：表列出 BLE 協(xié)議的頻率和范圍

3）Wi-Fi——由Wi-Fi聯(lián)盟提出，無(wú)線(xiàn)保真（Wi-Fi）是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）的標準。它基于 IEEE 802.11 標準，各種版本號表示為 a、b、c、g、n 等，其中 a 到 n 是最新版本。Wi-Fi 使用 2.4、3.6、5 和 60 GHz 無(wú)線(xiàn)電頻段，數據速率可以從 2 Mbps（對于 Legacy 802.11）到 1.73 Gbps（對于 802.11ac wave 2）。相當常見(jiàn)的 802.11 n 具有高達 450 Mbps 的數據速度。

通過(guò) Wi-Fi，設備連接到配置為熱點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)的路由器，其他支持 Wi-Fi 的設備通過(guò)接入點(diǎn)連接到該設備。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )的主要缺點(diǎn)是延遲和安全性差。入侵 Wi-Fi 熱點(diǎn)并訪(fǎng)問(wèn)物理鏈接介質(zhì)更容易。但是，可以使用 WPA 類(lèi)型和信標數據包管理來(lái)保護 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )。

Wi-Fi 還允許 ad-hoc 通信，支持 Wi-Fi 的設備無(wú)需接入點(diǎn)或路由器即可直接通信。為此，設備需要使用 ad hoc 共享互聯(lián)網(wǎng)連接，并將自己配置為熱點(diǎn)或虛擬接入點(diǎn)。Wi-Fi 廣泛用于聯(lián)網(wǎng)計算機、筆記本電腦和移動(dòng)設備。在物聯(lián)網(wǎng)系統中，它可用于建立個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）、局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）。

任何 Wi-Fi 熱點(diǎn)的覆蓋范圍可達 100 米?？梢允褂枚嗵酚蓴U展 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。在多跳路由中，一個(gè)節點(diǎn)（熱點(diǎn)）可以使用另一個(gè)節點(diǎn)（熱點(diǎn)）作為中繼，從而增加網(wǎng)絡(luò )的總覆蓋范圍。

圖 3：Wi-Fi 頻率和范圍列表

4) Wi-Fi Direct – Wi-Fi direct 是 Wi-Fi 標準的梨對梨版本。它允許兩個(gè)設備在沒(méi)有任何路由器或接入點(diǎn)的情況下建立通信。Wi-Fi Direct 是單跳標準，因此無(wú)法擴展其范圍。如今，Wi-Fi Direct 廣泛用于筆記本電腦、移動(dòng)設備、相機、電視和游戲機。它是智能手機中的 Wi-Fi Direct，允許它們配置為互聯(lián)網(wǎng)熱點(diǎn)并共享互聯(lián)網(wǎng)連接。Wi-Fi Direct 的范圍限制為 100 米。

5) WPA/WPA2/WPA3 – 無(wú)線(xiàn)保護訪(fǎng)問(wèn) (WPA) 是 Wi-Fi 標準的安全協(xié)議。建議考慮 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )的脆弱性。它基于 IEEE 802.11i 標準并使用 64 位或 128 位加密密鑰來(lái)保護數據。WPA2 遵循 WPA 標準，WPA2 將被 WPA3 取代，WPA3 將具有 192 位加密以保護 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )上的數據。雖然 Wi-Fi Direct 允許將 Wi-Fi 標準用于個(gè)域網(wǎng) (PAN) 應用程序，但 WPA 標準已使 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )足夠安全，可用于基于 WLAN 的 IOT 應用程序。

這些標準和協(xié)議在所有其他標準和協(xié)議中最為普遍，并廣泛用于將計算機、消費電器和移動(dòng)設備連接在一起。在下一個(gè)教程中，將繼續討論物理和數據鏈路層協(xié)議。