物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備似乎無處不在，從智能手機、智能恒溫器和門鈴攝像頭，到制造這些設備的制造工廠。協(xié)議和標準確保這些設備能夠正常運行并相互通信，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)議和標準。
什么是物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標準?
物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是關于物聯(lián)網(wǎng)設備如何工作和通信的既定規(guī)則。標準與協(xié)議類似，但使用范圍更廣泛，例如在整個行業(yè)中。它們共同確保所有物聯(lián)網(wǎng)設備彼此之間以及與其他相關設備和應用具有最低程度的兼容性。
例如，制造商可能會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)遵循相同的指導方針，傳感器就可以在同一網(wǎng)絡上工作。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和標準通常在單層中發(fā)揮作用，作為較大網(wǎng)絡的獨特部分，最常見的是在標準五層網(wǎng)絡架構(gòu)的應用和中間件層，但不限于此。例如，藍牙和Wi-Fi都運行在網(wǎng)絡層。
圖片來源：João Pedro Reis博士繪制的標準五層網(wǎng)絡架構(gòu)圖。
商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準和協(xié)議
商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個巨大的、且仍在增長的行業(yè)。對智能家居技術(shù)的興趣正在創(chuàng)造消費電子市場對設備的高需求。因此，協(xié)議和標準不斷涌現(xiàn)，以確保消費者獲得簡化的、用戶友好的體驗。雖然其中一些標準也用于工業(yè)應用，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)標準和協(xié)議應用如此廣泛，以至于無處不在，例如藍牙和Wi-Fi。
藍牙
很難想象，當今的消費電子產(chǎn)品如果沒有藍牙無線設備對設備通信標準會是什么樣子。每一款新的智能手機、平板電腦和筆記本電腦都將藍牙支持作為標準功能。
藍牙是最早的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議之一，為智能手表和無線耳機等消費物聯(lián)網(wǎng)設備的繁榮打開了大門。其使用無線個域網(wǎng)(WPAN)，允許使用無線電波進行短距離數(shù)據(jù)傳輸。
藍牙最初由全球最大的技術(shù)專業(yè)組織IEEE于2005年根據(jù)標準IEEE 802.15.1進行標準化。盡管更新已于2018年停止，但藍牙仍然是一種極其流行的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，尤其是在消費電子產(chǎn)品中。
數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)
數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)協(xié)議和標準專為跨硬件和軟件平臺的通信而設計。其主要優(yōu)點包括易于擴展、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。其是一種中間件協(xié)議，用于使用發(fā)布者-訂閱者模型標準化機器對機器的通信。
圖片來源：DDS擴展圖，來自DDS Foundation/Object Management Group Inc.
Matter
Matter是一種通信和互操作性標準，旨在解決品牌之間智能家居設備通信的問題。許多商業(yè)設備制造商希望消費者從一個品牌購買所有智能家居設備。這并不一定符合消費者的最佳利益，但不同企業(yè)的產(chǎn)品之間缺乏交互可能會迫使其選擇單一品牌。
Matter確保參與制造商的智能家居設備能夠在本地協(xié)同工作。這對制造商和消費者都有利。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，而不必擔心競爭品牌也生產(chǎn)其他產(chǎn)品。
Wi-Fi
Wi-Fi是最古老的物聯(lián)網(wǎng)標準之一，也是當今最著名和最廣泛使用的標準之一。其的發(fā)明可以追溯到1942年，當時女演員兼發(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wifi標準。
第一套標準建立了如今所知的Wi-Fi。IEEE 802.11系列標準概述了無線局域網(wǎng)(WLAN)上的通信應如何工作。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標準，Wi-Fi仍然存在于大多數(shù)消費電子和商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備中，例如智能家電和傳感器。
XMPP
可擴展消息傳遞和狀態(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)展成為智能設備普遍使用的機器對機器通信協(xié)議。
如今，XMPP是由XMPP標準基金會維護的開源協(xié)議。其是一種輕量級中間件系統(tǒng)，用于標準化通信和XML數(shù)據(jù)。XMPP運行在應用層，可以提供近乎實時的數(shù)據(jù)傳輸。這種響應能力與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備進行通信的理想選擇。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準和協(xié)議
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場是世界上表現(xiàn)最強勁的市場之一，考慮到物聯(lián)網(wǎng)在制造、物流和建筑領域的無數(shù)應用，這不足為奇。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)被認為是其獨特的利基市場。
隨著企業(yè)越來越依賴物聯(lián)網(wǎng)設備，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準和協(xié)議變得越來越重要。例如，智能工廠中的制造商可能會使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)送維護警報，這可能會影響員工的安全。物聯(lián)網(wǎng)通信標準可確保傳感器成功發(fā)送實時警報，無論品牌或型號如何。
受限應用協(xié)議(CoAP)
受限應用協(xié)議(CoAP)是一種允許物聯(lián)網(wǎng)設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，在機器對機器(M2M)通信中很受歡迎，尤其是在供應鏈環(huán)境等工業(yè)應用中。
CoAP允許工業(yè)用戶在其網(wǎng)絡中包含更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)設備，而不受低功耗功能或帶寬的限制。其主要缺點是缺乏安全功能。CoAP本身在某種程度上是公開的，需要額外的數(shù)據(jù)報傳輸層安全(DTLS)協(xié)議來確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。
輕量級M2M(LWM2M)
輕量級M2M(或LWM2M)是一種專門用于物聯(lián)網(wǎng)或機器對機器環(huán)境中的遠程設備管理的協(xié)議。其是專為物聯(lián)網(wǎng)傳感器而設計，使其成為工業(yè)應用中非常有用的協(xié)議。其的輕量級意味著其不需要太多的電力、存儲或計算資源來運行。
LWM2M最初于2017年發(fā)布，目前仍然活躍并由OMA SpecWorks維護。2020年協(xié)議更新增加了與邊緣網(wǎng)絡和5G的兼容性，使LWM2M成為當今工業(yè)環(huán)境的尖端標準。LWM2M通過TCP/TLS、MPTT和HTTP運行。
MQTT
MQTT是一種使用發(fā)布者-訂閱者模型的機器對機器通信的應用層協(xié)議。其于1999年開發(fā)，是一種流行的開源協(xié)議，用于標準化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備之間的通信。
由于其輕量級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設備高度兼容。其本質(zhì)上充當應用的橋梁。
Zigbee
Zigbee是一種非常流行的網(wǎng)絡協(xié)議，專門用于自動化中使用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡。消費和工業(yè)設備使用Zigbee，盡管其強調(diào)自動化和各種應用，使其成為商業(yè)的理想選擇。Zigbee是由連接標準聯(lián)盟開發(fā)的，該聯(lián)盟也創(chuàng)建了Matter。
Zigbee的主要優(yōu)點包括低功耗和高度靈活性。其是為短距離設計的，類似于藍牙。在工業(yè)領域特別有利的一項功能是其高級別安全性。Zigbee默認包括加密和身份驗證，同時保持輕量級。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)設備網(wǎng)狀網(wǎng)絡，而無需使用過多的電力和計算資源。
安全物聯(lián)網(wǎng)標準和協(xié)議
網(wǎng)絡安全標準在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和成長中始終發(fā)揮著重要作用。一些與通信相關的協(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)議和標準旨在強調(diào)網(wǎng)絡安全。其中一些是其他產(chǎn)品的附加規(guī)則集，例如，Wi-Fi Protected Access 2是當今添加到Wi-Fi的領先網(wǎng)絡安全協(xié)議之一。
Ascon(NIST)
Ascon是美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)于2023年選定的物聯(lián)網(wǎng)加密官方標準。其現(xiàn)已成為美國保護物聯(lián)網(wǎng)設備和通信安全的正式標準。
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算。實施Ascon可以幫助物聯(lián)網(wǎng)設備制造商更加主動地預防網(wǎng)絡攻擊和漏洞，而不僅僅是對其做出響應。
DTLS
數(shù)據(jù)報傳輸層安全性(DTLS)是一種用于加密通信的安全協(xié)議。數(shù)據(jù)報是標準的數(shù)據(jù)傳輸單元，例如單個消息，其通常用于游戲、流視頻或視頻會議應用。
DTLS由互聯(lián)網(wǎng)工程任務組設計，可保護無線通信的安全，以便發(fā)送者和接收者知道其消息不會被攔截或監(jiān)視。DTLS是商業(yè)和工業(yè)領域常用的協(xié)議。
Z-Wave
Z-Wave是藍牙和Wi-Fi等協(xié)議的專有替代方案，專為加密網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信而設計，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行。
Z-Wave在智能家居自動化系統(tǒng)中很受歡迎，尤其是那些注重安全的系統(tǒng)。其主要用于消費電子和商業(yè)應用，但也可用于工業(yè)環(huán)境。
總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)設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)越來越依賴其來實現(xiàn)各種目的。這些設備日復一日地生成大量數(shù)據(jù)，用于商業(yè)智能、競爭分析、更高效的制造、消費者反饋等。數(shù)十種協(xié)議和標準在后臺運行，以確保這些設備和傳感器平穩(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)做出更好的購買決策，并構(gòu)建更安全、更穩(wěn)健的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡。
