物联网数据接入篇-网络接口层的协议(2)

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上一篇文章,我们分享了TCP/IP 的四层协议。本文从第一层:网络接口层协议开始分享,给大家分享这一层的协议知识和应用。

网络协议,就是在网路上传输数据是要说的语言,保证说话的人说的语言,传达到听话人耳朵,并且如果语言不一样需要翻译成对方能听懂的语言。

TCP/IP 四层协议,为什么要分层:简化开发和维护,分工能提高生产效率,也能提高数据传输效率。

第一层:网络接口层协议

网络接口层是 TCP/IP 模型中的最底层,是整合 OSI 的物理层和数据链路层。

这一层主要负责:物理连接、数据帧的封装和解封装(二进制)、定义硬件 MAC 地址、提供硬件接口。为上层提供了实际的物理传输服务,使得数据能够在不同的物理网络中进行传输和接收。

按照传输距离远近、是否是蜂窝网络、是否有线传输,将网络接口层分为近距离通信协议、远距离蜂窝通信协议、远距离非蜂窝通信协议、有线通信协议。

一、近距离通信协议

有 RFID、NFC、蓝牙等协议。

1. RFID

RFID,Radio Frequency Identification,射频识别技术。

组成部分:

主要由电子标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)三部分组成。

工作原理:

读写器通过天线发射特定频率的射频信号,当电子标签进入到读写器的有效工作范围内时,电子标签接收射频信号并凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片。读写器再对接收到的数据进行解调和解码,从而获取电子标签中所存储的信息。

RFID读写器和相应类型RFID标签之间的通讯规则,包括:频率、调制、位编码及命令集。

特点:

  • 非接触式:无需直接接触就能完成对目标的识别。操作非常便捷。
  • 自动识别能力强:可以快速、准确地对大量物品或目标进行自动读取和识别,极大提高了工作效率。
  • 安全性和可靠性高:通过加密等手段可以保障数据的安全,并且在各种环境条件下都能稳定工作。

应用:

  • 旅游导览:识别展品标签,自动播放讲解视频。
  • 物流与供应链管理:用于货物的跟踪、识别、盘点等,提高物流效率和准确性。
  • 仓储管理:可以快速准确地识别货物位置和状态。
  • 智能交通:如电子不停车收费(ETC)系统、车辆管理等。
  • 图书馆管理:实现图书的自助借还、盘点等。
  • 资产管理:对各类固定资产进行标识和管理。
  • 制造业:用于生产线上的零部件追踪、质量控制等。
  • 门禁系统:人员身份识别和进出控制。
  • 动物追踪:对宠物或牲畜进行标记和追踪。
  • 医疗领域:药品管理、病人身份识别等。
  • 防伪溯源:用于商品的防伪和追溯来源。

2. NFC

NFC,Near Field Communication,近场通信。是 RFID 的升级版本。工作距离通常在10厘米以内。

组成部分:

NFC 芯片、天线、软件和驱动组成。

  • NFC 芯片:这是核心部件,负责处理数据和通信。
  • 天线:用于发射和接收射频信号,实现与其他设备的近场通信。
  • 相关软件和驱动:确保系统能够正确识别和使用 NFC 功能,以及处理数据交互等操作。

工作原理:

NFC采用了双向的识别和连接,短距离高频无线通信,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在10厘米内)交换数据。

特点:

双向的识别和连接。

  • 短距离:通常在几厘米范围内有效。
  • 快速连接:可以快速建立连接和传输数据。
  • 便捷交互:例如用于移动支付、设备配对等非常方便。

应用:

  • 接触通过(TouchandGo),如门禁管制、车票和门票等,使用者只需携带储存着票证或门控密码的移动设备靠近读取装置即可。
  • 接触确认(TouchandConfirm),如移动支付,用户通过输入密码或者仅是接受交易,确认该次交易行为。
  • 接触连接(TouchandConnect),如把两个内建NFC的装置相连接,进行点对点数据传输,例如下载音乐、图片互传和同步交换通讯簿等。
  • 接触浏览(TouchandExplore),NFC设备可以提供一种以上有用的功能,消费者将能够通过浏览一个NFC设备,了解提供的是何种功能和服务。

3. 蓝牙

Bluetooth,蓝牙通信技术,支持设备短距离通信(一般 10m 内)的无线电技术。以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。以时分方式进行全双工通信,其基带协议是电路交换和分组交换的组合。蓝牙的长处在于配对、认证和低功耗。

组成部分:

由蓝牙芯片和天线组成。

  • 蓝牙芯片:核心组件,负责数据处理和通信控制。
  • 天线:用于发射和接收蓝牙信号。

工作原理:

蓝牙设备中的蓝牙芯片包含了无线电收发器等关键部件。当设备开启蓝牙功能后,蓝牙芯片会通过天线发送特定频率的无线电信号,同时也能接收其他蓝牙设备发送的信号。

在建立连接时,一个设备发起连接请求,另一个设备进行响应,通过一系列的配对和认证过程,建立起稳定的通信链路。

一旦连接建立,设备之间就可以进行数据的传输。数据被编码成蓝牙信号并通过无线电波进行传输,接收方则对信号进行解调和解码,获取原始数据。

蓝牙使用了多种技术来确保通信的可靠性和稳定性,比如跳频技术,它可以避免干扰和提高安全性。

蓝牙设备分主设备、从设备。

主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时,用户通过输入端可输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PC都是主设备。

从设备在出厂时,在其蓝牙芯片中,固化有一个4位或6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、UD数码笔、蓝牙鼠标键盘、Apple pencil、打印机、游戏手柄都是从设备。从从无法匹配。

特点:

  • 短距离通信:一般在 10 米左右范围内有效,但通过增强技术可适当延长距离。但是组网能力设备数量限制。
  • 方便快捷:易于配对和连接,无需复杂设置。
  • 低功耗:适合于移动设备等对功耗敏感的场景。比 Zigbee 功耗要高。
  • 广泛应用:常见于手机与耳机、音箱等设备的连接,也用于智能穿戴设备、智能家居设备之间的交互等。

应用:

广泛应用于消费电子、汽车、医疗、工业等领域,如手机与耳机、音箱等设备的连接,汽车的蓝牙音频和电话系统,医疗设备的数据传输等。

可穿戴设备,健康手环、手表等。可穿戴设备上网不易,通过蓝牙4.1进行解决。手表通过蓝牙4.1连接到可以上网的设备手机之后,手表可以利用 IPv6 连接到网络,实现与WiFi相同的功能。尽管受传输速率的限制,该设备的上网应用有限,不过同步资料、收发邮件之类的操作还是完全可以实现的

AirDrop:利用蓝牙 LE(低功耗蓝牙)来快速发现附近的其他 iOS 设备。一旦发现目标设备,系统会利用 Wi-Fi 直连来建立高速的通信链路。这使得数据能够以较快的速度进行传输,尤其是在传输较大文件时优势明显。不会消耗移动网络的流量。蓝牙低功耗、配对功能强,Wi-Fi 传输速度快。

室内导航:作为室内导航信标或类似定位设备使用,结合Wi-Fi可以实现精度小于1米的室内定位。

二、远距离蜂窝通信协议

1. 蜂窝网

它是一种将通信服务区域划分为若干个类似蜂窝形状的小区的网络结构。每个小区由一个基站负责通信信号的收发和处理,各个小区通过频率复用等技术实现无缝覆盖,使得在整个服务区域内用户能够随时随地进行通信。所有通过网络定位技术,有时候设备通过网络定位,显示的是基站的位置。

远距离蜂窝通信协议主要是2/3/4/5G、LPWAN(NB-IoT、eMTC)等技术下的各电信运营商采用的制式、协议。远距离蜂窝通信,都要插一张物联网卡,都是由移动运营商部署和运营的,频段都是官方授权的,数据流量都是要收费的。

注意 LoRa 、Sigfox是非蜂窝网络,有些人的文章写错了。

2. LPWAN 低功率网络

LPWAN,Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网络,是用在物联网,可以用低比特率进行长距离通讯的无线网络。低电量需求、低比特率与使用时机可以用来区分LPWAN与无线广域网络,无线广域网络被设计来连接企业或用户,可以传输更多资料但也更耗能。LPWAN每个频道的传输速率介于0.3 kbit/s 到 50 kbit/s之间。

LPWAN 网络主要由终端设备、网关、核心网络、通信链路和应用平台等组成。其中,终端设备如传感器、智能电表等产生数据,网关负责收集多个终端设备的数据并转发到核心网络,核心网络包含网络服务器和数据处理中心等,用于对数据进行存储、分析和管理等操作,通信链路基于 LoRa、Sigfox、NB-IoT 等技术提供数据传输通道,而应用平台用于将处理后的数据呈现给用户并支持各种应用功能的实现。

特点:

  • 低功耗:设备能长时间续航,减少频繁更换电池或充电的麻烦,适用于难以经常维护的场景。
  • 广覆盖:可以实现较大范围的信号覆盖,能深入到一些偏远或信号难以到达的区域。
  • 低成本:无论是设备成本还是运营成本都相对较低,有利于大规模应用部署。
  • 低数据速率:主要传输少量的关键数据,满足特定物联网应用的基本通信需求即可。
  • 高容量:能够连接大量的物联网设备,适应海量设备接入的需求。
  • 高可靠性:能在复杂环境下保持稳定的通信,保证数据传输的准确性和及时性。

3. NB-IoT

NB-IoT,Narrow Band Internet of Things,窄带物联网,是一种专为物联网应用设计的低功耗广域网络技术,需要专用的物联网进行联网,一般采用电池供电,会休眠,需要插物联网卡。
它聚焦于低功耗、广覆盖、大连接和低成本等特性,使用窄带频谱进行通信,能在确保较低功耗的同时,实现对海量物联网设备的连接和数据传输。

由华为大力提倡,在中国由三大运营商组网建设。自己家需要这些数据,需要进行数据对接。

组成部分:

  • 终端设备:各类具备 NB-IoT 通信功能的物联网设备,如智能水表、智能燃气表等,它们负责采集数据并进行传输。
  • NB-IoT 基站:用于与终端设备进行通信,接收和发送数据,实现信号覆盖和数据传输。
  • 核心网络:包括移动管理实体、服务网关等,负责对数据进行处理、路由和管理。
  • 物联网平台:对来自终端设备的数据进行存储、分析和管理,同时提供应用开发和管理的接口,方便各类物联网应用的构建和运行。

工作原理:

NB-IoT 终端设备通过内置的传感器等采集数据。这些设备通常处于低功耗模式,只有在需要传输数据时才会唤醒。当终端要发送数据时,它会通过无线信号连接到附近的 NB-IoT 基站。基站接收数据后,将其转发到核心网络进行处理和存储。在核心网络中,数据会被分类、分析和管理。然后根据需要,将数据传递给相应的应用平台或用户。

特点:

  • 低功耗:牺牲了速率,却换回了更低的功耗。采用简化的协议,更适合的设计,大幅提升了终端的待机时间。
  • 信号覆盖能力强:NB-IoT有更好的覆盖能力,可以穿透井盖。
  • 连接广泛:小区可以支持几万个终端。
  • 成本低:NB-IoT通信模块成本很低。

应用:

NB-IoT 适用于对数据传输速率要求不高,但对设备续航能力、网络覆盖范围有较高需求的各类物联网场景,比如智能抄表、智慧城市设施监测、工业物联网等领域,为大规模物联网应用的部署和发展提供了重要的技术支撑。

三、远距离非蜂窝通信协议

就是不使用蜂窝网,通过自组网络的方式进行通信。如果要连接互联网,需要加路由器等设备。

1. ZigBee

ZigBee 是一种短距离、低功耗、高可靠、自组网的无线通信技术。ZigBee数传模块类似于移动网络基站,由可多个无线数传模块组成的一个无线网络平台,在整个网络范围内,每一个网络模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

组成部分:

节点:包括zigbee 网关、路由器和终端设备。zigbee 网关负责创建和管理网络,路由器用于扩展网络覆盖范围,终端设备通常是简单的传感器或执行器。所以买小米 zigbee 插头的时候,必须要有一个 zigbee 网关,连上路由器。

工作原理:

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 标准,采用了直接序列扩频(DSSS)技术。它通过在多个频率上发送数据来提高通信的可靠性和抗干扰能力。当一个节点需要发送数据时,它会先在网络中寻找合适的路径。如果是在星型拓扑中,终端节点直接与协调器通信;在树型或网状拓扑中,节点可能会通过中间的路由器进行多跳传输。

特点:

具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。

  • 低功耗:设备可以长时间依靠电池供电。
  • 低成本:硬件成本相对较低。每个ZigBee网络“基站”(节点)却不到千元。
  • 自组网:节点能够自动组成网络。
  • 高容量:可容纳大量节点。

应用:

ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。

  • 智能家居:如控制灯光、窗帘、家电等。
  • 工业自动化:监测和控制设备。
  • 智能农业:监测土壤湿度、温度等环境参数。
  • 医疗保健:病人监护等。
  • 智能楼宇:照明控制、能源管理等。

智能家居 用 Zigbee 而非蓝牙:

一个悲哀的消息是,2022 年,小米在一个地方说:“平台不再推广Zigbee 的接入方案”。开始推广米家 BLE Mesh 技术了,就是 Bluetooth Low Energy Mesh技术。BLE Mesh技术可以让智能设备之间直接进行通信,而不需要通过中心节点或网关,从而提高了系统的可靠性和灵活性。此外,BLE Mesh还支持大规模的设备组网,可以满足智能家居系统中对设备数量的需求。

2. LoRa

LoRa ,Long Range,一种低功耗广域网(LPWAN)技术。具有远距离、低功耗、大容量、抗干扰性强等特点。它基于扩频技术,通过线性调频 chirp 信号来传输数据。不依赖物联网卡,是非授权频段,数据流量不需要给三大运营商缴费,但是建设方可能按照流量来收费。LoRaWAN与LoRa的区别LoRa是一种无线通信技术,工作在物理层。LoRaWAN是一种通信协议,工作在MAC层。

工作原理:

LoRa 采用了扩频技术。发送端将信息通过特殊的调制方式扩展到一个较宽的频带上进行传输。节点可以将数据发送给网关,网关再将数据转发到服务器或其他应用系统进行处理和分析。通过这种方式,实现了低功耗、远距离的无线数据传输和通信。

组成部分:

节点:包括各种终端设备。

网关:连接节点和后端网络。

特点:

  • 远距离:城镇可达2-5 Km,郊区可达15 Km。所以在范围较大的农业、畜牧业、城市中应用广泛。
  • 低功耗:年电池使用寿命长达10年。
  • 安全性:采用端到端 AES128加密、双向认证等技术。
  • 工作频率:非授权频段。
  • 调制方式:扩频调制技术,Semtech公司的私有专利技术。
  • 传输速率:0.3-50Kbps,速率自适应(Adaptive DataRate简称ADR),速率越低传输距离越远。
  • 高容量:一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。
  • 抗干扰性强:扩频技术使其对干扰具有较强的抵抗力,能在复杂电磁环境下稳定工作。
  • 穿透性好:能够较好地穿透建筑物等障碍物,保证信号的有效传输。
  • 成本较低:相对来说,硬件成本较为经济,有利于大规模推广。

应用:

  • 智能抄表:如水表、电表、气表等。
  • 智慧城市:如路灯控制、环境监测。
  • 农业物联网:监控土壤湿度、气象数据等。
  • 物流追踪
  • 工业控制

四、有线通信协议

通过电缆线连接进行数据传输,包括 USB 协议、RS232、RS485 协议、Ethernet 协议。

1. USB 协议

USB,Universal Serial Bus,通用串行总线。通过差分信号传输数据,采用了新的物理层设计和数据编码方式以提高传输速度。

工作原理:

USB 协议,定义了数据格式、传输速率、错误处理等各种规则,确保不同设备之间的兼容性和可靠通信。当设备连接到主机时,主机会识别设备并与之建立通信链路,然后通过一系列的数据交互完成各种功能,如数据传输、设备控制等。

USB 的工作原理使得它成为一种广泛应用、方便快捷的接口标准,极大地便利了各种电子设备之间的连接和数据交换。 根据物理形态可以分为 USB-A、USB-B、USB-C等,另外每种物理形态还有不同的只传输协议,比如 USB 1.x、USB 2.0、USB 3.x等,最主要的区别就是传输速度不同。USB3.0 传输速度是 5.0Gbps。

2019 年,USB4 发布,分为两个版本,一个是 20Gbps,一个是 40Gbps。物理接口形态统一使用 USB Type-C接口。统一了真好,等我把 kindle、lighting 的 iPhone、AirPods、磁吸接口的 MacBook Pro 、充电宝换成最新款,就可以都用 Type-C 接口了。

这里扩展一个 PD 协议, PD 协议是在 USB 协议基础上发展起来的一种专门用于充电的协议。它主要侧重于充电功率的管理和协商:通过 PD 协议,可以使 USB 接口支持更高的充电功率,突破了传统 USB 充电在功率方面的限制。USB 协议提供了物理连接和基本的数据传输框架,PD 协议则在此基础上针对充电进行优化和扩展。

两者相互配合,使得 USB 接口不仅能传输数据,还能实现高效的快速充电。在实际应用中,许多支持快速充电的设备都采用了基于 USB 接口并遵循 PD 协议的充电方案。快充真的能提高幸福指数,一分钟一格电,真爽。

组成部分:

包括主机控制器、USB 设备(如 U 盘、移动硬盘等)以及连接它们的电缆。

Type-A口,就是插电脑的,USB3.0 这个口子是蓝颜色的。Type-C,对称椭圆口,苹果最新设备采用的口子,终于实现了充电线的统一。

USB-C 的特点:

  • 支持正反插,使用更方便。
  • 可以传输高速数据。
  • 具备较强的供电能力,能满足设备充电需求。
  • 具有更好的通用性和兼容性,可以连接多种外部设备。

应用:

  • 数据传输:快速传输大量数据,如高清视频、大型文件等。
  • 外接存储:连接移动硬盘、U 盘等进行数据交换。
  • 高清显示连接:如连接显示器、投影仪等。
  • 设备充电:为移动设备快速充电。

我们有手机用 USB-C 连接电脑,只能充电,不能传输数据,很大可能就是线不支持协议。

2. RS232 协议

工作原理:

RS232,Recommended Standard 232,是一种异步传输标准串口接口协议。

组成部分:

  • DB9 连接器:这是常见的接口形式。
  • 发送器和接收器:负责数据的发送和接收。

通常RS-232接口以9个引脚(DB-9)或是25个引脚(DB-25)的型态出现 。

特点:

  • 成熟可靠:是一种较为传统且成熟的通信方式。
  • 一对一通信:通常用于两点之间的通信。
  • 传输距离较短:一般较适合短距离通信。20 米以内。
  • 传输速度慢:能够达到1Mbps的已经比较少。

应用:

早期计算机与外部设备(如调制解调器、打印机等)之间的通信。

一些工业控制和自动化设备中仍有使用。一般用在 PLC 之间的通信。

3. RS485 协议

工作原理:

RS485是RS232升级版的串口协议,一般采用两线制传输:A、B两条传输线。采用差分信号传输方式,通过两根信号线(A 线和 B 线)的电压差来表示逻辑状态。这种方式具有较强的抗干扰能力,能实现远距离、高速率的数据传输。多个设备可以通过 RS485 总线连接在一起,形成一个多点通信网络,通过地址分配等方式实现设备间的通信协调。232 只能是两个设备,485 支持多个设备连接。

组成部分:

一般采用两线制传输:A、B两条传输线。

传输距离:一般1Km以内都没有问题。

特点:

  • 传输距离远:可以在较长距离上可靠传输数据,一般可达上千米。但是要连接线。
  • 支持多节点:能够连接多个设备,形成多点通信网络,可连接几十甚至上百个节点。
  • 抗干扰能力强:差分信号传输方式使其对噪声和干扰有较好的抵抗力。
  • 传输速率较高:能实现相对较高的数据传输速率。
  • 半双工通信:数据可以双向传输,但不能同时进行。
  • 成本相对较低:相较于一些其他工业通信标准,成本较为经济。
  • 布线简单:只需使用双绞线即可,施工方便。
  • 兼容性较好:广泛应用于各种工业控制和自动化领域,与许多设备和系统兼容。

应用:

在工业控制中,不同的传感器、执行器等可以通过 RS485 总线与控制器通信。

在智能建筑系统中,各种设备之间可以利用 RS485 进行数据交换和协同工作。

4. Ethernet

工作原理:

Ethernet(以太网)是一种计算机局域网络技术,于1975年由美国施乐公司研制成功。

以太网通过共享传输介质,设备在发送数据前先检测线路是否空闲,若空闲则发送数据,同时继续监听是否发生冲突。如果发生冲突,则停止发送并执行冲突解决机制,等待随机时间后再尝试发送。最常见的以太网接口就是 RJ45 网线插口。

组成部分:

物理介质,如双绞线、光纤等。

以太网接口,包括发送器和接收器。

数据链路层协议,如以太网帧格式等。

特点:

  • 高带宽:可以提供较高的数据传输速率。
  • 广泛应用:普及度高,兼容性强。
  • 易于扩展:能够方便地添加新设备和扩展网络规模。
  • 技术成熟:经过长期发展和实践检验。

应用:

  • 企业网络:构建办公网络、数据中心网络等。
  • 家庭网络:用于家庭中的电脑、智能设备等联网。
  • 工业控制:在工业自动化领域实现设备之间的数据通信。
  • 电信网络:作为接入网和城域网的重要技术。
  • 智能楼宇:连接各种智能系统和设备。

5. ATM 异步传输模式网络

ATM :Asynchronous Transfer Mode network,异步传输模式网络。高速传输、质量有保障、灵活。ATM 采用异步时分复用技术,将数据分割成固定长度的信元进行传输。ATM 曾经在一些对带宽和质量要求较高的领域,如电信骨干网络等有广泛应用。但随着技术的发展,其他网络技术如 IP 网络逐渐占据主导地位。它可以有线传输,也可以无线传输。现在也很少用到了。

后记

理解 TCP/IP 四层框架是学习物联网相关协议的基础。学习协议是做好物联网设备数据接入、监控、报警、下控、运维、数据分析、智控的基础。

我阅读了大量的书籍和文章,汇总出了 TCP/IP 四层框架的主要协议、物联网设备的主要协议。工作量之大,超出预期。我看了 B 站《希赛关于软考网络工程师的全套视频教程》,看了《图解 TCP/IP》,看了大量的文章。又结合之前的物联网行业的从业经验,整理出来这篇文章。

期望大家的鼓励与支持,欢迎大家交流。

参考文献

15 张图, 把TCP/IP 讲得一清二楚!-腾讯云开发者社区-腾讯云

什么是OPC UA&它是如何工作的?_哔哩哔哩_bilibili

图解TCP/IP (第5版)

探索 OSI 会话层:建立和管理通信会话的关键_不同机器之间用户会话的建立与管理-CSDN博客

3、物联网的物理层协议 – 孤情剑客 – 博客园

网络工程师教程

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本文由 @跃曰 原创发布于人人都是产品经理。未经作者许可,禁止转载。

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