物聯(lián)網(wǎng)IOT系列之4：物理和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

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

物理和數(shù)據(jù)鏈路層包括物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象和將它們與其他對(duì)象或網(wǎng)絡(luò)連接起來的物理網(wǎng)絡(luò)。原始數(shù)據(jù)或信息的組成位在這一層進(jìn)行編碼和解碼，并通過有線或無線物理鏈路進(jìn)行交換。不同的機(jī)構(gòu)和組織為物理和網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議指定了許多協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。這些協(xié)議和技術(shù)適合不同的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)。一些流行的物理和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)今用于互連計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的流行標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這些協(xié)議被廣泛使用，以至于它們?cè)诔鞘泻痛蠖际羞B接中無處不在。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(jì)算機(jī)。它基于 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，以太網(wǎng)可用于連接固定或固定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(tǒng)中的電器控制電路或辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

對(duì)于 6 類電纜，以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)每秒 10 吉比特 (Gbit/s)。以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)速度取決于電纜類型，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、同軸或雙絞線電纜。以太網(wǎng)具有非常低的延遲，這使其適用于設(shè)備可能位于同一地點(diǎn)或遠(yuǎn)距離的關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2)低功耗藍(lán)牙 (BLE) – 藍(lán)牙是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于在固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備之間進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)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(lán)牙，也稱為藍(lán)牙智能，是由藍(lán)牙特別興趣小組開發(fā)和提出的。BLE 是原始 2.4 GHz 藍(lán)牙的低功耗版本。BLE 在 2011 年作為藍(lán)牙 4.0 推出。

BLE 旨在以高速 (1Mbps) 傳輸少量數(shù)據(jù)，其中一個(gè)設(shè)備可能以星形拓?fù)溥B接到多個(gè)設(shè)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 BLE 連接的設(shè)備在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入睡眠模式。連接后，BLE 設(shè)備的連接時(shí)間可能只有幾毫秒，而經(jīng)典藍(lán)牙的平均時(shí)間為 100 毫秒。由于連接時(shí)間短和數(shù)據(jù)速率高，與任何其他競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議相比，BLE 具有極高的能效。

圖 1：顯示藍(lán)牙低功耗 (BLE) 協(xié)議架構(gòu)的圖像

BLE 專為可以使用小電池供電數(shù)年的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而設(shè)計(jì)。OSI 模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都是在低功耗藍(lán)牙上實(shí)現(xiàn)的。BLE 協(xié)議棧有兩部分——控制器和主機(jī)。在該架構(gòu)中，物理層和鏈路層都在控制器部分實(shí)現(xiàn)。控制器通常是 SOC（片上系統(tǒng)），在藍(lán)牙設(shè)備上帶有無線電。其余的東西，如 GAP、GATT 服務(wù)、安全管理器都包含在主機(jī)部分中。至少，藍(lán)牙中的 GAP（通用訪問配置文件）服務(wù)使 BLE 設(shè)備能夠觀察并連接到其他 BLE 設(shè)備（僅在需要時(shí)）。藍(lán)牙 LE 中的 GATT（通用屬性配置文件）服務(wù)使其他設(shè)備能夠訪問該藍(lán)牙設(shè)備中存在的服務(wù)和特性。

BLE 協(xié)議棧類似于用于經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議棧，但 BLE 與經(jīng)典藍(lán)牙不兼容。主要區(qū)別在于 BLE 不支持?jǐn)?shù)據(jù)流。相反，它只支持以 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率快速傳輸小數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包大小很小）。

BLE中有兩種類型的設(shè)備——主設(shè)備和從設(shè)備。主設(shè)備充當(dāng)可以連接到各種從設(shè)備的中央設(shè)備。考慮到物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，手機(jī)或PC可以作為主設(shè)備，而嵌入BLE的智能鎖作為從設(shè)備。主設(shè)備根據(jù)它給出的命令控制從設(shè)備。在這種情況下，Slave 必須非常節(jié)能。

然而，在經(jīng)典藍(lán)牙中，即使沒有數(shù)據(jù)傳輸，連接也一直處于開啟狀態(tài)。此外，經(jīng)典藍(lán)牙支持 79 個(gè)數(shù)據(jù)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(lán)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，無線保真（Wi-Fi）是無線局域網(wǎng)（WLAN）的標(biāo)準(zhǔn)。它基于 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)，各種版本號(hào)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 無線電頻段，數(shù)據(jù)速率可以從 2 Mbps（對(duì)于 Legacy 802.11）到 1.73 Gbps（對(duì)于 802.11ac wave 2）。相當(dāng)常見的 802.11 n 具有高達(dá) 450 Mbps 的數(shù)據(jù)速度。

通過 Wi-Fi，設(shè)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(shè)備通過接入點(diǎn)連接到該設(shè)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)并訪問物理鏈接介質(zhì)更容易。但是，可以使用 WPA 類型和信標(biāo)數(shù)據(jù)包管理來保護(hù) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi 還允許 ad-hoc 通信，支持 Wi-Fi 的設(shè)備無需接入點(diǎn)或路由器即可直接通信。為此，設(shè)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(jì)算機(jī)、筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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(dá) 100 米。可以使用多跳路由擴(kuò)展 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。在多跳路由中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)（熱點(diǎn)）可以使用另一個(gè)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)的梨對(duì)梨版本。它允許兩個(gè)設(shè)備在沒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(biāo)準(zhǔn)，因此無法擴(kuò)展其范圍。如今，Wi-Fi Direct 廣泛用于筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)備、相機(jī)、電視和游戲機(jī)。它是智能手機(jī)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 – 無線保護(hù)訪問 (WPA) 是 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)并使用 64 位或 128 位加密密鑰來保護(hù)數(shù)據(jù)。WPA2 遵循 WPA 標(biāo)準(zhǔn)，WPA2 將被 WPA3 取代，WPA3 將具有 192 位加密以保護(hù) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。雖然 Wi-Fi Direct 允許將 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)用于個(gè)域網(wǎng) (PAN) 應(yīng)用程序，但 WPA 標(biāo)準(zhǔn)已使 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)足夠安全，可用于基于 WLAN 的 IOT 應(yīng)用程序。

這些標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議在所有其他標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議中最為普遍，并廣泛用于將計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電器和移動(dòng)設(shè)備連接在一起。在下一個(gè)教程中，將繼續(xù)討論物理和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。