2023年最常見物聯網協議和標准指南

物聯網(IoT)設備似乎無處不在，從智能手機、智能恆溫器和門鈴攝像頭，到制造這些設備的制造工廠。協議和標准確保這些設備能夠正常運行並相互通信，生成使其非常有用的數據。以下是最常見的物聯網協議和標准。

什么是物聯網協議和標准？

物聯網協議是關於物聯網設備如何工作和通信的既定規則。標准與協議類似，但使用範圍更廣泛，例如在整個行業中。它們共同確保所有物聯網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網傳感器。只要兩家企業遵循相同的指導方針，傳感器就可以在同一網絡上工作。物聯網協議和標准通常在單層中發揮作用，作爲較大網絡的獨特部分，最常見的是在標准五層網絡架構的應用和中間件層，但不限於此。例如，藍牙和Wi-Fi都運行在網絡層。

圖片來源：João Pedro Reis博士繪制的標准五層網絡架構圖。

商業物聯網標准和協議

商業物聯網是一個巨大的、且仍在增長的行業。對智能家居技術的興趣正在創造消費電子市場對設備的高需求。因此，協議和標准不斷湧現，以確保消費者獲得簡化的、用戶友好的體驗。雖然其中一些標准也用於工業應用，但它們最大的好處在商業環境中最爲突出。一些商業物聯網標准和協議應用如此廣泛，以至於無處不在，例如藍牙和Wi-Fi。

• 藍牙

很難想象，當今的消費電子產品如果沒有藍牙無线設備對設備通信標准會是什么樣子。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爲標准功能。

藍牙是最早的物聯網通信協議之一，爲智能手表和無线耳機等消費物聯網設備的繁榮打开了大門。其使用無线個域網(WPAN)，允許使用無线電波進行短距離數據傳輸。

藍牙最初由全球最大的技術專業組織IEEE於2005年根據標准IEEE 802.15.1進行標准化。盡管更新已於2018年停止，但藍牙仍然是一種極其流行的物聯網協議，尤其是在消費電子產品中。

• 數據分發服務（DDS）

數據分發服務(DDS)協議和標准專爲跨硬件和軟件平台的通信而設計。其主要優點包括易於擴展、高可靠性和低延遲連接。DDS非常適合確保系統中的所有物聯網組件都能保持高質量的數據傳輸。

DDS在商業和工業物聯網應用中很受歡迎。其最初是由Object Management Group於2004年發布的，至今仍在維護。其是一種中間件協議，用於使用發布者-訂閱者模型標准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准，旨在解決品牌之間智能家居設備通信的問題。許多商業設備制造商希望消費者從一個品牌購买所有智能家居設備。這並不一定符合消費者的最佳利益，但不同企業的產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同工作。這對制造商和消費者都有利。例如，由於企業不必成爲一站式商店，因此可以專注於制造出色的智能恆溫器，而不必擔心競爭品牌也生產其他產品。

• Wi-Fi

Wi-Fi是最古老的物聯網標准之一，也是當今最著名和最廣泛使用的標准之一。其的發明可以追溯到1942年，當時女演員兼發明家Hedy Lamarr獲得了跳頻專利。其經歷了幾十年的發展，直到1997年創建了第一個WiFi標准。

第一套標准建立了如今所知的Wi-Fi。IEEE 802.11系列標准概述了無线局域網(WLAN)上的通信應如何工作。其還規定了每秒2兆字節的最低數據傳輸速度。IEEE繼續維持802.11標准，Wi-Fi仍然存在於大多數消費電子和商業物聯網設備中，例如智能家電和傳感器。

• XMPP

可擴展消息傳遞和狀態協議(XMPP)最初於2002年爲人與人之間的通信而开發。在此後的20多年裏，其已發展成爲智能設備普遍使用的機器對機器通信協議。

如今，XMPP是由XMPP標准基金會維護的开源協議。其是一種輕量級中間件系統，用於標准化通信和XML數據。XMPP運行在應用層，可以提供近乎實時的數據傳輸。這種響應能力與XMPP的高可訪問性相結合，使其成爲與家用電器等智能家居設備進行通信的理想選擇。

工業物聯網標准和協議

工業物聯網市場是世界上表現最強勁的市場之一，考慮到物聯網在制造、物流和建築領域的無數應用，這不足爲奇。工業物聯網(IIoT)被認爲是其獨特的利基市場。

隨着企業越來越依賴物聯網設備，工業物聯網標准和協議變得越來越重要。例如，智能工廠中的制造商可能會使用工業物聯網傳感器發送維護警報，這可能會影響員工的安全。物聯網通信標准可確保傳感器成功發送實時警報，無論品牌或型號如何。

• 受限應用協議(CoAP)

受限應用協議（CoAP）是一種允許物聯網設備在不消耗過多功耗的情況下使用HTTP的協議。其於2013年推出，在機器對機器(M2M)通信中很受歡迎，尤其是在供應鏈環境等工業應用中。

CoAP允許工業用戶在其網絡中包含更廣泛的物聯網設備，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开的，需要額外的數據報傳輸層安全(DTLS)協議來確保安全的數據傳輸。

• 輕量級M2M(LWM2M)

輕量級M2M（或LWM2M）是一種專門用於物聯網或機器對機器環境中的遠程設備管理的協議。其是專爲物聯網傳感器而設計，使其成爲工業應用中非常有用的協議。其的輕量級意味着其不需要太多的電力、存儲或計算資源來運行。

LWM2M最初於2017年發布，目前仍然活躍並由OMA SpecWorks維護。2020年協議更新增加了與邊緣網絡和5G的兼容性，使LWM2M成爲當今工業環境的尖端標准。LWM2M通過TCP/TLS、MPTT和HTTP運行。

• MQTT

MQTT是一種使用發布者-訂閱者模型的機器對機器通信的應用層協議。其於1999年开發，是一種流行的开源協議，用於標准化工業物聯網設備之間的通信。

由於其輕量級特性和低帶寬容忍度，MQTT特別適合IIoT傳感器。由於不需要太多內存空間，MQTT與全系列IIoT設備高度兼容。其本質上充當應用的橋梁。

• Zigbee

Zigbee是一種非常流行的網絡協議，專門用於自動化中使用的網狀網絡。消費和工業設備使用Zigbee，盡管其強調自動化和各種應用，使其成爲商業的理想選擇。Zigbee是由連接標准聯盟开發的，該聯盟也創建了Matter。

Zigbee的主要優點包括低功耗和高度靈活性。其是爲短距離設計的，類似於藍牙。在工業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。這意味着工業用戶可以構建具有安全功能的物聯網設備網狀網絡，而無需使用過多的電力和計算資源。

安全物聯網標准和協議

網絡安全標准在物聯網的發展和成長中始終發揮着重要作用。一些與通信相關的協議包括安全功能，但情況並非總是如此。越來越多的物聯網協議和標准旨在強調網絡安全。其中一些是其他產品的附加規則集，例如，Wi-Fi Protected Access 2是當今添加到Wi-Fi的領先網絡安全協議之一。

• Ascon(NIST)

Ascon是美國國家標准與技術研究院(NIST)於2023年選定的物聯網加密官方標准。其現已成爲美國保護物聯網設備和通信安全的正式標准。

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可以幫助物聯網設備制造商更加主動地預防網絡攻擊和漏洞，而不僅僅是對其做出響應。

• DTLS

數據報傳輸層安全性（DTLS）是一種用於加密通信的安全協議。數據報是標准的數據傳輸單元，例如單個消息，其通常用於遊戲、流視頻或視頻會議應用。

DTLS由互聯網工程任務組設計，可保護無线通信的安全，以便發送者和接收者知道其消息不會被攔截或監視。DTLS是商業和工業領域常用的協議。

• Z-Wave

Z-Wave是藍牙和Wi-Fi等協議的專有替代方案，專爲加密網狀網絡通信而設計，提供比开源同類產品更高的安全性。其在各種低水平的無线電頻率上運行。

Z-Wave在智能家居自動化系統中很受歡迎，尤其是那些注重安全的系統。其主要用於消費電子和商業應用，但也可用於工業環境。

總結

物聯網設備是人們生活中常見的一部分。其存在於我們的家中、醫生的辦公室、海洋和天空中，企業越來越依賴其來實現各種目的。這些設備日復一日地生成大量數據，用於商業智能、競爭分析、更高效的制造、消費者反饋等。數十種協議和標准在後台運行，以確保這些設備和傳感器平穩、安全地工作，並能夠有效地相互通信。了解這些協議可以幫助企業做出更好的購买決策，並構建更安全、更穩健的物聯網網絡。

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