物联网传输协议

2011/04,物联网传输协议模块,1,物联网架构涉及到的传输协议,目录,物联网架构,物联网架构,涉及到的传输协议,物联网需要传输协议,物联网既然是一个网络，那自然需要一个统一的协议基础，就像是互联网需要TCP/IP一样。但现实情况是：在核心层面，由于物联网是互联网的延伸，同样基于TCP/IP；但在接入层面，协议类别就变得五花八门，RFID、ZigBee、蓝牙、GPRS、Wi-Fi、2G、3G、有线等多种通道，协议多得数不清。卖设备不如卖标准，因此中国应该牢牢掌握协议这个话语权，这才能为中国的物联网战略打下坚实的基础。,物联网需要IP地址,物联网需要地址，每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。在IPv4资源即将耗尽的背景下，物联网需要更多的IP地址，那就需要IPv6来支撑了。但由于IPv4网络的庞大规模导致IPv4向IPv6过渡必定存在一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。虽然现在有了很多解决方法，但毕竟是一个痛苦、漫长的过程。,物联网架构涉及到的传输协议,目录,涉及到的传输协议,传输协议分类,物联网,物+传感,物+传感,互联网,无线,有线,接入,RFID、ZigBee、蓝牙,内网协议,IPv6IPv4,Wi-Fi、2G、3G、LTE,外网协议,涉及到的传输协议,图1RFID系统基本配置示意图,表1RFID系统的工作频段及其技术特点,协议详解一、内网协议1、RFID1.1通信方式,涉及到的传输协议,由于UHF频段具有读写距离远、多标签识读速率快、抗干扰及穿透能力强以及标签尺寸小等优点，UHF频段的RFID技术及其相关的协议标准已成为全球RFID产业和研究部门关注的热点。目前，国际上存在三个主要的RFID技术标准体系组织，即：全球产品电子代码中心（EPCGlobal），由总部设在美国麻省理工学院的自动识别中心演变而来ISO/IECJTC1日本的泛在ID中心(UbiquitousIDCenter，UIC)在UHF工作频段，EPC推出的Class1Gen2和ISO/IEC推出的ISO/IEC18000-6标准特别引人关注。,图2UHF频段RFID标准的改善、发展和融合,协议详解一、内网协议1、RFID1.1通信方式,涉及到的传输协议,ISO18000-6标准采用物理层(Signaling)和标签标识层两层分层结构，如图所示。其中物理层主要涉及到RFID频率、数据编码方式、调制格式、RF包络形状及数据速率等问题;标签标识层主要处理阅读器读写标签的各种指令。,协议详解一、内网协议1、RFID1.1通信方式,表2ISO18000-6三种标准对比,图3ISO18000-6分层结构,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议1、RFID1.2分析,中国的RFID标准化进程：致力于开发自己的编码系统：国家产品代码（NationalProductCode,NPC）基于国家代码提出了D-NPCRFID标准中国已将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物识别、特种设备与危险品管理、公共交通以及身缠过程管理等多个领域中国标准化管理部门（StandardizationAdministrationofChina,SAC）正着手建立RFID标准参照ISO/IEC18000系列标准制定国家标准于2007/4/20制定800/900MHz频段RFID技术应用试行之相关规定,中国还未掌握RFID核心芯片技术，国内集成电路芯片和嵌入式软件的开发将是下一步国家扶持的重点。目前中国面临的比核心技术更重要的问题在于没有掌握技术标准。,涉及到的传输协议,802.15.4,即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间(10m直径或更小)工作的简单器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.1通信方式,图3各协议传输速率对比,涉及到的传输协议,ZigBee的特点：低功耗低成本低速率近距离短时延高容量高安全免频段执照,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.1通信方式,图4ZigBee协议栈,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.1通信方式,ZigBee物理层：（1）频段划分物理层可以使用3个免费的频段，即2.4GHz、915MHz和868MHz。在2.4GHz频段，从2.4GHz到2.4835GHz之间，总共有16个不同的信道可供使用，每个信道间隔5M，最大数据速率可达250kbps；在915MHz频段，从902MHz到928MHz之间，总共有10个信道可供使用，每个信道间隔2M，最高数据速率可达40kbps；在868MHz频段即868到868.6MHz，只有一个信道可供使用，最高数据速率为20kbps。,图4ZigBee频段划分,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.1通信方式,ZigBee物理层：（1）物理层协议数据单元(PPDU)格式物理层协议数据单元包结构的格式如下图所示，每个PPDU都由下面几个部分组成，即同步头SHR、物理层头PHR和可变长度的载荷。引导信号由32比特的全零构成，进行比特同步；帧开始标志(SFD)由8比特组成，即11100101，表示帧的开始；可变长度的载荷用来携带MAC帧；,图5ZigBee物理层协议数据单元格式,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.1通信方式,ZigBee链路层：,MAC帧通用格式,（1）数据帧格式,（2）确认帧格式,涉及到的传输协议,ZigBee并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场（低功耗），它有着广阔的应用前景。ZigBee联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有50个ZigBee器件，最后将达到每个家庭150个。其应用领域主要包括：家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等；工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制；商业：智慧型标签等；公共场所：烟雾探测器等；农业控制：收集各种土壤信息和气候信息；医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.2分析,涉及到的传输协议,由于ZigBee技术是目前嵌入式应用的大热门，所以目前全世界很多公司陆续投入这个市场，市场上各种ZigBee的技术方案五花八门、争奇斗艳。这其中主要的关键如下：1、争夺使用自己的微处理器。这是因为，每个方案的提供商（这里主要指是ZigBee芯片供应商），无不追求一个“利”字。这些厂商为了推销自己的微处理器，想尽了一切办法。他们千方百计的推销自己公司的硬件平台，自己的编译调试系统。像FREESCAL公司推销的是自己的68系列处理器，使用的是以68微处理器为核心的MC1321X单芯片系统。EMBER公司，也是采用的自己的16BITRISC处理器。TI也希望推销自己的CC2420+MSP430系统。2、争夺使用自己的ZigBee协议栈。ZigBee技术的核心是几万行ZigBee/802.15.4C51源代码，这些源代码和ZigBee无线单片机内核配合，完成数据包装收发、校验、各种网络拓扑、路由计算等复杂的功能。正是因为这个协议栈是ZigBee技术的核心，所以大家争夺激烈。3、比拼芯片的最后成本。ZigBee是一个应用非常广泛的技术，就硅片而言，成本都非常低，关键在需要大量客户来进行广泛应用。生产数量大，才能降低成本，所以大家一定要来拼芯片的价格，ZigBee未来目标芯片价格是低于一美元，这里谁能作到？4、比拼开发工具（包括开发软件）的方便性和低价格。ZigBee是一项非常复杂的技术，开发工具和软件需要大量的人力和物力来开发，必然导致开发工具的昂贵。那么谁的开发工具价格低，容易使用，软件丰富，谁就能争取到更多的客户支持，具有更大竞争力。,协议详解一、内网协议2、ZigBee2.2分析,涉及到的传输协议,蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1994年就已进行研发。1997年，爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1998年2月，5个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组（SIG），他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。,协议详解一、内网协议3、蓝牙3.1通信方式,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议3、蓝牙3.1通信方式,整个蓝牙系统结构可有底层硬件模块、中间协议层和应用层三部分组成。如图所示。蓝牙底层模块有射频层（RF）、基带层（BB）、链路管理层（LM）构成。RF主要负责射频层和基频调制；BB负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输；LM负责连接的建立、拆除及链路的安全和控制。上层软件模块不能和底层硬件模块直接连接，两个模块接口之间的信息和数据通过主机控制接口（HCI）的解释才能进行传递。HCI实际上相当于蓝牙协议中软硬件之间的桥梁，它提供了一个用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）、串口仿真协议（PFCOMM）等。最上层是应用层，对应于各种应用模型和应用程序。,图6蓝牙协议栈,涉及到的传输协议,协议详解一、内网协议3、蓝牙3.1通信方式,蓝牙系统采用基于包的传输：将信息流分片（组）打包，在每一时隙内只发送一个数据包。所有数据包格式均相同：开始为一接入码，接下来是包头，最后是负载。接入码具有伪随机性质，在某些接人操作中，可使用直接序列编码。接人码包括微微网主单元标志，在该信道上，所有包交换都使用该主单元标志进行标识，只有接入码与接入微微网主单元的接入码相匹配时，才能被接收，从而防止一个微微网的数据包被恰好加载到相同跳频载波的另一微微网单元所接收。包头包含：从地址连接控制信息；用于标明是否需要自动查询方式（ARQ）的响应非响应1bit；包编码类型4bit，定义16种不同负载类型；头差错检测编码（HEC）8bit，采用循环冗余检测编码（CRC）检查头错误。为了限制开销，数据包头只用18bit。,表3蓝牙传输速度对比,涉及到的传输协议,在过去的几年里，蓝牙产品市场规模不断扩大，蓝牙芯片的出货量已超过20亿，据预测，2014年蓝牙芯片出货量将达到25亿。为了更好地满足全方位的市场需求，蓝牙技术标准也在不断地演进，特别是推出了高速、低功耗的4.0版本，引起了业界的广泛关注。对此，国家无线电监测中心主任刘岩认为，蓝牙低耗能技术在我国乃至世界，必将有光明的发展前景。蓝牙4.0升级版蓝牙低耗能技术拥有着低耗能、更大的传输范围、支持拓扑结构等特性，这与ZigBeeAlliance制定的ZigBee标准十分类似，而用户对于两者的区别认识往往比较模糊，对此蓝牙技术联盟大中华区技术市务经理吕荣良解释到，蓝牙低耗能技术与ZigBee在技术规格上是有相似点，但ZigBee自诞生之初就是定位于工业应用市场，而蓝牙则是选择专注以手机为代表的，更加成熟可靠的市场应用，所以说蓝牙和ZigBee目前在市场上面基本上不会形成竞争。目前蓝牙技术在中国的认知度仍然不是很高，但吕荣良认为中国仍是蓝牙技术的最大市场，其中他特别提到了中国物联网的发展或将是蓝牙技术在中国的发展机会。吕荣良表示，“目前中国物联网仍没有一个清晰的定位，整个产业仍在摸索中，现在无法贸然确定蓝牙在物联网中能扮演什么角色，但蓝牙技术联盟一直密切关注政府以及厂商在物联网上的发展动向我们将与华为、中兴进行接触，就蓝牙在物联网中的切入进行讨论。”吕荣良最后表示，蓝牙技术联盟将蓝牙的近期发展方向仍定位在医疗健康市场，但基于物联网的应用却是蓝牙技术的主要发展方向。,协议详解一、内网协议3、蓝牙3.2分析,涉及到的传输协议,协议详解二、内网协议对比分析,表4内网协议对比分析,涉及到的传输协议,Wi-Fi，是WirelessFidelity的缩写。它与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。Wi-Fi代表着无线保真，指802.11标准的IEEE802.11b子集。Wi-Fi支持高达11Mb/s的数据传输率，是迄今为止最常用的标准。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。与蓝牙对比：相同点：同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术；均可实现一对一互联（Wi-FiDirect设备支持）不同点：虽然在数据安全性方面，该技术比蓝牙技术要差一些，但是在电波的覆盖范围方面则要略胜一筹；蓝牙主要面向以手机为中心的应用，而Wi-Fi则侧重组建无线局域网。,协议详解三、外网协议1、Wi-Fi1.1通信方式,涉及到的传输协议,（1）优势特点其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。其二，虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，符合个人和社会信息化的需求。其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。根据无线网卡使用的标准不同，WIFI的速度也有所不同。其中IEEE802.11b最高为11Mbps（部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps），IEEE802.11a为54Mbps、IEEE802.11g也是54Mbps,协议详解三、外网协议1、Wi-Fi1.2分析,涉及到的传输协议,（1）优势特点,协议详解三、外网协议1、Wi-Fi1.2分析,表5Wi-Fi各子协议分析,涉及到的传输协议,（2）发展前景802.11就是无线通讯标准。这种“公开标准无线通讯”在今天得到了115个生产商的支持，认证产品超过了900种。英特尔公司、Broadcom公司、思科系统公司和摩托罗拉公司的集体研发，加上整个风险资本业界的支持，将不断地提高无线通讯技术的性能价格比。在不到五年的时间里，与第一代产品相比，802.11g芯片性能已提高了25倍，而价格只是第一代产品的二十分之一。与过去一样，价格降低增加市场机会，反过来又促使价格进一步价低。现在，802.11无线设备已是一个年产5000万套设备的市场，然而历史表明，这仅仅是开始。当802.11无线芯片价格接近5美元时，Wi-Fi将可能嵌入在所有电子产品上。这种产品普及性将以两种显著方式影响通讯市场。第一，生产商将普遍构建支持设备和应用程序，即生产商理所当然地认为Wi-Fi是一种随机设备，从而进一步推动无线局域网的普及。也许更重要的是，作为一种客户端技术，802.11将日益被当作一种“免费”技术。,协议详解三、外网协议1、Wi-Fi1.2分析,涉及到的传输协议,2G，是第二代手机通信技术规格的简称，一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话、和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。不过手机短信SMS（Shortmessageservice）在2G的某些规格中能够被执行。2G在美国通常称为PCS（PersonalCommunicationsService）。2G技术基本可被切为两种，一种是基于TDMA所发展出来的以GSM为代表，另一种则是CDMA规格，复用Multiplexing形式的一种。,协议详解三、外网协议2、2G2.1通信协议,在世界范围内，2G主要包含5个标准：GSM：基于TDMA技术建立，起源于欧洲，是全球使用范围最广的网络；iDEN：基于TDMA技术建立，目前主要有两个iDEN网络，分别由美国的Nextel运营以及加拿大的TelusMobility运营。IS-136：基于TDMA技术建立，也就是通常所说的D-AMPS网络，在美国有运营商建网。IS-95：基于CDMA技术建立，也就是通常所说的CDMAONE网络，主要在美国以及亚洲部分国家或地区使用。PDC：基于TDMA技术建立，仅在日本地区使用。,涉及到的传输协议,协议详解三、外网协议2、2G2.1通信协议,图7GSM网络架构,涉及到的传输协议,通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。2.5G是一种处于2G到3G的过渡阶段的通信技术，“2.5G”并不像“2G”、“3G”那样属于官方定义，只是一种为了细分2G通信技术的一种非官方的说法。通常我们所说的2.5G就是指GSM网络下的GPRS、EDGE技术以及CDMA网络下的CDMA20001x-RTT标准。（CDMA2000实际上有两个发展阶段，前一阶段为2G的1x-RTT标准，后一阶段为3G的EV-DO标准）。GPRS三大优点：高速数据传输永远在线仅按数据流量收费,协议详解三、外网协议3、2.5G（GPRS）3.1通信协议,涉及到的传输协议,协议详解三、外网协议3、2.5G（GPRS）3.1通信协议,图7GPRS网络架构,SGSN是英文SERVICINGGPRSSUPPORTNODE的缩写。SGSN作为GPRS/TD-SCDMA(WCDMA)核心网分组域设备重要组成部分，主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。GGSN（GatewayGSN，网关GSN）主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。有的文献中，把GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCPIP或X.25网络。,涉及到的传输协议,第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。,协议详解三、外网协议4、3G4.1通信协议,表63G标准对比分析,涉及到的传输协议,协议详解三、外网协议4、3G4.1通信协议,WiMAX的全名是微波存取全球互通(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)，又称为80216无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。,WiMAX与3G的关系:虽然WiMAX在某些数据能力上优于3G,但是从标准化、全球统一频谱、技术特性等多角度考虑,WiMAX距离真正商用还有很长的路要走。WiMAX不会影响我国3G的产业发展,未来它可以作为3G的补充得到应用。WiMAX与Wi2Fi的关系:未来WiMAX不会取代Wi2Fi,双方将在无线接入中互补。由于WiMAX与Wi2Fi最明显的区别是覆盖范围存在巨大差别,Wi2Fi一般只能达到100米的覆盖范围,只能在无线局域网环境中使用。而WiMAX通常可以达到13英里,因此主要定位在无线城域网环境中使用。,涉及到的传输协议,协议详解三、外网协议4、3G4.1通信协议,图73G产业链,涉及到的传输协议,物联网与3G：（1）3G是物联网传输层的最佳平台之一因为某些物联网应用包含视频监控、流量分析等功能，如果用窄带的2G网络传输数据，那么其业务效果势必会受到影响，人们的使用体验也会大打折扣。不过，3G的出现使得这种情况大为改观，相对来说，3G具有更高的带宽和更低的延迟，可以为物联网提供更好的基础设施，因此3G可以说是物联网传输层的最佳平台之一。3G网络仅是提供物联网信息传送的一个平台物联网产业包含的门类比较多，而3G网络仅是提供物联网信息传送的一个有效平台。物联网离不开应用，所以物联网的发展一定是结合各个行业、各个方面的应用来做的。工业、农业、环保、安全等各行业应用是物联网发展的重要驱动力。并且，物联网的发展必然需要各部门之间、地区之间、行业之间的联动。3G网络的发展为信息无线传输提供了高速和安全可靠的通道。,协议详解三、外网协议4、3G4.2分析,涉及到的传输协议,（2）物联网不足以有效丰富3G应用网络建设和应用是现阶段3G发展的重点，对于物联网丰富3G应用方面，现在大家普遍关注的智能家居、智能城市等应用对宽带的需求很低，2G完全可以实现，“有带宽少