2023年最常见物联网协议和标准指南

2023年最常见物联网协议和标准指南

物联网(IoT)设备似乎无处不在，从智能手机、智能恒温器和门铃摄像头，到制造这些设备的制造工厂。协议和标准确保这些设备能够正常运行并相互通信，生成使其非常有用的数据。以下是最常见的物联网协议和标准。

什么是物联网协议和标准？

物联网协议是关于物联网设备如何工作和通信的既定规则。标准与协议类似，但使用范围更广泛，例如在整个行业中。它们共同确保所有物联网设备彼此之间以及与其他相关设备和应用具有最低程度的兼容性。

例如，制造商可能会使用不同品牌的两种不同的物联网传感器。只要两家企业遵循相同的指导方针，传感器就可以在同一网络上工作。物联网协议和标准通常在单层中发挥作用，作为较大网络的独特部分，最常见的是在标准五层网络架构的应用和中间件层，但不限于此。例如，蓝牙和Wi-Fi都运行在网络层。

图片来源：João Pedro Reis博士绘制的标准五层网络架构图。

商业物联网标准和协议

商业物联网是一个巨大的、且仍在增长的行业。对智能家居技术的兴趣正在创造消费电子市场对设备的高需求。因此，协议和标准不断涌现，以确保消费者获得简化的、用户友好的体验。虽然其中一些标准也用于工业应用，但它们最大的好处在商业环境中最为突出。一些商业物联网标准和协议应用如此广泛，以至于无处不在，例如蓝牙和Wi-Fi。

很难想象，当今的消费电子产品如果没有蓝牙无线设备对设备通信标准会是什么样子。每一款新的智能手机、平板电脑和笔记本电脑都将蓝牙支持作为标准功能。

蓝牙是最早的物联网通信协议之一，为智能手表和无线耳机等消费物联网设备的繁荣打开了大门。其使用无线个域网(WPAN)，允许使用无线电波进行短距离数据传输。

蓝牙最初由全球最大的技术专业组织IEEE于2005年根据标准IEEE 802.15.1进行标准化。尽管更新已于2018年停止，但蓝牙仍然是一种极其流行的物联网协议，尤其是在消费电子产品中。

数据分发服务(DDS)协议和标准专为跨硬件和软件平台的通信而设计。其主要优点包括易于扩展、高可靠性和低延迟连接。DDS非常适合确保系统中的所有物联网组件都能保持高质量的数据传输。

DDS在商业和工业物联网应用中很受欢迎。其最初是由Object Management Group于2004年发布的，至今仍在维护。其是一种中间件协议，用于使用发布者-订阅者模型标准化机器对机器的通信。

图片来源：DDS扩展图，来自DDS Foundation/Object Management Group Inc.

Matter是一种通信和互操作性标准，旨在解决品牌之间智能家居设备通信的问题。许多商业设备制造商希望消费者从一个品牌购买所有智能家居设备。这并不一定符合消费者的最佳利益，但不同企业的产品之间缺乏交互可能会迫使其选择单一品牌。

Matter确保参与制造商的智能家居设备能够在本地协同工作。这对制造商和消费者都有利。例如，由于企业不必成为一站式商店，因此可以专注于制造出色的智能恒温器，而不必担心竞争品牌也生产其他产品。

Wi-Fi是最古老的物联网标准之一，也是当今最著名和最广泛使用的标准之一。其的发明可以追溯到1942年，当时女演员兼发明家Hedy Lamarr获得了跳频专利。其经历了几十年的发展，直到1997年创建了第一个WiFi标准。

第一套标准建立了如今所知的Wi-Fi。IEEE 802.11系列标准概述了无线局域网(WLAN)上的通信应如何工作。其还规定了每秒2兆字节的最低数据传输速度。IEEE继续维持802.11标准，Wi-Fi仍然存在于大多数消费电子和商业物联网设备中，例如智能家电和传感器。

可扩展消息传递和状态协议(XMPP)最初于2002年为人与人之间的通信而开发。在此后的20多年里，其已发展成为智能设备普遍使用的机器对机器通信协议。

如今，XMPP是由XMPP标准基金会维护的开源协议。其是一种轻量级中间件系统，用于标准化通信和XML数据。XMPP运行在应用层，可以提供近乎实时的数据传输。这种响应能力与XMPP的高可访问性相结合，使其成为与家用电器等智能家居设备进行通信的理想选择。

工业物联网标准和协议

工业物联网市场是世界上表现最强劲的市场之一，考虑到物联网在制造、物流和建筑领域的无数应用，这不足为奇。工业物联网(IIoT)被认为是其独特的利基市场。

随着企业越来越依赖物联网设备，工业物联网标准和协议变得越来越重要。例如，智能工厂中的制造商可能会使用工业物联网传感器发送维护警报，这可能会影响员工的安全。物联网通信标准可确保传感器成功发送实时警报，无论品牌或型号如何。

受限应用协议（CoAP）是一种允许物联网设备在不消耗过多功耗的情况下使用HTTP的协议。其于2013年推出，在机器对机器(M2M)通信中很受欢迎，尤其是在供应链环境等工业应用中。

CoAP允许工业用户在其网络中包含更广泛的物联网设备，而不受低功耗功能或带宽的限制。其主要缺点是缺乏安全功能。CoAP本身在某种程度上是公开的，需要额外的数据报传输层安全(DTLS)协议来确保安全的数据传输。

轻量级M2M（或LWM2M）是一种专门用于物联网或机器对机器环境中的远程设备管理的协议。其是专为物联网传感器而设计，使其成为工业应用中非常有用的协议。其的轻量级意味着其不需要太多的电力、存储或计算资源来运行。

LWM2M最初于2017年发布，目前仍然活跃并由OMA SpecWorks维护。2020年协议更新增加了与边缘网络和5G的兼容性，使LWM2M成为当今工业环境的尖端标准。LWM2M通过TCP/TLS、MPTT和HTTP运行。

MQTT是一种使用发布者-订阅者模型的机器对机器通信的应用层协议。其于1999年开发，是一种流行的开源协议，用于标准化工业物联网设备之间的通信。

由于其轻量级特性和低带宽容忍度，MQTT特别适合IIoT传感器。由于不需要太多内存空间，MQTT与全系列IIoT设备高度兼容。其本质上充当应用的桥梁。

Zigbee是一种非常流行的网络协议，专门用于自动化中使用的网状网络。消费和工业设备使用Zigbee，尽管其强调自动化和各种应用，使其成为商业的理想选择。Zigbee是由连接标准联盟开发的，该联盟也创建了Matter。

Zigbee的主要优点包括低功耗和高度灵活性。其是为短距离设计的，类似于蓝牙。在工业领域特别有利的一项功能是其高级别安全性。Zigbee默认包括加密和身份验证，同时保持轻量级。这意味着工业用户可以构建具有安全功能的物联网设备网状网络，而无需使用过多的电力和计算资源。

安全物联网标准和协议

网络安全标准在物联网的发展和成长中始终发挥着重要作用。一些与通信相关的协议包括安全功能，但情况并非总是如此。越来越多的物联网协议和标准旨在强调网络安全。其中一些是其他产品的附加规则集，例如，Wi-Fi Protected Access 2是当今添加到Wi-Fi的领先网络安全协议之一。

Ascon是美国国家标准与技术研究院(NIST)于2023年选定的物联网加密官方标准。其现已成为美国保护物联网设备和通信安全的正式标准。

Ascon是加密算法的集合，可提供高度安全的加密，而不需要大量的电力和计算。实施Ascon可以帮助物联网设备制造商更加主动地预防网络攻击和漏洞，而不仅仅是对其做出响应。

数据报传输层安全性（DTLS）是一种用于加密通信的安全协议。数据报是标准的数据传输单元，例如单个消息，其通常用于游戏、流视频或视频会议应用。

DTLS由互联网工程任务组设计，可保护无线通信的安全，以便发送者和接收者知道其消息不会被拦截或监视。DTLS是商业和工业领域常用的协议。

Z-Wave是蓝牙和Wi-Fi等协议的专有替代方案，专为加密网状网络通信而设计，提供比开源同类产品更高的安全性。其在各种低水平的无线电频率上运行。

Z-Wave在智能家居自动化系统中很受欢迎，尤其是那些注重安全的系统。其主要用于消费电子和商业应用，但也可用于工业环境。

总结

物联网设备是人们生活中常见的一部分。其存在于我们的家中、医生的办公室、海洋和天空中，企业越来越依赖其来实现各种目的。这些设备日复一日地生成大量数据，用于商业智能、竞争分析、更高效的制造、消费者反馈等。数十种协议和标准在后台运行，以确保这些设备和传感器平稳、安全地工作，并能够有效地相互通信。了解这些协议可以帮助企业做出更好的购买决策，并构建更安全、更稳健的物联网网络。

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