物联网IOT系列之4：物理和数据链路层协议

在之前的教程中，物联网的参考架构与 OSI 和 TCP-IP 模型进行了比较，并提到了物联网架构不同层的各种数据通信协议。在本教程中，将详细讨论物理和数据链路层协议。

物理和数据链路层包括物联网对象和将它们与其他对象或网络连接起来的物理网络。原始数据或信息的组成位在这一层进行编码和解码，并通过有线或无线物理链路进行交换。不同的机构和组织为物理和网络访问协议指定了许多协议和标准技术。这些协议和技术适合不同的应用程序和网络站点。一些流行的物理和数据链路层协议和标准如下：

• 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，讨论了当今用于互连计算机和移动设备的流行标准和协议。这些协议被广泛使用，以至于它们在城市和大都市连接中无处不在。这些协议如下 -

1) Ethernet

2) Bluetooth 4.0

3) Wi-Fi

4) Wi-Fi Direct

5) WPA/WPA2/WPA3

1) 以太网——以太网是最流行的有线网络技术。它广泛用于连接个人局域网 (PAN)、家庭局域网 (HAN)、局域网 (LAN)、广域网 (WAN) 和城域网 (MAN) 中的计算机。它基于 IEEE 802.3 标准。在物联网系统中，以太网可用于连接固定或固定物联网设备。例如，它可用于连接工业中的传感器网络、家庭自动化系统中的电器控制电路或办公自动化系统中的物联网设备。

对于 6 类电缆，以太网中的数据传输速率可高达每秒 10 吉比特 (Gbit/s)。以太网上的数据速度取决于电缆类型，并且可能受到网络管理员的限制。可能有用于以太网网络的光纤、同轴或双绞线电缆。以太网具有非常低的延迟，这使其适用于设备可能位于同一地点或远距离的关键任务物联网应用。

2)低功耗蓝牙 (BLE) – 蓝牙是一种无线技术标准，用于在固定设备和移动设备之间进行短距离数据交换，从而创建具有高度安全性的个人局域网 (PAN)。低功耗蓝牙，也称为蓝牙智能，是由蓝牙特别兴趣小组开发和提出的。BLE 是原始 2.4 GHz 蓝牙的低功耗版本。BLE 在 2011 年作为蓝牙 4.0 推出。

BLE 旨在以高速 (1Mbps) 传输少量数据，其中一个设备可能以星形拓扑连接到多个设备。BLE 的范围限制为 100 米，因此它通常适用于个人局域网 (PAN)。通过 BLE 连接的设备在不传输数据时进入睡眠模式。连接后，BLE 设备的连接时间可能只有几毫秒，而经典蓝牙的平均时间为 100 毫秒。由于连接时间短和数据速率高，与任何其他竞争协议相比，BLE 具有极高的能效。

图 1：显示蓝牙低功耗 (BLE) 协议架构的图像

BLE 专为可以使用小电池供电数年的物联网设备而设计。OSI 模型的物理层和数据链路层都是在低功耗蓝牙上实现的。BLE 协议栈有两部分——控制器和主机。在该架构中，物理层和链路层都在控制器部分实现。控制器通常是 SOC（片上系统），在蓝牙设备上带有无线电。其余的东西，如 GAP、GATT 服务、安全管理器都包含在主机部分中。至少，蓝牙中的 GAP（通用访问配置文件）服务使 BLE 设备能够观察并连接到其他 BLE 设备（仅在需要时）。蓝牙 LE 中的 GATT（通用属性配置文件）服务使其他设备能够访问该蓝牙设备中存在的服务和特性。

BLE 协议栈类似于用于经典蓝牙技术的协议栈，但 BLE 与经典蓝牙不兼容。主要区别在于 BLE 不支持数据流。相反，它只支持以 1 Mbps 的数据速率快速传输小数据包（数据包大小很小）。

BLE中有两种类型的设备——主设备和从设备。主设备充当可以连接到各种从设备的中央设备。考虑到物联网场景，手机或PC可以作为主设备，而嵌入BLE的智能锁作为从设备。主设备根据它给出的命令控制从设备。在这种情况下，Slave 必须非常节能。

然而，在经典蓝牙中，即使没有数据传输，连接也一直处于开启状态。此外，经典蓝牙支持 79 个数据通道（1 MHz 通道带宽），而 BLE 支持 40 个通道和 2 MHz 通道带宽（经典蓝牙的两倍）。

BLE 协议栈还支持基于 IP 的通信。

图 2：表列出 BLE 协议的频率和范围

3）Wi-Fi——由Wi-Fi联盟提出，无线保真（Wi-Fi）是无线局域网（WLAN）的标准。它基于 IEEE 802.11 标准，各种版本号表示为 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 无线电频段，数据速率可以从 2 Mbps（对于 Legacy 802.11）到 1.73 Gbps（对于 802.11ac wave 2）。相当常见的 802.11 n 具有高达 450 Mbps 的数据速度。

通过 Wi-Fi，设备连接到配置为热点或网络接入点的路由器，其他支持 Wi-Fi 的设备通过接入点连接到该设备。Wi-Fi 网络的主要缺点是延迟和安全性差。入侵 Wi-Fi 热点并访问物理链接介质更容易。但是，可以使用 WPA 类型和信标数据包管理来保护 Wi-Fi 网络。

Wi-Fi 还允许 ad-hoc 通信，支持 Wi-Fi 的设备无需接入点或路由器即可直接通信。为此，设备需要使用 ad hoc 共享互联网连接，并将自己配置为热点或虚拟接入点。Wi-Fi 广泛用于联网计算机、笔记本电脑和移动设备。在物联网系统中，它可用于建立个人局域网（PAN）、局域网（LAN）和广域网（WAN）。

任何 Wi-Fi 热点的覆盖范围可达 100 米。可以使用多跳路由扩展 Wi-Fi 网络的覆盖范围。在多跳路由中，一个节点（热点）可以使用另一个节点（热点）作为中继，从而增加网络的总覆盖范围。

图 3：Wi-Fi 频率和范围列表

4) Wi-Fi Direct – Wi-Fi direct 是 Wi-Fi 标准的梨对梨版本。它允许两个设备在没有任何路由器或接入点的情况下建立通信。Wi-Fi Direct 是单跳标准，因此无法扩展其范围。如今，Wi-Fi Direct 广泛用于笔记本电脑、移动设备、相机、电视和游戏机。它是智能手机中的 Wi-Fi Direct，允许它们配置为互联网热点并共享互联网连接。Wi-Fi Direct 的范围限制为 100 米。

5) WPA/WPA2/WPA3 – 无线保护访问 (WPA) 是 Wi-Fi 标准的安全协议。建议考虑 Wi-Fi 网络的脆弱性。它基于 IEEE 802.11i 标准并使用 64 位或 128 位加密密钥来保护数据。WPA2 遵循 WPA 标准，WPA2 将被 WPA3 取代，WPA3 将具有 192 位加密以保护 Wi-Fi 网络上的数据。虽然 Wi-Fi Direct 允许将 Wi-Fi 标准用于个域网 (PAN) 应用程序，但 WPA 标准已使 Wi-Fi 网络足够安全，可用于基于 WLAN 的 IOT 应用程序。

这些标准和协议在所有其他标准和协议中最为普遍，并广泛用于将计算机、消费电器和移动设备连接在一起。在下一个教程中，将继续讨论物理和数据链路层协议。