物聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)計(jì)關(guān)鍵之通信協(xié)議

　　除了支持“霧”層設(shè)備所用的各種物理層 連接性之外，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)關(guān)必須能夠支持每種類型物聯(lián)網(wǎng) （IoT）設(shè)備所用的協(xié)議。這些協(xié)議包括家庭自動化（Home Automation）、智能能源（Smart Energy）、802.11n、6LoPAN和多種其它協(xié)議。每種類型的協(xié)議需要一定數(shù)量的處理工作負(fù)載，以便管理每一種協(xié)議相關(guān)的協(xié)議堆棧。

　　1、家庭自動化（HA）一些家庭自動化標(biāo)準(zhǔn)，例如LonWorks、CEBus和X-10等都先后被業(yè)界的先驅(qū)們介紹引進(jìn)。X-10產(chǎn)品應(yīng)反應(yīng)速度慢（在60赫茲供電系統(tǒng)中，傳送一個指令需時0.883秒），抗干擾性能差（這是由于信號載波在電力線中傳送造成的，在我國這個問題比較嚴(yán)重）等，這都給X-10的推廣應(yīng)用帶來實(shí)質(zhì)性的困難。 CEBus是一個較完整的開放系統(tǒng)，它定義了在幾乎所有傳送媒體（Medium）中信號的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并要求控制信號在所有的媒體中都要以相同的傳送速度 （10KBPS）傳送，從而有效地避免信號傳輸中可能出現(xiàn)的“瓶頸”問題，任何符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的電器產(chǎn)品都可以直接互連及通信，其尋址能力超過40 億，足可以與互聯(lián)網(wǎng)相比美。CEBus的抗干擾能力比X-10強(qiáng)，控制功能亦十分豐富，成為X-10的“最大挑戰(zhàn)者”。LonWorks最基本的部件是同時具有通信與控制功能的Neuron芯片，該芯片內(nèi)置三個微處理器、并將操作系統(tǒng)、運(yùn)作時間數(shù)據(jù)庫以及通信協(xié)議等都固化在芯片之內(nèi)。

　　2、智能能源 飛思卡爾開發(fā)了創(chuàng)新智能能源管理系統(tǒng)（Smart Energy Management System），由飛思卡爾提供關(guān)鍵器件和軟件，以及計(jì)量的協(xié)議庫，形成整個系統(tǒng)的各個節(jié)點(diǎn)，再利用聯(lián)永公司的云端技術(shù)。該完整方案可有效控制和管理能源消耗。

　　3、802.11n是在802.11g和802.11a之上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，最大的特點(diǎn)是速率提升，理論速率最高可達(dá)600Mbps（目前業(yè)界主流為300Mbps）。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz兩個頻段。Wi－Fi聯(lián)盟在802.11a/b/g后面的一個無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)，使無線局域網(wǎng)達(dá)到以太網(wǎng)的性能水平，802.11任務(wù)組N（TGn）應(yīng)運(yùn)而生。802.11n標(biāo)準(zhǔn)至2009年才得到IEEE的正式批準(zhǔn)，但采用 MIMO OFDM技術(shù)的廠商已經(jīng)很多，包括TP-Link、D－Link、Airgo、Ubiquiti、Bermai、Broadcom以及杰爾系統(tǒng)、Atheros、思科、Intel等等，產(chǎn)品包括無線網(wǎng)卡、無線路由器等。

　　4、6LoWPAN IETF 6LoWPAN工作組的任務(wù)是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時，遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。

　　由于無線物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備很多都是資源受限型的，這些設(shè)備只有少量的內(nèi)存空間和有限的計(jì)算能力。為此，IETF的CoRE工作組為受限節(jié)點(diǎn)制定相關(guān)的REST形式的應(yīng)用層協(xié)議。這就是CoRE工作組正在制訂的CoAP協(xié)議。TCP／IP協(xié)議棧不適用于資源受限的設(shè)備，因此提出了一種6LoWPAN協(xié)議棧。CoAP是6LoWPAN協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議。6LoWPAN使IPv6可用于低功耗的有損網(wǎng)絡(luò)，它是基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的。6LoWPAN協(xié)議棧如圖1（下圖）所示。

　　協(xié)議棧的下兩層用802．15．4PHY／MAC，中間加一個IPv6-6LoWPAN適配層，傳輸層使用UDP協(xié)議，應(yīng)用層使用CoAP協(xié)議。它包括REST的最小子集和到HTTP的無狀態(tài)映射。通信主機(jī)使用CoAP協(xié)議，能夠支持穩(wěn)定的通信架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)的無線連接
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　　CoAP協(xié)議 是為物聯(lián)網(wǎng)中資源受限設(shè)備制定的應(yīng)用層協(xié)議。它是一種面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，采用了與HTTP類似的特征，核心內(nèi)容為資源抽象、REST式交互以及可擴(kuò)展的頭選項(xiàng)等。應(yīng)用程序通過URI標(biāo)識來獲取服務(wù)器上的資源，即可以像HTTP協(xié)議對資源進(jìn)行GET、PUT、POST和DELETE等操作。CoAP協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

　　（1）報(bào)頭壓縮：CoAP包含一個緊湊的二進(jìn)制報(bào)頭和擴(kuò)展報(bào)頭。它只有短短的4B的基本報(bào)頭，基本報(bào)頭后面跟擴(kuò)展選項(xiàng)。一個典型的請求報(bào)頭為10～20B。圖2是CoAP協(xié)議的信息格式

　?。?）方法和URIs：為了實(shí)現(xiàn)客戶端訪問服務(wù)器上的資源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP還支持URIs，這是Web架構(gòu)的主要特點(diǎn)。 （3）傳輸層使用UDP協(xié)議：CoAP協(xié)議是建立在UDP協(xié)議之上，以減少開銷和支持組播功能。它也支持一個簡單的停止和等待的可靠性傳輸機(jī)制。 （4）支持異步通信：HTTP對M2M（Machine-to-Machine）通信不適用，這是由于事務(wù)總是由客戶端發(fā)起。而CoAP協(xié)議支持異步通信，這對M2M通信應(yīng)用來說是常見的休眠／喚醒機(jī)制。 （5）支持資源發(fā)現(xiàn)：為了自主的發(fā)現(xiàn)和使用資源，它支持內(nèi)置的資源發(fā)現(xiàn)格式，用于發(fā)現(xiàn)設(shè)備上的資源列表，或者用于設(shè)備向服務(wù)目錄公告自己的資源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路徑表示資源描述。 （6）支持緩存：CoAP協(xié)議支持資源描述的緩存以優(yōu)化其性能。

　　CoAP協(xié)議棧 CoAP協(xié)議的傳輸層使用UDP協(xié)議。由于UDP傳輸?shù)牟豢煽啃裕珻oAP協(xié)議采用了雙層結(jié)構(gòu)，定義了帶有重傳的事務(wù)處理機(jī)制，并且提供資源發(fā)現(xiàn)和資源描述等功能。CoAP采用盡可能小的載荷，從而限制了分片。

　　事務(wù)層（Transactionlayer）用于處理節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，同時提供組播和擁塞控制等功能。請求／響應(yīng)層（Request／Responselayer）用于傳輸對資源進(jìn)行操作的請求和響應(yīng)信息。CoAP協(xié)議的REST構(gòu)架是基于該層的通信。CoAP的雙層處理方式，使得CoAP沒有采用TCP協(xié)議，也可以提供可靠的傳輸機(jī)制。利用默認(rèn)的定時器和指數(shù)增長的重傳間隔時間實(shí)現(xiàn)CON（Confirmable）消息的重傳，直到接收方發(fā)出確認(rèn)消息。另外，CoAP的雙層處理方式支持異步通信，這是物聯(lián)網(wǎng)和M2M應(yīng)用的關(guān)鍵需求之一。