物联网核心设计关键之通信协议 - 全文

　　除了支持“雾”层设备所用的各种物理层 连接性之外，物联网（IoT）网关必须能够支持每种类型物联网 （IoT）设备所用的协议。这些协议包括家庭自动化（Home AutomaTIon）、智能能源（Smart Energy）、802.11n、6LoPAN和多种其它协议。每种类型的协议需要一定数量的处理工作负载，以便管理每一种协议相关的协议堆栈。

　　1、家庭自动化（HA）一些家庭自动化标准，例如LonWorks、CEBus和X-10等都先后被业界的先驱们介绍引进。X-10产品应反应速度慢（在60赫兹供电系统中，传送一个指令需时0.883秒），抗干扰性能差（这是由于信号载波在电力线中传送造成的，在我国这个问题比较严重）等，这都给X-10的推广应用带来实质性的困难。 CEBus是一个较完整的开放系统，它定义了在几乎所有传送媒体（Medium）中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度 （10KBPS）传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题，任何符合CEBus标准的电器产品都可以直接互连及通信，其寻址能力超过40 亿，足可以与互联网相比美。CEBus的抗干扰能力比X-10强，控制功能亦十分丰富，成为X-10的“最大挑战者”。LonWorks最基本的部件是同时具有通信与控制功能的Neuron芯片，该芯片内置三个微处理器、并将操作系统、运作时间数据库以及通信协议等都固化在芯片之内。

　　2、智能能源 飞思卡尔开发了创新智能能源管理系统（Smart Energy Management System），由飞思卡尔提供关键器件和软件，以及计量的协议库，形成整个系统的各个节点，再利用联永公司的云端技术。该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之上发展起来的一项技术，最大的特点是速率提升，理论速率最高可达600Mbps（目前业界主流为300Mbps）。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz两个频段。Wi－Fi联盟在802.11a/b/g后面的一个无线传输标准协议，为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，802.11任务组N（TGn）应运而生。802.11n标准至2009年才得到IEEE的正式批准，但采用 MIMO OFDM技术的厂商已经很多，包括TP-Link、D－Link、Airgo、UbiquiTI、Bermai、Broadcom以及杰尔系统、Atheros、思科、Intel等等，产品包括无线网卡、无线路由器等。

　　4、6LoWPAN IETF 6LoWPAN工作组的任务是定义在如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。

　　由于无线物联网中的设备很多都是资源受限型的，这些设备只有少量的内存空间和有限的计算能力。为此，IETF的CoRE工作组为受限节点制定相关的REST形式的应用层协议。这就是CoRE工作组正在制订的CoAP协议。TCP／IP协议栈不适用于资源受限的设备，因此提出了一种6LoWPAN协议栈。CoAP是6LoWPAN协议栈中的应用层协议。6LoWPAN使IPv6可用于低功耗的有损网络，它是基于IEEE802．15．4标准的。6LoWPAN协议栈如图1（下图）所示。

　　协议栈的下两层用802．15．4PHY／MAC，中间加一个IPv6-6LoWPAN适配层，传输层使用UDP协议，应用层使用CoAP协议。它包括REST的最小子集和到HTTP的无状态映射。通信主机使用CoAP协议，能够支持稳定的通信架构，以实现传感器节点与互联网的无线连接

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　　CoAP协议 是为物联网中资源受限设备制定的应用层协议。它是一种面向网络的协议，采用了与HTTP类似的特征，核心内容为资源抽象、REST式交互以及可扩展的头选项等。应用程序通过URI标识来获取服务器上的资源，即可以像HTTP协议对资源进行GET、PUT、POST和DELETE等操作。CoAP协议具有如下特点：

　　（1）报头压缩：CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4B的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10～20B。图2是CoAP协议的信息格式

　　（2）方法和URIs：为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs，这是Web架构的主要特点。 （3）传输层使用UDP协议：CoAP协议是建立在UDP协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。 （4）支持异步通信：HTTP对M2M（Machine-to-Machine）通信不适用，这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP协议支持异步通信，这对M2M通信应用来说是常见的休眠／唤醒机制。 （5）支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路径表示资源描述。 （6）支持缓存：CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

　　CoAP协议栈 CoAP协议的传输层使用UDP协议。由于UDP传输的不可靠性，CoAP协议采用了双层结构，定义了带有重传的事务处理机制，并且提供资源发现和资源描述等功能。CoAP采用尽可能小的载荷，从而限制了分片。

　　事务层（TransacTIonlayer）用于处理节点之间的信息交换，同时提供组播和拥塞控制等功能。请求／响应层（Request／Responselayer）用于传输对资源进行操作的请求和响应信息。CoAP协议的REST构架是基于该层的通信。CoAP的双层处理方式，使得CoAP没有采用TCP协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现CON（Confirmable）消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，CoAP的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和M2M应用的关键需求之一。