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IPv6IPv4Wi-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①参照ISO/IEC18000系列标准制定国家标准②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；4字节1字节1字节可变长度引导信号SFD帧长度(7比特)保留(1比特)PSDUSHRPHR载荷图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2字节1字节4-20字节可变2字节帧控制序列号地址字段数据载荷FCSMHRMAC载荷MFR2字节1字节2字节帧控制序列号FCSMHRMFRZigBee链路层：帧控制序列号地址字段负载校验(FCS)MACHeader(MHR)MAC载荷MACFooter(MFR)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。应用层OBEXWAP射频层（RF）逻辑链路控制与适配（L2CAP）主机控制器（HCI）链路管理层（LM）基带层（BB）串口仿真（RFCOMM）AT命令SDPTCS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。蓝牙1.1蓝牙1.2蓝牙2.0蓝牙2.1蓝牙3.0蓝牙4.0748~810kb/s748~810kb/s1.8M/s~2.1M/s1.8M/s~2.1M/s24Mbps24Mbps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、