物联网协议解析（让120亿互联设备畅通）

作者：赵小飞

导读

物联网数据的价值化，其起点是数据要能够快速、有效、准确获取，仅仅将设备连接起来远远不足以支持设备通信，还需要多个层面协议的协助，形成物联网通信的“语言”，才能实现畅通通信。

近日，专注于物联网的市场研究机构IoT Analytics发布了其最新的《物联网通信协议应用报告2022》，跟踪物联网各层协议发展现状和未来趋势。

当前，全球已有超过120亿的物联网连接，各类设备通过物联网连接，会产生大量以往很难获取的有效数据。当前，数据作为生产要素已成为全球共识，物联网数据的价值化具有广阔的前景，能为各行业数字化发展提供强力支撑。然而，物联网数据的价值化，其起点是数据要能够快速、有效、准确获取，仅仅将设备连接起来远远不足以支持设备通信，还需要多个层面的协议的协助，形成物联网通信的“语言”，才能实现畅通通信。

多层级成熟的协议，助力物联网应用落地

实现万物互联，相应的互联互通协议必不可少。协议是一组能够在网络环境中实现不同机器或设备的有效通信、数据交换的规则，类似于人们之间用来交流的语言，需要通过一些方式，使交流语言统一，从而实现有效交流。

在互联互通方面，物联网的架构也参考了计算机网络经典的五层架构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，每一层都需要有专门的协议，才能实现物联网应用落地。常用的物联网协议包括：

物理层：根据计算机网络对于物理层的定义，一台计算机要想访问其他计算机，首先要做是把这台计算机和其他计算机连起来，通过光缆、双绞线、无线电波等方式实现计算机之间的相互连接，这些硬件就构成了网络的物理层。对于物联网来说，USB、串口通信协议等构成了物理层的主要协议。USB（通用串行总线），是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯；串口通信协议一般包括RS-232、RS-422和RS-485等，规定了数据包的内容，包含起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。

数据链路层：数据链路层协议是我们比较熟悉的各类通信协议，既包括2G/3G/4G/5G/NB-IoT、LoRaWAN、Sigfox等远距离通信协议，也包括WiFi、蓝牙、Zigbee、NFC等近距离通信协议。由于这些协议具有一定的技术门槛，且形成相应的产业生态和技术阵营，这一层的协议目前已成为物联网领域最为热门的领域，也驱动物联网连接数的快速增长。

网络层和传输层：包括IPv4、IPv6这些互联网协议，以及在此基础上的创新，例如6LowPan，即IPv6 overLR-WPAN（基于IPv6的低速无线个域网标准），在IEEE802 15.4规定了物理层和媒体访问控制层标准基础上，引入IPv6满足不同设备制造商的设备间的互联和互操作性，制定统一的网络层标准。

应用层：应用层主要包括MQTT协议、CoAP协议等，其中MQTT提供了订阅/发布两种消息模式，更为简约、轻量，易于使用，特别适合于受限环境（带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定）的消息分发；CoAP是一种在物联网世界的类Web协议，适用于需要通过标准互联网网络进行远程控制或监控的小型低功率传感器、开关、阀门和类似的组件。

物联网协议呈现出5个特点

针对物联网协议，IoT Analytics调研了全球200名企业高管，得出当前物联网协议呈现出的5个特点。

（1）任何一个协议能够适配所有场景

不存在一个“放之四海而皆准”的物联网协议，业界对此已有共识，同时这一特点也给物联网应用造成一定的影响。IoT Analytics调研的样本中，73%的受访者指出，管理各种数据格式和协议延缓了他们扩展项目速度。尽管如此，企业仍然要面对多样的物联网协议，因为物联网市场的碎片化，反映到物联网协议也不例外，虽然在特定行业中，一些协议占据主导地位，但仍然不能适配所有场景。

因此，在物联网项目应用过程中，供应商和客户应该考虑多重因素，选择合适的协议组合。例如，应用层的MQTT和数据链路层的NB-IoT 是兼容的，可以在稳定的网络中无缺陷地协同工作。然而，在一个恶劣的接收环境下，需要充分考虑物联网设备是否电池供电、传输的数据量有多大、网络环境是否稳定、消息优先级，这些是初期需要考虑的问题。

更复杂的是，特定设备可能只支持专有协议，这些协议是由单个组织或个人创建和拥有，通常使它们与其他标准硬件不兼容。这种情况下，就需要一个协议转换器。因此，当被问及连接设置问题时，大多数受访者提到互操作性是一个棘手的问题。

（2）越来越多技术人员采用专为物联网设计的协议

IoT Analytics研究表明，使用专为物联网定制的协议的连接份额预计将在未来两年内实现超过11%的增速，其中MQTT和CoAP两种协议将实现引领。这两种协议在各方面都符合物联网网络的要求，它们具有轻量级（尤其是低功耗对于电池供电的设备至关重要）、开销低（消息大小更小）的特点，非常适合传感器网络的应用。对于设备到中间件之间的连接场景，MQTT在未来两年的连接份额预计会增加29%以上；在中间件和应用程序之间的连接场景，CoAP是预计增长最快的物联网协议，未来两年内预计将增长30%以上。

（3）软件对于管理物联网连接变得越来越重要

软件作为连接设置的组成部分，随着物联网协议的兴起，其重要性不断增长。过去10到15年中，由于软件功能的发展，连接变得更为简单，大多数项目都是在内部完成的，包括数据分析和可视化。与此同时，出现了管理连接的各类新工具，物联网平台、协议转换器和其他中间件等工具是解决连接难题的组成部分。例如，针对物联网平台，大多数受访者表示其都在采用微软Azure IoT或AWS IoT等平台工具，协议转换器方面，PTC Kepware和Matrikon是使用最多的工具。

（4）在选择新协议时，易用性和可靠性是最重要的因素

找到适合每个项目需求的正确物联网协议至关重要。例如，MQTT更加集中，更适合低带宽、远程位置的连接；相比之下，DDS是分散的，功能更丰富，可以适应高性能网络。因此，在协议选择时，需要比较潜在的物联网协议及其属性。根据IoT Analytics的研究，协议的易用性是最具影响力的因素，排在20多种特征中最首要的位置。另外，可靠性也受到高度重视。

（5）对物联网协议选择的决策已经成为多方联合推进的工作

物联网应用的特征会影响决策过程，并有利于特定的协议，决策者必须对它们进行详细的评估。IoT Analytics调研报告显示，88%的受访者表示，董事会/管理层拥有最终决策权，这一事实凸显了物联网协议的选择决策对公司的重要意义。物联网协议的选择是一项艰巨的任务，涉及许多利益相关方，IoT Analytics调研的结果显示，六个部门参与了这一过程，包括IT/技术部门和财务部门。同时，不同国家/地区针对物联网协议选择的决议有明显的差异，北美公司对物联网协议的选择似乎有一个更具协作性的战略，相反，94%的欧洲受访者认为董事会/管理层是新物联网协议的决策者。

物联网的项目部署是一个相对长期的过程，前期一些决策会影响物联网项目是否能够最终成功，物联网协议选择也是前期决策的一个关键点，随着联网设备数量的增加，物联网协议采用的重要性持续增长。