IOT中几种常见的网络通信技术总结

发布于:2025-04-19 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

网络连接模式:

1.NAT:创建一个私有网络,虚拟机位于该网络内部,而虚拟机通过主机作为网关访问外部网络,所以从外界看虚拟机看到的是主机IP而不是虚拟机自己有一个IP(这非常重要,涉及到SSH等网络协议连接的时候,要连接的是主机IP而不是虚拟机内部获得的IP,并且因为使用的是主机IP所以需要对虚拟机和PC电脑做一个端口映射,将虚拟机的22号端口映射到主机的某个端口作为外部访问内部网络的通道)

2.Bridged:虚拟机直接连接到外部网络,和主机获得同一网段下的独立的IP地址,在网络中是独立的设备,也就是从外界看有两个设备一个是主机一个是虚拟机。SSH等网络协议连接方便,直接用IP就行。

3.Host-only:创建一个隔离的网络,只有主机和虚拟机可以互相通信,但是虚拟机无法访问外部网络,好处是虚拟机绝对安全,并且二者的通信速度快。坏处是无法上网。

4.Internal Network:虚拟机的内部网络,主机无法访问,只有虚拟机之间可以通信,完全隔离网络环境,最高的安全等级。

短距离无线通信技术:

蓝牙经典 (Bluetooth Classic)

传统蓝牙技术,速率1-3Mbps,传输距离10-100米。特点是连接稳定,支持较高带宽,但功耗较高。主要应用于音频传输、文件共享等需要持续数据流的场景。最适合需要稳定连接的消费电子产品,如无线耳机、扬声器和车载系统。

蓝牙低功耗 (BLE)

专为低功耗设计的蓝牙技术,从4.0版本开始,到现在的5.3版本不断演进。传输速率从1Mbps提升到2Mbps,距离最远可达300米。最大特点是极低功耗,设备可使用纽扣电池运行数月至数年。广泛应用于健康监测设备、智能手环、智能家居传感器等场景。优势在于手机普遍支持、功耗低、开发简单;劣势是带宽有限。

Wi-Fi (2.4GHz/5GHz)

高速无线局域网技术,速率从11Mbps到数Gbps不等。2.4GHz版本覆盖范围约50米,穿墙能力强但频段拥挤;5GHz版本速度更快,干扰少但覆盖范围小。设备可工作在客户端模式(STA)或接入点模式(AP)。优势是带宽高、基础设施普及;劣势是功耗较高、协议复杂。广泛应用于需要高带宽的智能家居设备,如摄像头、智能电视和家庭网关。

长距离无线通信技术

4G/LTE

第四代蜂窝网络技术,下行速率最高可达1Gbps,覆盖范围广泛,延迟在30-100ms之间。支持全球漫游,网络基础设施完善。针对物联网有专门的Cat-1(10Mbps)和Cat-M1(1Mbps)版本,功耗和成本更低。适用于需要高移动性、较大数据量传输的场景,如视频监控、车联网和移动资产追踪。优势是覆盖广、速度快;劣势是功耗较高、通信成本高于专用物联网技术。

NB-IoT (窄带物联网)

基于蜂窝网络的低功耗广域网技术,最高速率250Kbps,城市覆盖范围1-2km,室内穿透性强。电池寿命可达10年,特别适合固定位置、低频率数据传输的应用。利用现有蜂窝基础设施,部署成本相对较低。主要应用于智能表计、停车监控、资产追踪等场景。优势是覆盖广、功耗低、连接数量大;劣势是带宽有限,不适合实时控制或大数据传输。

LoRaWAN

开放标准的低功耗广域网技术,使用免许可ISM频段,传输速率0.3-50Kbps,城市覆盖2-5km,农村可达15km以上。最显著特点是极低功耗和远距离传输能力。采用星型拓扑结构,终端设备通过网关连接到网络服务器。适用于智慧农业、环境监测、智慧城市等需要广域覆盖的低频率数据采集场景。优势是覆盖范围大、功耗极低;劣势是带宽受限、上行通信为主。

网络协议

TCP (传输控制协议)

面向连接的可靠传输协议,确保数据完整、按序到达,具有流量控制和拥塞控制机制。适用于对数据完整性要求高的场景,如设备固件更新、网页浏览和远程控制。优势是可靠性高;劣势是协议开销大,建立连接需要时间,不适合对实时性要求极高的应用。物联网中常用于云平台连接和重要命令传输。

UDP (用户数据报协议)

无连接的简单传输协议,不保证可靠性和顺序,但传输效率高、延迟低。适用于可容忍少量数据丢失的实时应用,如视频监控、传感器数据流和语音通信。优势是延迟低、协议简单;劣势是可能丢包、无序到达。在需要广播/多播功能的物联网场景中尤为有用,如设备发现和简单状态广播。

MQTT (消息队列遥测传输)

轻量级的发布/订阅协议,基于TCP/IP,专为带宽受限、网络不稳定环境设计。支持三种QoS级别,可靠性可调。特别适合传感器数据收集、远程控制和状态同步。优势是带宽占用小、适应不稳定网络、支持一对多通信;劣势是需要中央服务器(Broker)。被广泛应用于智能家居、工业物联网和远程监控系统。

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光看这些简单的知识点会一脸懵逼,但是应用到实际中其实逻辑还是比较清晰的:

  • 设备需要连接到云服务器或者其他的外部网络设备:

多半使用wifi+TCP的设置,WIFI工作在物理层和数据链路层,表示设备加入物理网络的方式,所以可以分为STA和AP两种模式,前者是加入已经存在的网络,后者则是自己创建一个可以让其他的设备加入的网络(类似于自己变成了一个小型路由器,可以)。而网络协议中,IP协议工作在网络层,TCP/UDP协议工作在传输层,表示设备在网络中扮演的角色(服务端还是客户端),服务端表示让客户端连到自己的特定端口,客户端表示连接到服务端对应的端口。

一般建议让外网设备作为服务端,让内网设备访问外网设备,因为对于外网设备来说直接访问内网设备会由于NAT环境无法与内网设备进行连接和通信。但是如果由内网设备访问外网设备,只要二者联通后就不存在这样的问题,可以相互传输设备,让路由器来处理数据转发的问题

  • 如果需要短距离稳定的无线数据传输

多半会采用蓝牙连接,而蓝牙中一般的物联网设备都会使用低功耗蓝牙。蓝牙的技术可以持续细分:

内部架构:

1.GAP (Generic Access Profile)

负责广播和连接的建立。这是BLE设备的"社交层",决定设备如何被发现以及如何建立连接。

  • 广播者(Broadcaster):只发送数据,不接受连接。就像一个只会发广播的扩音器。

  • 观察者(Observer):只接收广播数据,不发起连接。就像一个只会听不会说的旁观者。

  • 外围设备(Peripheral):可以广播并接受连接,但一次只能连接一个中心设备。就像一个可以被聘用的员工,但一次只能为一家公司工作。

  • 中心设备(Central):主动扫描并连接外围设备,可以同时连接多个外围设备。就像一个可以管理多名员工的经理。

2.GATT (Generic Attribute Profile)

定义数据如何在已连接的设备间交换。这是BLE设备的"通信协议",设备连接后的所有数据交换都遵循GATT规则。

GATT使用一种层次结构来组织数据:

  • 服务(Service):代表设备的一个功能集合,就像一个部门。例如"心率监测服务"或"电池服务"。

  • 特征(Characteristic):服务内的具体数据点,就像部门内的具体工作岗位。例如"心率测量值"或"电池电量"。

  • 描述符(Descriptor):特征的附加信息,就像工作岗位的补充说明。例如测量单位、范围或用户描述。

3. ATT (Attribute Protocol)

GATT所基于的底层协议,处理数据的实际传输。就像物流系统,负责在设备间可靠地搬运数据包。

通信模式:

1. 广播模式 (Broadcasting)

设备周期性地发送不需要连接就能接收的数据包。就像一个不停喊话的人,任何在听力范围内的人都能听到。

2. 连接模式 (Connection)

两个设备建立专用连接通道进行双向通信。就像两个人进行电话通话,是一对一的私密交流。

  • 通知(Notification):服务器主动向客户端发送数据,无需确认。就像短信通知,发完就完,不管对方是否已读。

  • 指示(Indication):服务器向客户端发送数据,需要确认。就像需要回执的邮件,发送方会确认接收方已收到。

  • 读写操作(Read/Write):客户端主动读取或修改服务器上的数据。就像查询或填写表格。

(自用,随着用到其他的组合会持续更新)


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