物联网IOT系列之6：LAN、HAN 和 PAN 的物理和数据链路层协议

在前面的教程中，讨论了为 LPWAN 开发的各种物理和数据链路层协议。在本教程中，将讨论为个人局域网 (PAN)、家庭局域网 (HAN) 和局域网 (LAN) 开发的协议栈。

在本教程中，将讨论以下协议栈和标准——

1) IEEE 802.15.4e

2) Zigbee

3) WirelessHART

4) Thread

5) MiWi

6) Z-Wave

7) IEEE 802.11.ah

8) EnOcean

9) Eddystone

10) ISA 100.11a

11) ANT

12) INSTEON

13) DiGiMesh

14) HomePlug

15) G.9959

1) IEEE 802.15.4e – IEEE 802.15.4 是由 IEEE 802.15 Group 为低功率无线个域网开发的物理层和 MAC 层协议。该协议栈在免许可频段上运行，例如欧洲的 868 至 868.6 MHz、美国的 902 至 928 MHz 和世界其他地区的 2400 至 2483.5 MHz。该协议栈是为低功率设备之间的短距离通信而开发的。这种数据通信的特点是低数据速率、有限带宽和低传输功率。这些设备和收发器都是电池供电的，并且必须长时间更换电池。

在该标准中，物联网设备可以以星形拓扑或对等拓扑连接。当必须使用多跳路由扩展网络覆盖范围时，通常首选对等拓扑。由于传输范围有限，这些设备必须协同工作才能实现更长距离的多跳路由。因此，数据包大小仅限于 127 字节，通信速率限制为 250 kbps。

IEEE 802.15.4 中的编码方案内置了冗余，这使得通信具有鲁棒性，允许检测数据丢失，并允许重新传输丢失的数据包。该协议还支持短的 16 位链接地址，以减少报头的大小、通信开销和内存要求。

IEEE 802.15.4 标准是许多其他 LAN 和 PAN 协议栈以及 Zigbee、WirelessHART、Thread 和 MiWi 的基础。

2) Zigbee –是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的协议栈，主要为工业用途而开发。它在 2.4 GHZ 频率范围内运行，数据速率高达 256 Kbps。基于 Zigbee 的网络可以设计为星型、对等或集群树拓扑。一个网络中最多可以有 1024 个节点，总网络覆盖范围限制在 100 到 200 米之间。

Zigbee 提供两种堆栈配置文件 - Zigbee PRO 和 Zigbee 远程控制。这些堆栈配置文件是 Zigbee 网络的不同实现。在任一堆栈配置文件中，Zigbee 网络中都存在三种类型的设备：FFD（全功能设备）、RFD（精简功能设备）和一个 Zigbee 协调器。FFD 节点还可以充当路由器。Zigbee 使用 128 位 AES（高级加密标准）加密来保护连接设备之间的数据传输。Zigbee 的最新版本是 Zigbee 3.0。最新版本已将不同的堆栈配置文件标准统一为一个标准。

3)WirelessHART—— 无线高速可寻址远程传感器协议 (WirelessHART) 是由 Dust network 从时间同步网格协议 (TSMP) 开发的，是为无线传感器网络设计的标准协议。该协议栈广泛用于工业自动化应用。该工业自动化协议专为管理过程测量、工业资产管理和过程控制而设计。它是基于 IEEE 802.15.4 标准的强大且可互操作的无线标准。它以 2.4 GHz 频率运行，并在不同级别的网络架构中具有多项安全功能，可在工业场景中提供安全、可靠和稳健的 M2M 通信。它在 MAC 层使用时分多址 (TDMA) 技术，具有先进的加密标准。

4)Thread—— 线程是基于 IPv6 的网络层协议，在物理层和 MAC 层使用 IEEE 802.15.4 标准。它由 Thread Group 为家庭自动化网络 (HAN) 开发。它基于 IEEE 802.15.4、IPv6 和 6LoWPAN 标准，在物理层 (PHY) 以 2.4 GHz 频率运行。线程网络中最多可以有 250 个节点，并且通过实施各种身份验证和加密技术来保护数据。

5) MiWi – MiWi 是 Microchip Technology 为无线个域网 (WPAN) 开发的专有无线协议。它基于 IEEE 802.15.4 标准，开发用于以高达 250 Kbps 的低数据速率将短距离内的低功率设备互连。在物理层，它以 2.4 GHz 的频率运行。

6) Z-Wave – Z-Wave 更像是一种事实上的标准，而不是标准机构或行业联盟批准的传统标准。它是一种主要用于家庭自动化网络 (HAN) 的无线通信协议。Z-wave 在美国以 908.42 MHz 的频率运行，在欧洲以 868.42 MHz 的频率运行。它适用于网状网络拓扑，因此它可以在单个网状网络上支持多达 232 个节点。Z-Wave 的网络覆盖范围限制为 30 米，数据速率最高可达 100 Kbps。与 BLE、Zigbee、WirelessHART 等技术的多个供应商不同，Sigma Designs 是唯一提供 Z-Wave 收发器的供应商。

7) IEEE 802.11.ah – IEEE 802.11.ah 是在低于 1GHz 的免许可频段上运行的 Wi-Fi 变体。Wi-Fi 联盟引入了术语“Wi-Fi HaLow”作为采用 IEEE 802.11.ah 技术的产品的名称。该协议栈将允许连接具有类似于 Wi-Fi 网络的扩展覆盖范围的低功耗设备。通过使用多个继电器，该标准的扩展覆盖范围可以达到单个站 1 公里。根据一个国家/地区可用的免费许可带宽，该标准允许 1、2、4、8 和 16 MHz 宽的信道。该标准允许使用 BPSK、QPSK 和 QAM 调制技术进行数据传输，最大数据速率高达 347 Mbps。此协议栈中的收发器由电池供电，通常需要在数周内更换电池。

8) EnOcean – EnOcean（能量收集无线技术）是一种无线协议栈，在欧洲以 868 MHz 频率运行，在美国以 315 MHz 频率运行。它是一种物理层和 MAC 层协议，网络覆盖范围为室内 30 米和开放区域 300 米。该标准已开发用于在个人区域网络 (PAN) 中将无电池无线传感器联网。

9) Eddystone – 由谷歌开发，Eddystone 是基于 BLE 的短距离信标消息传递协议。该协议栈可用于与移动设备（Android 和 IOS）进行数据通信，并在网络内驱动传感器数据。

10) ISA 100.11a – 由国际自动化学会 (ISA) 开发，ISA 100.11a 是工业自动化的无线协议。该协议专为工业场景中的非关键过程控制、监控和警报应用而设计。该标准定义了 OSI 模型的所有七层，包括物理层和 MAC 层的协议栈。

11) ANT – 由 ANT Wireless 开发，ANT 是专为无线传感器网络 (WSN) 设计的专有物理和 MAC 层协议。基于 2.4 GHZ ISM 频段，ANT 的网络覆盖范围可达 100 米。该协议栈目前用于健康和健身垂直领域的个人局域网 (PAN)。该公司正在努力调整协议以适应其他 PAN 应用以及家庭自动化、办公室和工业自动化。

12) INSTEON – INSTEON 是为家庭自动化网络 (HAN) 开发的射频协议栈。它使用双网状拓扑，其中基于家庭自动化的物联网设备作为独立的对等设备联网。该协议使用频移键控在设备之间进行射频消息传递。这些设备可以在需要时随时相互通信。

13) DiGiMesh – DiGiMesh 是 DiGi International 开发的专有协议标准。它是适用于低功耗个人局域网 (PAN) 应用的网状网络拓扑的无线协议栈。

14) HomePlug – 由 HomePlug 电力线联盟开发，HomePlug 是专为家庭自动化网络 (HAN) 设计的物理和网络访问协议。它提供三种变体——HomePlug-AV、HomePlug-AV2 和 HomePlug-GP。

15) G.9959 – 由 ITU 开发的 G.9959 是一种网络访问协议栈，专为个人局域网 (PAN) 中低功率设备的无线联网而设计。在低带宽和低数据速率下进行半双工通信的网络中最多可以有 232 个节点。

在下一个教程中，将讨论基于 RFID 的协议栈。