浅谈物联网各项协议的王者混战

作者：Barry Manz

也许有一天，一个单一的协议便可适用于物联网所有的应用，但这种趋势似乎并不明显。如今，越来越多的解决方案蜂拥而出，如Google支持的线程协议等。

新词“物联网”可谓无处不在，您可能对它有些审美疲劳，但它确实是接下来的“一件大事”，它的出现将永远改变人们的生活。这里，关键字眼是“接下来”，因为使用物联网的大多数应用程序还在陆续发布中，或尚且需要一段时间才能问世。这并不是因为技术缺失，而是在于不兼容的协议不断涌现，且暂时没有一个协议脱颖而出。鉴于物联网市场规模巨大，这种情况并不让人感到惊讶，况且也不是无先例可循(还记得Betamax-VHS之争么?)。但这一次，是诸多协议一起混战，争夺市场领先位置。如今，线程协议也加入了这场战役中。

“智能”恒温器和烟雾/一氧化碳报警器制造商Nest Labs使用了线程协议()。Nest Labs于去年7月被谷歌以32亿美元收购。一个月前，Nest宣布，将成立工作小组，与硅供应商ARM、飞思卡尔半导体、三星及Silicon Labs合作，以及融合锁制造商Yale的Big Ass解决方案，共同开发一款物联网协议。

自那时起，逾80多家公司以合作商或附属公司的身份加入了董事会。这是富有前景的新协议，因为每个主要竞争者都有许多支持者，每家公司都在进行一场豪赌。实际上，Nest的恒温器产品中已集成了一版线程，但尚未正式启用。

线程是ZigBee、Z-Wave和蓝牙低功耗(BLE)（通常也被成为蓝牙4.1和智能蓝牙）的强大竞争对手，它具有一些优势。首先，Nest/谷歌采用了ZigBee和Z-Wave所采用的方法，而不是创建基于IEEE 802.15.4无线标准和IPv6（最新版本的互联网协议IP)的新方式。IPv6将IP地址的数量扩展到2^128，取代了先前的IPv4。2011年，IPv4 IP地址的数量达到了43亿。线程架构如图1所示。

图1:线程协议的主要组件。线程旨在设备、访问和气候控制、能源管理、照明、安全性能。(来源:)

其次，在Nest的管理下，线程协议得到了谷歌的大力支持，获得了大量的资源、市场影响力及资金。就在谷歌收购Nest之前，Nest买下了Dropcam。Dropcam是一家民营制造商，主打创新型且便于使用的基于Wi-Fi的网络摄像头和追踪器。其用户在任何地方都可以查看他们的连接摄像头，并在云中存储视频文件，以便日后查阅。鉴于谷歌在数据收集和地理定位方面享受无限的资源，线程协议与Dropcam基于云的视频监控、基于Android的智能手机以及Nest关于用户家庭和习惯的信息，这将是一个强有力的组合。不过，这个强强组合也引起一些人士的不满。批评者指出，谷歌无法找到我们的相关信息(这一批评在物联网也普遍存在)。

对于线程协议，BLE看似是最脆弱的目标。蓝牙虽无处不在，但却不针对个人网络。蓝牙相关的规范也体现了这一点。不过，目前，这一现象正在迅速发生改变。BLE最大的缺点是，它不能形成一个可以自修复的设备网状网络。如果设备或网络上的链接失效，为使系统处于启动状态，行动线路将会发生变更。网状网络对于物联网应用至关重要，如家庭自动化应用，包括恒温器和安全警报器等，它们必须非常可靠。这同样适用于工业网络，更适用于在公共安全或其他关键任务环境中运行的网络，以及城市内连接大量设备的网络等。

物联网中使用BLE另一个主要劣势是最大续航里程。它的续航里程限于330英尺左右，但实际操作中通常更少。在家庭自动化或其他网络环境中，这个范围还算合理，但若没有网状网络，将产生很大的问题。相比之下，基于IEEE 802.15.4的物联网解决方案可以在100英尺左右的范围内运行，并通过连接网络大幅扩展范围。

由于线程、ZigBee等 (不是BLE)支持128-b IPv6寻址方案，它们在IP寻址方面或多或少都能适应未来的发展趋势，且随着物联网设备的激增，这将是强制性的要求。不过，虽然BLE目前还不支持IPv6，但下一代产品将加以改进。

蓝牙DOA是否适合物联网？

当其他制定物联网标准的团体和行业协会正竞相巩固自身的地位，并最终敲定其基于标准或开源的策略时，Bluetooth Special Interest Group、Broadcom、Qualcomm等公司则反其道而行，致力于打破这种统一标准对物联网应用程序的限制。

2010年发布的BLE可能有局限性，但它正不断改进，其性能将超越传统的蓝牙，甚至不断突破，超越自身。例如，2013年推出的蓝牙4.1，其数据速率为1 Mb/s，比许多以物联网为中心的同类竞争产品速度要快，但也比“传统”的蓝牙速度慢。蓝牙4.1有标准的128-b AES加密功能，并将延迟从100毫秒减少到6毫秒或更少。

图2: Broadcom公司的BCM20737 WICED SMART Bluetooth设备是高度集成的BLE SoC。

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）也在为连接互联网铺平道路。今年2月，该联盟发布了蓝牙智能网状网络工作组(得到了80多家公司的支持)，旨在为标准化的蓝牙网状网络功能构建架构。规范一经发布，物联网应用使用统一标准时缺乏网状网络架构的缺陷便得以消除。这将有效地将蓝牙技术推向顶层竞争位置，其影响就如2003年EE时代的技术，自然而然，一气呵成。

群体思维

Thread、 ZigBee和 Z-Wave所使用的IPv6、IEEE 802.15.4及6LoWPAN（基于IPv6的低功耗无线个人区域网络）相互互补。IEEE 802.15.4和6LoWPAN则构思明确，主要服务于处理能力有限、数据率低、射频输出功率低及电源或电池功耗最小的设备。这样一来，设备和网络的设计将相对简单，成本更低。

所有这些标准都使用了对称密钥128-b AES加密功能，可能具有3.4 x1038种加密组合。若使用当前的超级计算机来破译，则大约要花费149万亿年。国家安全局十分认可其安全性能，将其定义到保密级别。自伦敦Context Information Security Ltd公司宣布入侵智能手机控制的照明灯后，这种对安全的需求愈发凸显。他们便是使用的6LoWPAN和WiFi作为无线传输方案。入侵事件对该公司的声誉产生了极坏的影响。正如线程网及其他网站所述：我们对物联网安全的需求正与日剧增 (来源:“入侵互联网连接灯泡“)

并具备所有板载射频组件。它是对无线控制或传感产品的补充，与电源以及开关、致动器和传感器等外围设备一起，形成了一个完整的产品。

图3：NXP的JN5168-001-Mxx

线程的其他特性包括：可以在网络上容纳250到300个设备，并在设备之间或设备与云之间进行通信，因此，经过身份验证的用户及其移动和固定设备，通过任何基于Web的连接便可以访问网络。与同类竞争产品一样，线程对物理层和MAC层进行了定义，而上层则对应用程序开发公开。线程为低延迟，约为100毫秒，小于基于Wi-Fi的解决方案，并且可以让任何设备立即做出反应。

总之，线程占据了以下优势：网格网络、基于云的方法、适用IPv6标准的无限制可用IP地址、128-b AES安全性能、适用IEEE 802.15.4标准的大型网络、适用6LoWPAN的物联网路由等，同时还具有低延迟特性及应用程序开发的灵活性。总的来说，这些属性使线程得以与ZigBee、Z-Wave和BLE相抗衡。当然，不可否认，谷歌可以利用其自身的影响力和资源来推动线程的发展。

线程具备这些优势并不意味着能打败竞争对手，独占鳌头，成为物联网世界的标准。尽管使用物联网的应用不断涌现，但这些都是早期的事情，还有许多问题有待解决。其中一个最大的问题是，在一个协议脱颖而出，占据市场之前，还要历经多长的时间。物联网世界的最佳愿景是共享一种标准协议。但在这场角逐中，各个协议必将有一场争夺。不过，预计物联网的规模将足以支持各种解决方案，这些解决方案将匹配最合适的应用程序。物联网的预期增长如图4所示。

图4:无线设备的预期增长展示了物联网的指数增长

竞争产品

为了对线程有更好的认识，有必要先了解同类竞争产品的一些资讯。除了上述内容，在美国、欧洲及世界其它国家和地区，许多机构正在开发自身特色的物联网战略，本文所提到的方案相对而言处于竞争上游。

ZigBee 3.0：以2.4 GHz运行的高度发达的网状网络标准，有400家厂商支持。它的最大数据速率为250 kb/s，通过扩展，可以在100英尺范围内支持数千个节点 (由IEEE 802.15.4标准定义)，支持IPv6和128-b AES加密功能。其“3.0”版本已推出，并在2015年第三季度获批。“3.0”版整合了以前所有独立的应用程序，包括ZigBee家庭自动化、ZigBee Light Link、ZigBee楼宇自动化、ZigBee零售服务、ZigBee医疗保健和ZigBee电信。先前，“ZigBee”变体的蔓延受到了许多竞争对手的诟病，而这一版本则解决了这些问题。ZigBee联盟： 。

ZigBee Pro：ZigBee新的网状网络变体，在900 MHz无授权频段和2.4 GHz下运行，每个网络可以容纳64000个节点，连接网络后容纳节点将翻倍。其捷变频为16个频道，支持多星拓扑和跨个人区域网络、扩展频谱调制技术，可以避免干扰，并支持包括广播在内的各种传输选项。它具备“ZigBee绿色能源”选项，无电池的设备也可以加到网络中，从而为极低功率操作提供了一种能量采集技术，如运动、光和振动。ZigBee联盟： 。

Z-Wave：成熟的网格网络标准，以900 MHz 运行(各个国家略有不同)，有300多家公司支持。其在设计中加入了可操作性，不像ZigBee(3.0之前的版本)那样必须针对特定的应用程序。它的最大数据速率是100kb/s，支持多达232个节点，且节点之间的距离为100英尺。它还合并了IPv6和128-b AES加密功能。ZigBee联盟：

AllJoyn：新兴的开源合作软件框架，在不考虑带宽、类型、传输媒介和操作系统的情况下，允许开发者编写物联网应用程序，且不需要使用云或网络。它支持WiFi、以太网、串行和电力线传输介质。其支持的操作系统包括RTOS、Arduino、Linux、Android、iOS、Windows和Mac。该框架使用128-b AES加密功能，目前获得120多家公司的支持。ZigBee联盟：

CSRmesh™:由CSR(前身为剑桥硅无线电)创建，允许无限量的BLE设备联网，并由智能手机、平板电脑或PC控制，这是第一次有效地创建蓝牙网络。

开放互连联盟：开源行业联盟目前属于Linux基金会，专注于改善互操作性，定义物联网的连接要求。它使用了一个通用的通信框架，并在个人电脑和新兴物联网设备之间进行无线连接及信息流动的管理，而不考虑形式因素、操作系统或服务提供商。该联盟最近发布了loTivity规范预览版。

市场是否会陷入混乱？

在这个快速发展的物联网市场，要追踪所有的角逐者十分困难，因为每一场角逐都是瞬息万变。BLE、ZigBee、Thread和Z-Wave的王者之争将会持续一段时间，因为它们都有自身的优势和支持者。也就是说，一旦BLE获得Bluetooth SIG网状网络的支持，以上四种标准都将具备在物联网世界立足的必要装备，这样，特定的选择，而非技术上占优势的标准将获得普遍支持。尽管如此，对于那些希望创建可兼容且可互操作的制造商而言，尽管方法不同，方式各异，开放源码仍具有吸引力。