物聯網專用協定

Posted on Apr 4, 2025

CoAP (Constrained Application Protocol)

設計目標：
- 專為資源受限設備設計（記憶體 < 10KB，Flash < 100KB）
- Web 友善的 IoT 協定，類似 HTTP 但更輕量
- 支援 UDP 和低功耗網路環境
協定特性：
- 基於 UDP：減少連接開銷，適合間歇性通信
- 預設端口：5683 (非加密)、5684 (DTLS 加密)
- RESTful 設計：支援 GET、POST、PUT、DELETE 方法
- 二進制編碼：比 HTTP 文本格式更高效
訊息類型：
- Confirmable (CON)：需要確認的可靠傳輸
- Non-confirmable (NON)：不需確認的非可靠傳輸
- Acknowledgement (ACK)：確認訊息
- Reset (RST)：拒絕訊息
觀察機制 (Observe)：
- 類似 HTTP 長輪詢，但更高效
- 客戶端訂閱資源變化
- 伺服器主動推送更新
區塊傳輸 (Block Transfer)：
- 將大型訊息分割為小塊
- 適應 UDP 封包大小限制
- 支援流式傳輸
安全機制：
- DTLS (Datagram TLS)：UDP 上的 TLS
- PSK (Pre-Shared Key)：預共享金鑰
- 證書認證：X.509 證書
實際應用：
- 智慧感測器網路
- 低功耗監控系統
- 智慧農業、環境監測
- 與 HTTP 代理整合

技術基礎：
- LoRa 調變：展頻調變技術，抗干擾能力強
- 免執照頻段：Sub-GHz ISM 頻段（868MHz 歐洲、915MHz 美國、433MHz 亞洲）
- 長距離傳輸：城市 2-5km，郊區 15km，視線可達 50km
網路架構：
- 終端設備 (End Device)：感測器、執行器
- 閘道 (Gateway)：LoRa 到 IP 網路的橋接
- 網路伺服器 (Network Server)：管理網路和設備
- 應用伺服器 (Application Server)：處理業務邏輯
設備分類：
- Class A：最省電，僅在傳輸後開啟接收窗口
- Class B：定期開啟接收窗口，支援下行排程
- Class C：持續監聽，功耗最高但延遲最低
自適應資料速率 (ADR)：
- 動態調整傳輸參數
- 平衡功耗、距離和資料速率
- 網路容量最佳化
安全機制：
- AES-128 加密：應用層和網路層雙重加密
- 設備認證：DevEUI、AppEUI、AppKey
- 會話金鑰：動態生成網路和應用會話金鑰
應用場景：
- 智慧城市感測器網路
- 農業物聯網
- 資產追蹤
- 智慧電表

技術特性：
- 3GPP 標準：Release 13 引入，基於 LTE 技術
- 窄頻設計：僅需 180kHz 頻寬
- 深度覆蓋：比 LTE 增強 20dB，室內穿透力強
部署模式：
- In-band：LTE 頻段內部署
- Guard-band：LTE 保護頻段部署
- Standalone：獨立頻段部署（如 GSM 重整頻段）
技術優勢：
- 超低功耗：電池壽命可達 10 年
- 大規模連接：單基站支援 5 萬個設備
- 低成本：模組成本 < $5
- 深度覆蓋：地下室、管道等環境
協定堆疊：
- 實體層：OFDMA (下行)、SC-FDMA (上行)
- MAC 層：簡化的 LTE MAC
- RRC 層：輕量化的無線資源控制
- 應用層：CoAP、LwM2M、MQTT
電源管理：
- PSM (Power Saving Mode)：深度睡眠模式
- eDRX (Extended DRX)：延長不連續接收週期
- 早期資料傳輸：減少信令開銷
實際應用：
- 智慧電表、水表
- 煙霧偵測器
- 土壤濕度監測
- 停車場管理
- 垃圾桶滿載偵測

技術基礎：
- IEEE 802.15.4：實體層和 MAC 層標準
- 2.4GHz 全球頻段：16 個通道，支援跳頻
- 網狀網路拓撲：自組織、自修復網路
Zigbee 3.0 統一標準：
- 整合所有應用設定檔
- 統一認證和加密機制
- 跨廠商互通性
網路角色：
- 協調器 (Coordinator)：網路管理者，唯一
- 路由器 (Router)：訊息轉發和網路擴展
- 終端設備 (End Device)：僅通信，不轉發
應用設定檔 (Application Profiles)：
- ZHA (Zigbee Home Automation)：家庭自動化
- ZLL (Zigbee Light Link)：智慧照明
- ZCL (Zigbee Cluster Library)：標準化設備類型
安全機制：
- AES-128 加密：鏈路層和網路層
- 信任中心：金鑰管理和設備認證
- 安裝碼：設備加入網路的安全機制
Green Power：
- 超低功耗設備支援
- 能量收集設備（太陽能、動能）
- 免電池開關和感測器
實際應用：
- 智慧家居控制系統
- 智慧照明網路
- 工業自動化
- 建築能源管理

深入學習筆記：

設計理念：
- IPv6 原生支援：每個設備都有全球唯一 IP
- 網狀網路：基於 IEEE 802.15.4
- 互聯網等級安全：企業級安全機制
網路架構：
- Thread 網路：本地網狀網路
- 邊界路由器：連接到更廣泛的 IP 網路
- Thread 設備：直接參與網狀網路
設備角色：
- Leader：管理網路配置和路由
- Router：轉發訊息和擴展網路
- Router Eligible End Device (REED)：可升級為路由器的終端設備
- Sleepy End Device (SED)：低功耗睡眠設備
網路形成和管理：
- 自動網路形成：無需手動配置
- 自修復能力：設備離開時自動重建路由
- 分區恢復：網路分割後自動合併
安全特性：
- AES-128 加密：所有通信加密
- 企業級認證：基於 IEEE 802.1X
- 安全委託：安全的設備加入機制
IPv6 整合：
- 6LoWPAN：IPv6 over Low-Power Wireless
- 全球 IPv6 位址：直接網際網路連接
- 標準 IP 協定：UDP、TCP、CoAP、HTTP
實際應用：
- 智慧家居生態系統
- 與 Matter 協定整合
- 商業建築自動化
- 工業 IoT 應用

標準化聯盟：
- CSA (Connectivity Standards Alliance)：主導組織
- 主要成員：Apple、Google、Amazon、Samsung、等
- 開源實作：GitHub 上的參考實作
互通性目標：
- 跨平台支援：iOS、Android、Alexa、Google Assistant
- 跨廠商相容：不同品牌設備互通
- 本地控制：不依賴雲端服務
技術架構：
- 應用層協定：統一的設備控制語言
- 多傳輸支援：WiFi、Thread、Bluetooth
- IPv6 基礎：所有通信基於 IP 協定
設備類型支援：
- 照明：智慧燈泡、開關、調光器
- HVAC：溫度控制、空調系統
- 安全：門鎖、感測器、攝影機
- 媒體：電視、音響、串流設備
網路架構：
- Matter 網路：本地 IP 網路
- 邊界路由器：Thread 到 WiFi 橋接
- Matter Hub：集中控制和管理
安全機制：
- 端到端加密：設備間直接加密
- 認證機制：設備身份驗證
- 安全委託：設備安全加入網路
委託流程 (Commissioning)：
- QR 碼掃描：簡化設備加入
- 設備發現：自動發現附近設備
- 網路配置：自動連接到家庭網路
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