通信协议全解析：常用协议、5G 应用及选择要点

一、 什么是通信协议

1、通信协议的定义

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。它定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。

2、通信协议的三要素

通信协议主要由以下三个要素组成：

• 语法：即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）等。
• 语义：即通信内容，包括数据内容、含义以及控制信息等。
• 定时规则（时序）：即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。

3、通信协议的特点

通信协议具有层次性、可靠性和有效性。分层通信体系结构将通信功能分为若干个层次，每一层完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信的功能。每一层只和直接相邻的两层打交道，它利用下一层提供的功能，向高一层提供本层所能完成的服务。每一层是独立的，隔层都可以采用最适合的技术来实现，每一个层次可以单独进行开发和测试。当某层技术进步发生变化时，只要接口关系保持不变，则其他层不受影响。

二、常用的通信协议

以下是一些常见的通讯协议：
1、网络层、传输层协议

协议名称	简介
TCP/IP协议	是基于TCP和IP这两个最初的协议之上的不同通信协议的集合。TCP（传输控制协议）传输效率低，但可靠性强；IP（网际协议）负责数据在网络中的路由选择
UDP协议	用户数据报协议，适用于传输可靠性要求不高、数据量小的数据
IPv4	互联网协议版本4，是目前广泛使用的网络层协议，但面临地址枯竭问题
IPv6	互联网协议版本6，解决了IPv4地址枯竭问题，具有更大的地址空间等优势
6LoWPAN	IPv6低速无线版本，适用于资源受限的无线设备网络

2、应用层协议

协议名称	简介
HTTP协议	超文本传输协议，是互联网上应用最为广泛的一种网络协议，用于浏览器向服务器请求网页以及服务器响应请求
HTTPS协议	安全超文本传输协议，是HTTP的安全版，使用TLS/SSL加密，适用于需要安全通信的场景，如网上银行、电商交易等
FTP协议	文件传输协议，包括FTP服务器和FTP客户端，用于在网络上进行文件传输，用户可以上传或下载文件到远程服务器上
SMTP协议	简单邮件传送协议，用于发送电子邮件，当用户点击“发送”按钮时，邮件通过SMTP协议被送到对方邮箱里
POP3协议	邮局协议版本3，用于支持客户端远程管理在服务器上的电子邮件
IMAP协议	互联网消息访问协议，允许用户在邮件服务器上管理和读取邮件，而不需要将邮件下载到本地
Telnet协议	远程登录协议，采用客户服务器模式，能适应多种计算机和操作系统的差异
TFTP	简单文件传送协议，客户服务器模式，使用UDP数据报，只支持文件传输，不支持交互，代码占内存小
DNS协议	域名解析协议，将人类可读的域名转换为机器可读的IP地址，没有DNS，无法方便地访问网站
SNMP协议	简单网络管理协议，包含被管理结点、管理站、管理信息、管理协议等组件，用于网络管理
DHCP协议	动态主机配置协议，用于自动分配IP地址等网络配置信息

3、物联网相关协议

协议名称	简介
Wi-Fi（IEEE 802.11b）	基于IEEE 802.11标准的无线局域网协议，广泛应用于家庭、企业等场所的无线接入
RFID	无线射频识别技术，通过无线电频率识别技术实现标签与读写器之间的数据传输，常用于物流、门禁等领域
NFC	近场通信，是一种短距离高频的无线通信技术，可用于移动支付、门禁等场景
ZigBee	一种低功耗、低速率、短距离的无线通信协议，适用于物联网设备之间的通信，如智能家居中的设备互联
Bluetooth	蓝牙技术，是一种短距离无线通信技术，常用于手机、耳机、鼠标等设备之间的连接
LoRa	远距离无线电，适用于低功耗、长距离的物联网应用场景，如智能抄表等
NB-IoT	窄带物联网，是一种低功耗、广覆盖的物联网通信技术，适用于物联网设备的远程通信
MQTT	消息队列遥测传输，是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，适用于物联网设备之间的通信，尤其是在网络带宽有限、设备资源受限的场景下
CoAP	受限应用协议，简化了HTTP协议的RESTful API，适用于资源受限的通信的IP网络，常用于无线传感网中
DDS	数据分发服务，是一种以数据为中心的发布/订阅通信协议，具有高可靠性、实时性等特点，适用于对数据传输要求较高的物联网场景
AMQP	高级消息队列协议，是一种面向消息中间件的开放标准应用层协议，适用于企业级的消息通信场景
JMS	Java消息服务，是一种Java平台上的消息服务标准，用于在Java应用程序之间进行消息传递
REST/HTTP	表征状态转换，基于HTTP协议开发的一种通信风格，适合在物联网的应用层面，通过REST开放物联网中资源，实现服务被其他应用所调用

4、其他协议

协议名称	简介
RS-232	是OSI基本参考模型物理层部分的规格，决定了连接器形状等物理特性、电气特性及逻辑特性，常用于个人计算机的输入输出接口，最大长度为15m，速率在200K位/秒以下
RS-485	规定了DTE和DCE之间的机械特性和电气特性，传输距离远，在一般工业现场用得比较多，常用于工业自动化领域的设备通信
USB	通用串行总线，是一种广泛应用于计算机与外部设备连接的接口标准，具有热插拔、即插即用等特性
CAN	控制器局域网，常用于汽车电子控制系统等领域，是一种多主站的串行通信协议
Modbus	主要应用于工业领域的通信协议，允许控制器通过网络或直接与其他设备进行数据传输，有MODBUS RTU、MODBUS ASCII和MODBUS TCP三种模式
Profibus	基于RS485的现场总线标准，主要用于制造自动化和过程控制领域，支持高速通信，具有很好的实时性和可靠性
Ethernet/IP	广泛应用于基于以太网的工业自动化领域的协议

三、通信协议在网络中起到了哪些作用

通信协议在网络中扮演着至关重要的角色，它们是确保数据能够在网络中正确、可靠、安全地传输的规则和标准。以下是通信协议在网络中的主要作用：

• 实现互联互通：通信协议为计算机系统和网络设备之间的通信提供了标准化的规范，使得各种不同的硬件和软件能够相互协调工作，实现互联互通。
• 确定通信方式：通信协议规定了通信数据的传输方式，例如采用什么样的传输介质（如有线或无线），采用什么样的传输速率等，从而保证通信的顺利进行。
• 提供数据格式：通信协议定义了数据的格式，并通过数据封装和解封装的方式，确保通信双方能够正确地理解和解析收发的数据。
• 管理通信流程：通信协议通过各种控制机制，如流量控制、错误检测和纠正等，管理通信流程，保证通信的稳定性、可靠性和实时性。
• 实现安全性：通信协议可以通过加密、身份验证、访问控制等手段，确保通信过程中的数据安全性，防止信息泄露和黑客攻击。
• 数据传输：通信协议定义了数据在网络中的传输方式，包括数据的打包和拆包、传输的顺序和错误处理等。通过协议，可以保证数据在网络中可靠地传输给目标设备。
• 数据分发；通信协议负责将接收到的数据分发给正确的目标设备。它通过标识设备的地址、端口号等信息，将数据正确地路由到目标设备，确保数据能够被正确接收。
• 连接管理：在网络通信中，通信双方需要建立连接才能进行数据的传输。通信协议定义了连接的建立、维护和断开的方式，包括握手、心跳检测、连接超时等机制。
• 错误检测和纠正；通信协议能够通过校验和、CRC等技术，对数据进行错误检测。当数据在传输过程中发生错误时，协议能够自动检测并进行纠正，确保数据的完整性和正确性。
• 数据压缩和加密：为了提高数据传输的效率和安全性，通信协议可以进行数据的压缩和加密。压缩可以减少数据的传输量，提高传输速度；加密可以保护数据的安全，防止被非法获取和篡改。

综上所述，通信协议是网络通信的基石，它们确保了网络的稳定运行和数据的安全传输，是现代通信不可或缺的组成部分。

四、5G网络采用了哪些通信协议

5G网络采用了多种通信协议，这些协议在不同的层面发挥着关键作用，共同保障5G网络的高效运行和数据传输，以下是一些主要的通信协议：

1、物理层协议

• NR-LDPC（低密度奇偶校验）：用于5G物理层的信道编码，能够有效纠正数据传输过程中产生的错误，提高数据传输的可靠性，在高数据速率传输场景下表现出色。
• NR-Polar：也是5G物理层的信道编码协议，尤其适用于控制信道，具有良好的抗干扰性能和较低的误码率，能确保控制信息的准确传输。
• OFDM（正交频分复用）：将高速数据流分解为多个并行的低速子数据流，在多个正交的子载波上同时传输，提高了频谱利用率，增强了系统的抗多径衰落能力，是5G物理层实现高速数据传输的关键技术之一。
• SC-FDMA（单载波频分多址）：在5G中主要用于上行链路传输，它结合了单载波传输的低峰均功率比和频分多址的优点，降低了终端设备的发射功率要求，提高了上行传输的效率和可靠性。

2、数据链路层协议

• PDCP（分组数据汇聚协议）：负责对上层数据进行加密、完整性保护和头压缩等处理，同时还支持数据的传输和重传功能，提高数据传输的效率和安全性。
• RLC（无线链路控制协议）：提供了对数据的分段、重组、缓存管理和错误纠正等功能，根据不同的业务需求，RLC可以工作在不同的模式下，如透明模式、非确认模式和确认模式，以满足不同类型数据的传输要求。
• MAC（媒体接入控制协议）：主要负责在多个用户之间分配无线资源，实现对无线信道的有效接入和管理。它通过调度算法，根据用户的需求和信道条件，动态地分配时频资源，提高系统的容量和频谱效率。

3、网络层协议

• IP（网际协议）：在5G网络中仍然是核心的网络层协议，负责实现终端设备之间的网络互联和数据路由。5G网络支持IPv4和IPv6两种版本的IP协议，以满足不同用户和应用的需求。
• ICMP（互联网控制报文协议）：用于在5G网络中传递控制信息和错误报告，例如检测网络连接状态、报告网络故障等。与传统网络中的ICMP类似，在5G网络中它也是保障网络正常运行和故障诊断的重要协议。

4、传输层协议

• TCP（传输控制协议）：在5G网络中，TCP协议仍然用于需要可靠数据传输的应用场景，如文件传输、网页浏览等。它通过建立连接、确认机制和重传策略，确保数据的准确无误传输。
• UDP（用户数据报协议）：适用于对实时性要求较高的业务，如视频通话、实时游戏等。在5G网络的高带宽和低延迟环境下，UDP能够充分发挥其传输速度快的优势，满足这些应用对实时性的严格要求。

5、应用层协议

• HTTP/2：是5G网络中常用的应用层协议，相比HTTP/1.x，它具有更高的传输效率和性能，支持多路复用、头部压缩等功能，能够更好地适应5G网络的高速数据传输环境，为用户提供更快的网页加载速度和更流畅的应用体验。
• MQTT（消息队列遥测传输协议）：在5G物联网应用中广泛使用，它是一种轻量级的发布/订阅消息协议，具有低功耗、低带宽占用的特点，适合在资源受限的物联网设备和5G网络环境下进行数据传输和通信。

五、如何选择合适得到通讯协议 

选择合适的通信协议需要综合考虑多个因素，以下是一些关键的要点：

1、应用需求

• 数据传输要求：若需要传输大量的、准确性要求极高的数据，如银行转账信息、文件传输等，像TCP这样面向连接、可靠的传输协议较为合适；而对于实时性要求高但允许一定数据丢失的场景，如视频直播、语音通话，UDP协议可能更优。
• 应用场景：在网页浏览中，通常使用HTTP或HTTP/2协议；物联网设备之间的通信，由于设备资源有限且需要低功耗、低带宽占用，像MQTT这样的轻量级协议可能更合适。

2、性能因素

• 传输效率：不同的协议在数据传输效率上有所差异。例如，HTTP/2相比HTTP/1.x具有更高的传输效率，支持多路复用和头部压缩等功能，能更快地加载网页资源。如果对数据传输速度要求高，应选择传输效率高的协议。
• 延迟和抖动：对于对延迟和抖动敏感的应用，如在线游戏、实时工业控制等，需要选择能够提供低延迟、稳定传输的协议。在5G网络中，一些优化后的协议可以更好地满足这些要求。

3、设备和网络环境

• 设备能力：如果是资源受限的设备，如传感器节点、智能手环等物联网设备，需要选择轻量级的通信协议，如MQTT、CoAP等，这些协议对设备的计算能力、存储容量和功耗要求较低。
• 网络特性：在无线网络环境中，信号的稳定性、带宽和延迟等因素会不断变化。像LTE、5G等网络有专门为其优化的协议，能够更好地适应无线网络的特点。如果是在局域网内，以太网协议等可能更合适，能提供高速稳定的传输。

4、兼容性和互操作性

• 与现有系统的兼容性：如果需要与已有的系统或设备进行通信，要考虑所选协议是否与现有系统兼容。例如，在企业网络中，如果已经部署了基于特定协议的应用系统，新的应用或设备应选择与之兼容的协议，以确保能够无缝集成。
• 行业标准和规范：在一些特定行业，如医疗、金融、工业自动化等，有相应的行业标准和规范规定了必须使用的通信协议。例如，医疗领域的DICOM协议用于医学图像的传输和存储，金融领域的ISO 8583协议用于银行交易报文的传输等。在这些行业中，必须遵循相关的标准协议，以确保系统的合规性和互操作性。

5、安全需求

• 数据加密和认证：对于涉及敏感信息传输的应用，如网上银行、电子商务等，需要选择具有强大安全机制的协议，如SSL/TLS协议可以对数据进行加密，确保数据在传输过程中的保密性和完整性。同时，一些协议还支持身份认证功能，能够验证通信双方的身份，防止非法访问和数据泄露。
• 安全漏洞和风险：不同的协议在安全性方面可能存在不同的漏洞和风险。在选择协议时，需要关注协议的安全更新和维护情况，以及是否存在已知的安全问题。例如，一些旧版本的协议可能存在安全漏洞，容易受到黑客攻击，应尽量选择经过安全评估和更新的协议版本。

6、开发和维护成本

• 开发难度：某些协议的实现可能相对复杂，需要较高的技术水平和开发成本。例如，实现一些自定义的、复杂的工业控制协议可能需要专业的开发团队和大量的开发时间。而一些成熟的、标准化的协议，如HTTP、TCP等，有丰富的开发文档和工具支持，开发难度相对较低。
• 维护成本：选择协议时还要考虑维护成本，包括协议的升级、故障排查和技术支持等方面。一些开源的、社区活跃的协议通常有较好的技术支持和更新维护，能够及时解决使用过程中遇到的问题。