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人工智慧物聯網AIOT-024

先知科技總經理 高季安

August 01, 2024

一、何謂通訊協定

通訊協定不僅僅是一套簡單的規則，它們實際上是網路通信的基石，支撐著從簡單的文件傳輸到復雜的遠程操作的所有活動。網路中的電腦可能會使用完全不同的軟體和硬體；然而，使用通訊協定使它們無論如何都能能彼此通訊。標準化通訊協定就像電腦可以使用的共同語言，類似於來自世界不同地區的兩個人可能不理解對方的母語，但他們可以使用共同的第三語言進行交流。如果一台電腦使用網際網路通訊協定 (IP)，而第二台電腦也使用該通訊協定，它們將能夠進行通訊。這些協定根據開放系統互聯 (OSI) 模型被分層處理(如圖1)。OSI 模型是一種概念框架，用來理解網路交互作用的多層結構，它包括七層：物理層、數據鏈接層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

圖1. OSI 模型概念框架

每一層都有其特定的協定負責不同的通訊任務。例如，物理層關注於媒體、信號和二進位傳輸等基本網路硬體資源，而數據鏈接層則處理如何在相鄰的節點之間可靠地傳輸數據，常用的協定有乙太網和Wi-Fi。

在網路層，最為人熟知的是網際網路協定 (IP)，它負責封包的選路和轉送，確保數據可以從來源主機傳送到目標主機。IP 協定是使互聯網實現全球範圍內數據交換的關鍵技術。

上移至傳輸層，傳輸控制協定 (TCP) 和用戶數據包協定 (UDP) 是兩個主要的協定，它們如何確保數據包的正確順序交付以及錯誤恢復。TCP 為網際網路上的數據交換提供可靠的、有序的和無差錯的傳輸，而 UDP 則提供一種相對簡單的無連接服務，適用於那些不要求可靠傳輸的應用，如流媒體。

會話層、表示層和應用層則涵蓋了數據的呈現和處理，以及各種最終用戶和應用程式之間的交互操作。這些層確保數據在應用程序之間正確無誤地交換和處理，並支持各種應用程序協定，如 HTTP、FTP、SMTP 等。

通過理解這些基礎協定的操作和它們如何互相協作，我們能夠更好地構建、診斷和優化網路系統，系統或網路能夠通過一個共同的語言進行溝通和資料交換。在物聯網（IoT）和工業物聯網（IIoT）的應用中，通訊協定扮演著至關重要的角色，確保從感測器到控制系統、從機器到資料中心的所有設備能夠有效、安全且可靠地交換信息。這些協定通常包括以下元素：

1. 資料封裝：如何將資料打包，使其能在網絡上傳送。
2. 地址和路由：資料應該發送到哪裡，以及如何到達目的地。
3. 錯誤處理：如何檢測和糾正在傳輸過程中可能發生的錯誤。
4. 資料壓縮與加密：如何對資料進行壓縮和加密，以提高傳輸效率並保障資料安全。
5. 同步：確保資料傳輸的同步性，即資料按照正確的順序和時機進行交換。

通訊協定的例子包括但不限於HTTP、TCP/IP、MQTT、OPC UA、Modbus 與 SECS/GEM等。這些協定在不同的應用和行業中具有不同的重要性和應用場景，從簡單的家庭自動化到複雜的工業過程控制。在選擇適合的通訊協定時，通常需要考慮設備的種類、數據的類型、系統的可靠性需求以及實施的成本效益等因素。

二、常見的通訊協定

以下是一個表格，以清晰的方式展示上述六個通訊協定的全名、起源、歷史、優缺點以及適用場合的比較：

表1.常見的通訊協定比較表

這個表格清楚地呈現了每種協定的主要特性和應用範圍，使得比較它們的功能和用途變得更加容易。

在當今數位化的時代，了解和掌握各種通訊協定的功能與應用場合是至關重要的。通訊協定不僅是物聯網技術的基石，也是實現智能裝置間有效通訊的關鍵。從家庭自動化到工業自動控制系統，這些協定如同橋樑，連接了各種設備和平台，使其能夠互相溝通並協同工作。

接下來本系列文章將針對MQTT、OPC UA、Modbus 與 SECS/GEM進行介紹，我們希望大家能夠更好地理解這些看似抽象的協定是如何在日常生活中發揮其巨大的功能，以應對日益複雜的技術需求，實現更加智慧和連接的世界。

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