Communication Protocols - 通信协议完整知识体系

覆盖物理层到应用层所有主流通信协议，每个协议统一结构：概述→帧格式→关键机制→开发要点→工具。

目录

1. 物理层/数据链路层
2. 无线通信协议
3. 网络层/传输层
4. 应用层协议
5. 物联网协议
6. 安全

1. 物理层/数据链路层

1.1 UART/RS-232/RS-485/RS-422

概述

UART 是异步串行通信基础接口。RS-232/RS-485/RS-422 是基于 UART 的电气标准。

帧格式

空闲(高) → 起始位(低,1bit) → 数据位(5/6/7/8bit, LSB first) → 校验位(可选:无/奇/偶) → 停止位(1/1.5/2bit, 高)
通信参数写作: 115200,8,N,1 (波特率,数据位,校验,停止位)

关键机制

• RS-232: 全双工，DTE-DCE连接（TX↔RX, RTS↔CTS, DTR↔DSR, DCD, RI），D-sub 9/25针
• RS-485: 半双工差分传输，需方向控制（DE/RE引脚或自动方向切换），总线两端各120Ω终端匹配
• RS-422: 全双工差分传输，4线（TX+/TX-/RX+/RX-），1驱动10接收
• 多机通信: 9-bit模式，第9位标识地址帧/数据帧
• 波特率容差: <3%（推荐<2%）

开发要点

• RS-485首尾各一个120Ω终端电阻，长总线中间无需
• 发送完成后需延迟再切接收（等最后一个字节完全发出）
• 长距离通信降低波特率（距离↑ → 速率↓）
• 工业现场用光耦/磁耦隔离（ADM2587E, ISO3082）
• 差分信号抗干扰强，适合工业噪声环境
• 常用波特率: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200

工具

• minicom/picocom/screen — Linux串口终端
• pyserial — Python串口库（跨平台）
• 逻辑分析仪 (Saleae, sigrok/pulseview) — 时序调试
• CH340/CP2102/FT232 — USB转串口芯片

1.2 SPI/I2S

概述

SPI (Serial Peripheral Interface) 是同步全双工串行总线。I2S (Inter-IC Sound) 是 SPI 的音频扩展。

SPI 帧格式

CS# (低有效) → SCLK → MOSI(主出从入) / MISO(主入从出), MSB first
4种时钟模式: CPOL/CPHA = 00(空闲低,上升沿采样), 01(空闲低,下降沿), 10(空闲高,下降沿), 11(空闲高,上升沿)

I2S 格式

SCLK(位时钟) → WS(字选择,左右声道) → SD(串行数据)
采样率: 44.1/48/96/192kHz, 数据: 16/24/32bit
变体: TDM(多声道时分复用)

关键机制

• 多从机: 独立CS#线或菊花链(daisy-chain)
• QSPI: 4条数据线，吞吐×4，常用于Flash
• 时钟速率: 通常1~50MHz，高速可达100MHz+

开发要点

• CS#传输前拉低、完成后拉高
• SPI无流控，从机需跟上主机时钟
• DMA用于高速场景（ADC、屏幕刷新）

工具

• spidev — Linux SPI (/dev/spidev0.0), 逻辑分析仪

1.3 I2C

概述

半双工同步串行总线，2线（SCL+SDA），多主多从。

帧格式

起始(SCL高SDA↓) → 7位地址+R/W# → ACK → 数据(8bit×N) → ACK → 停止(SCL高SDA↑)
10位地址: 11110 + 高2位 + R/W# → ACK → 低8位 → ACK

关键机制

• 时钟同步: 线与(wired-AND)
• 仲裁: SDA首个发低者赢
• 时钟拉伸: 从机拉低SCL强制等待
• 速率: 100k/400k/1M/3.4M bps
• SMBus: I2C子集，超时+PEC校验

开发要点

• 上拉电阻: 4.7kΩ(典型)
• 总线电容≤400pF
• 地址冲突: PCA954x多路复用器
• 死锁恢复: 9个SCL脉冲
• 常见地址: 0x50(EEPROM), 0x68(RTC), 0x76(BME280)

工具

• i2cdetect/i2cget/i2cset, Arduino Wire, 逻辑分析仪

1.4 CAN/CAN-FD

概述

多主差分串行总线，汽车/工业标准。CAN-FD 支持可变数据长度和更高数据段波特率。

帧格式

CAN 2.0 标准帧:

| SOF | 11位ID | RTR | IDE | r0 | DLC(4) | 数据(0-8B) | CRC(15) | ACK | EOF |

CAN-FD: EDL(=1)标识FD, BRS切换数据段速率, DLC支持0-64B, CRC增强(17/21位)
CAN-FD DLC: 0-8直接, 9→12B, 10→16B, 11→20B, 12→24B, 13→32B, 14→48B, 15→64B

关键机制

• 位仲裁: 显性(0)覆盖隐性(1)，ID越小优先级越高
• 位填充: 5个同极性后插反极性位
• 错误状态: Active → Passive(TEC/REC≥128) → Bus Off(TEC≥256)

开发要点

• 两端各120Ω终端; 波特率+时间段需匹配; 过滤器: 屏蔽码+过滤码
• 常用波特率: 125/250/500/1000kbps

工具

• candump/cansend/cangen (SocketCAN), BUSMASTER, Vector CANoe

1.5 1-Wire

概述

Maxim(ADI)单总线协议，一根数据线通信+供电(寄生模式)。

帧格式

复位(480μs低) → 存在脉冲(60~240μs低) → ROM命令(0x33读/0x55匹配/0xF0搜索) → 功能命令 → 数据
时间槽: 写0(60~120μs低), 写1(<15μs低), 读(<15μs低后15μs内采样)

关键机制

• 寄生供电: 高电平充电; 64位ROM ID: CRC+序列号+家族码; 搜索ROM: 二叉树

开发要点

• 严格时序(关中断); 上拉2.2~4.7kΩ; 设备: DS18B20, DS2401

工具

• owfs — Linux 1-Wire文件系统, DS9490R USB适配器

1.6 USB

概述

通用串行总线，热插拔即插即用，树形拓扑。

传输类型

描述符层级

设备(VID/PID) → 配置 → 接口(Class/SubClass) → 端点(Address,Type,MaxPacketSize)

枚举流程

插入→复位(地址0)→获取设备描述符(前8B)→分配地址→完整描述符→配置描述符→选择配置→就绪

关键机制

• USB 2.0: 480Mbps, NRZI; USB 3.x: 5/10/20Gbps, 128b/132b
• 供电: PD 3.1 EPR最高240W(48V/5A)
• Type-C: CC引脚/PD/替代模式

开发要点

• VID/PID向USB-IF购买; CDC-ACM虚拟串口; HID免驱
• 调试: lsusb -v, usbmon, Wireshark

工具

• lsusb -v, libusb, Wireshark+usbmon

1.7 以太网

概述

IEEE 802.3，从10Mbps演进到400Gbps+。

802.3 MAC 帧

| 前导(7B) | SFD(1B) | 目的MAC(6B) | 源MAC(6B) | EtherType(2B) | Payload(46-1500B) | FCS(4B) |
最小64B, 标准1518B, Jumbo 9018B
VLAN(802.1Q): TPID(0x8100)+PCP+VID
EtherType: 0x0800(IPv4), 0x86DD(IPv6), 0x0806(ARP)

关键机制

• Auto-Negotiation: FLP交换能力; PAUSE帧: 流量控制; PTP(1588): 时间同步
• 物理层: 100BASE-TX(100M), 1000BASE-T(1G), 10GBASE-T(10G), 10GBASE-SR/LR(光纤)

开发要点

• MAC-PHY: MII/RMII/RGMII; MDIO/MDC配置PHY; WoL: Magic Packet

工具

• tcpdump/Wireshark, ethtool, iperf3, nmap

1.8 PPP/HDLC/LAPB

概述

HDLC: ISO基础链路层; PPP: LCP+NCP扩展; LAPB: X.25数据链路层。

帧格式

HDLC: | 标志(0x7E) | 地址 | 控制(I/S/U帧) | 信息 | FCS | 标志(0x7E) | (0比特填充)
PPP: | 标志(0x7E) | 0xFF | 0x03 | 协议(2B) | 信息 | FCS | 标志(0x7E) |
协议: 0x0021(IP), 0x8021(IPCP), 0xC021(LCP), 0xC023(PAP), 0xC223(CHAP)

关键机制

• LCP: 链路建立/配置/终止; NCP: IPCP分配IP/DNS
• PAP: 明文2次握手; CHAP: MD5 3次握手; MP: 多链路捆绑

工具

• pppd, chat, minicom

2. 无线通信协议

2.1 LoRa/LoRaWAN

概述

LoRa: Semtech CSS物理层调制。LoRaWAN: 基于LoRa的MAC层(LoRa联盟)。

LoRa 物理层参数

链路预算: SF12+BW125 ≈ 157dB (15km+); SF7@125k≈5.5kbps, SF12@125k≈250bps

LoRaWAN MAC 层

消息格式: PHYPayload = MHDR(1B) | MACPayload | MIC(4B)
MACPayload = FHDR(DevAddr 4B + FCtrl + FCnt 2B + FOpts) | FPort | FRMPayload

Join (OTAA): 设备发Join Request(AppEUI+DevEUI+DevNonce) → NS回Join Accept(AppNonce+NetID+DevAddr, AES加密) → 派生NwkSKey/AppSKey
ABP: 预配置DevAddr+NwkSKey+AppSKey

ADR: 根据SNR/RSSI自动调整SF/BW/TxPower

CN470 频段(中国)

• 上行: 470.3489.3MHz, 96通道(200kHz); 下行: 500.3509.7MHz
• 发射功率: ≤17dBm, 需SRRC认证

开发要点

• 1%占空比限制; Rx Delay 1/2(1s/2s); Frame Counter需持久化
• 芯片: SX1276/78, SX1261/62

工具

• ChirpStack(开源NS), TTN(公共网络), RadioHead(Arduino)

2.2 NB-IoT

概述

3GPP R13蜂窝物联网，180kHz带宽，覆盖增强20dB，PSM/eDRX低功耗。

部署模式

版本演进

• R13: 基础(CE 0-3, PSM, eDRX)
• R14: 多载波, 定位(OTDOA), multicast
• R17: NTN(卫星)支持

关键机制

• CE Level 0-3: 最多2048次重复
• PSM: T3324活跃定时器 + T3412周期TAU, 深度睡眠数天
• eDRX: 寻呼周期最长2.56h
• NPRACH: 3.75kHz单音 → NPDCCH → NPDSCH

开发要点

• 模组: BC26/BC35-G(移远), Hi2115; AT: AT+CEREG, AT+CGATT, AT+NPSMR
• 运营商APN: CMIoT/CTNET/UNIM2M; 功耗优化: PSM+eDRX

工具

• QNavigator, 运营商IoT平台, minicom

2.3 LTE Cat.1

概述

3GPP R8 UE Cat.1, 下行10Mbps/上行5Mbps, 中速物联网，LTE广覆盖优势。

协议栈

用户面: 应用 → PDCP → RLC → MAC → PHY
控制面: RRC → NAS(EMM/ESM) → EPC(MME/S-GW/P-GW/HSS)

附着流程

PLMN选择 → 小区选择 → SIB → RRC建立(PRACH→Request→Setup→Complete)
→ NAS Attach Request → EPC认证(MME↔HSS AKA) → 承载建立 → Attach Accept

EPS 承载

• 默认承载: Attach自动建立, Best Effort (QCI 5-9)
• 专用承载: 按需, QoS保障(QCI 1-4 GBR)

AT 指令

AT+CFUN=1; AT+CGREG?; AT+CGDCONT=1,"IP","cmnet"; AT+CGATT=1; AT+CGACT=1,1
AT+CIPSTART="TCP","server",port; AT+MQTTCONN/PUB/SUB(移远扩展)

开发要点

• Cat.1 bis: 单天线(R15); 模组: EC20/EC200T, ML302, L610
• 支持 VoLTE; 功耗: 空闲~3mA(DRX)

工具

• minicom, usb_modeswitch, wvdial/pppd, qmi-utils

2.4 5G NR

概述

5G New Radio: eMBB/URLLC/mMTC。

频段

• FR1(Sub-6G): 410MHz~7.125GHz, 覆盖好
• FR2(mmWave): 24.25~52.6GHz, 大带宽高速率
• 中国: n78(33003800MHz), n41(24962690MHz), n79(4400~5000MHz)

关键物理信道

• SSB: PSS+SSS+PBCH, 同步/小区搜索
• PRACH: 随机接入前导码(Format 0~3 FR1, A/B FR2)
• PDCCH: DCI调度PDSCH/PUSCH
• numerology: SCS 15/30/60/120/240kHz (μ=0~4)
• BWP: 带宽部分, UE可配置

关键技术

• Massive MIMO (64T64R+), 波束管理(SSB扫描,CSI-RS,SRS)
• 网络切片, SBA 5GC核心网
• RedCap (R17): 简化5G用于IoT

工具

• srsRAN(开源RAN), UERANSIM(5G模拟)

2.5 BLE 5.x

概述

Bluetooth Low Energy, 低功耗蓝牙。BLE 5.0: 2M PHY+长距离+广播扩展。BLE 5.2: LE Isochronous。

GAP 设备角色

Central(主机) / Peripheral(从机) / Broadcaster(广播者) / Observer(观察者)

广播: 通道37/38/39 → AdvData(31B Legacy / 255B Extended) → 扫描请求/响应(可选) → 连接

GATT 层级

Profile → Service(UUID 16/128bit) → Characteristic(值+CCCD 0x2902) → Descriptor
CCCD: 使能Notification(无确认)或Indication(有确认)

关键参数

• MTU: 默认23B(有效20B), 可协商至517B (iOS默认185B)
• 连接间隔: 7.5ms~4s(默认30ms)
• DLE: 单包27B→251B (BLE 4.2+)
• 2M PHY: 速率翻倍; Coded PHY(125kbps): 长距离

开发要点

• 服务发现UUID+缓存; Notify快/Indicate可靠
• 安全: SMP配对, AES-CCM加密
• 芯片: nRF52832/40, ESP32-C3, CH582

工具

• nRF Connect(手机), nRF sniffer, bleno/noble(Node.js)

2.6 ZigBee 3.0

概述

基于IEEE 802.15.4的Mesh网络。ZigBee PRO 2017/3.0统一配置文件。

网络拓扑

设备角色: 协调器(1个网络1个), 路由器, 终端(低功耗)

ZCL (ZigBee Cluster Library)

端点(1~240) → 簇(Cluster, 16bit) → 属性(Attribute)
操作: Read/Write/Report/Configure Reporting

关键机制

• 128位AES加密; 16位短地址+64位MAC地址
• AODV路由; 绑定表实现跨设备通信; OTA升级

开发要点

• 协议栈: Z-Stack(TI), EmberZNet(Silicon Labs)
• 信道: 11~26(2.4GHz); PAN ID: 16位标识网络

工具

• Zigbee2MQTT, XCTU(Digi)

2.7 Wi-Fi 6/7

概述

• Wi-Fi 6 (802.11ax): OFDMA, MU-MIMO上下行, BSS Coloring
• Wi-Fi 7 (802.11be): 320MHz, 4096-QAM, MLO(多链路), MRU

关键机制

• OFDMA: 信道分多个RU并行传输, 提升多用户效率
• MU-MIMO: 空间复用, 上下行多用户
• BSS Coloring: 6bit标识, 同频干扰判断
• TWT (Target Wake Time): 调度设备唤醒, 降低功耗
• MLO (Multi-Link Operation): Wi-Fi 7同时用多条链路, 降低延迟

开发要点

• 芯片: ESP32-C6/C5(Wi-Fi 6), IPQ6018, MT7916
• WPA3: SAE认证, OWE(机会性加密)
• 6GHz: DFS不需, 更多连续信道

工具

• iwconfig/iw, Wireshark, iperf3

2.8 Thread/Matter

概述

• Thread: 基于6LoWPAN/IPv6 over 802.15.4的Mesh网络, 无单点故障
• Matter: CSA(原CSA/Connectivity Standards Alliance)统一智能家居协议, 运行在Thread/Wi-Fi/Ethernet上

Thread 关键机制

• IPv6 over 802.15.4 (2.4GHz, 6LoWPAN适配)
• Mesh路由: MPL(Multicast), 地址分配(SLAAC)
• 设备角色: Leader, Router,