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物联网的七大通信协议

时间:2019-11-01 10:34:23  来源:  作者:

我们将物联网协议分为两大类,一类是传输协议,一类是通信协议。传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信,之前我们已经为大家做了一次的科普,文章《物联网常见的无线传输协议类型》有详细介绍。通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议,负责设备通过互联网进行数据交换及通信。

  物联网的通信环境有Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC(近距离无线通信), Zigbee, 6LoWPAN(IPV6低速无线版本),Bluetooth, GSM, GPRS, GPS, 3G, 4G等网络,而每一种通信应用协议都有一定适用范围。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网,COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议,而DDS和MQTT的兼容性则强很多。

  互联网时代,TCP/IP协议已经一统江湖,现在的物联网的通信架构也是构建在传统互联网基础架构之上。在当前的互联网通信协议中,HTTP协议由于开发成本低,开放程度高,几乎占据大半江山,所以很多厂商在构建物联网系统时也基于http协议进行开发。包括google主导的physic web项目,都是期望在传统web技术基础上构建物联网协议标准。

  HTTP协议是典型的CS通讯模式,由客户端主动发起连接,向服务器请求XML或JSON数据。该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景和设计的,目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛,但并不适用于物联网场景。在物联网场景中其有三大弊端:

  1. 由于必须由设备主动向服务器发送数据,难以主动向设备推送数据。对于单单的数据采集等场景还勉强适用,但是对于频繁的操控场景,只能推过设备定期主动拉取的的方式,实现成本和实时性都大打折扣。

  2. 安全性不高。web的不安全都是妇孺皆知,HTTP是明文协议,在很多要求高安全性的物联网场景,如果不做很多安全准备工作(如采用https等),后果不堪设想。

  3. 不同于用户交互终端如pc、手机,物联网场景中的设备多样化,对于运算和存储资源都十分受限的设备,http协议实现、XML/JSON数据格式的解析,都是不可能的任务。

  REST/HTTP(松耦合服务调用)

  REST (Representational State Transfer),表征状态转换,是基于HTTP协议开发的一种通信风格,目前还不是标准。

  适用范围:REST/HTTP主要为了简化互联网中的系统架构,快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合,降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此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。

  特点:

  1. REST 指的是一组架构约束条件和原则。满足这些约束条件和原则的应用程序或设计就是RESTful

  2.客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的

  3. 在服务器端,应用程序状态和功能可以分为各种资源,它向客户端公开。资源的例子有:应用程序对象、数据库记录、算法等等。每个资源都使用 URI (Universal Resource Identifier) 得到一个惟一的地址。所有资源都共享统一的界面,以便在客户端和服务器之间传输状态

  4.使用的是标准的 HTTP 方法,比如 GET、PUT、POST 和 DELETE

  点评: REST/HTTP其实是互联网中服务调用API封装风格,物联网中数据采集到物联网应用系统中,在物联网应用系统中,可以通过开放REST API的方式,把数据服务开放出去,被互联网中其他应用所调用。

  CoAP协议

  CoAP (Constrained Application Protocol),受限应用协议,应用于无线传感网中协议。

  适用范围:CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API,CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议,它适用于在资源受限的通信的IP网络。

  特点:

  报头压缩:CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4B的基本报头,基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10~20B。

  方法和URIs:为了实现客户端访问服务器上的资源,CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs,这是Web架构的主要特点。

  传输层使用UDP协议:CoAP协议是建立在UDP协议之上,以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。

  支持异步通信:HTTP对M2M(machine-to-Machine)通信不适用,这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP协议支持异步通信,这对M2M通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。

  支持资源发现:为了自主的发现和使用资源,它支持内置的资源发现格式,用于发现设备上的资源列表,或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式,在CoRE中用/.well—known/core的路径表示资源描述。

  支持缓存:CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

  协议主要实现:

  1. libcoap(C语言实现)

  2.Californium(JAVA语言实现)

  点评:CoAP和6LowPan,这分别是应用层协议和网络适配层协议,其目标是解决设备直接连接到IP网络,也就是IP技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求。因为IPV6技术带来巨大寻址空间,不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题,互联网上应用可以直接访问支持IPV6的设备,而不需要额外的网关。

  MQTT协议(低带宽)

  MQTT (Message Queuing Telemetry Transport ),消息队列遥测传输,由IBM开发的即时通讯协议,相比来说比较适合物联网场景的通讯协议。MQTT协议采用发布/订阅模式,所有的物联网终端都通过TCP连接到云端,云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容,负责将设备与设备之间消息的转发。

  MQTT在协议设计时就考虑到不同设备的计算性能的差异,所以所有的协议都是采用二进制格式编解码,并且编解码格式都非常易于开发和实现。最小的数据包只有2个字节,对于低功耗低速网络也有很好的适应性。有非常完善的QOS机制,根据业务场景可以选择最多一次、至少一次、刚好一次三种消息送达模式。运行在TCP协议之上,同时支持TLS(TCP+SSL)协议,并且由于所有数据通信都经过云端,安全性得到了较好地保障。

  适用范围:在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。

  特点:

  1.使用基于代理的发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布

  2.使用 TCP/IP 提供网络连接

  3.小型传输,开销很小(固定长度的头部是 2 字节),协议交换最小化,以降低网络流量

  4.支持QoS,有三种消息发布服务质量:“至多一次”, “至少一次”, “只有一次”

  协议主要实现和应用:

  1.已经有php,JAVA,Python,C,C#等多个语言版本的协议框架

  2.IBM Bluemix 的一个重要部分是其 IoT Foundation 服务,这是一项基于云的 MQTT 实例

  3.移动应用程序也早就开始使用MQTT,如 Facebook Messenger 和com等

  点评:MQTT协议一般适用于设备数据采集到端(Device-》Server,Device-》Gateway),集中星型网络架构(hub-and-spoke),不适用设备与设备之间通信,设备控制能力弱,另外实时性较差,一般都在秒级。

  DDS协议(高可靠性、实时)

  DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems),面向实时系统的数据分布服务,这是大名鼎鼎的OMG组织提出的协议,其权威性应该能证明该协议的未来应用前景。

  适用范围:分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

  特点:

  1.以数据为中心

  2.使用无代理的发布/订阅消息模式,点对点、点对多、多对多

  3.提供多大21种QoS服务质量策略

  协议主要实现:

  1.OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现

  2.OpenSplice DDS

  点评:DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制,设备和云端的数据传输,同时DDS的数据分发的实时效率非常高,能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量(QoS)上提供非常多的保障途径,这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下,在无线网络,特别是资源受限的情况下,没有见到过实施案例。

  AMQP协议(互操作性)

  AMQP(Advanced Message Queuing Protocol),先进消息队列协议,这是OASIS组织提出的,该组织曾提出OSLC(Open Source Lifecyle)标准,用于业务系统例如PLM,ERP,MES等进行数据交换。

  适用范围:最早应用于金融系统之间的交易消息传递,在物联网应用中,主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析。

  特点:

  1.Wire级的协议,它描述了在网络上传输的数据的格式,以字节为流

  2.面向消息、队列、路由(包括点对点和发布/订阅)、可靠性、安全

  协议实现:

  1.Erlang中的实现有 RabbitMQ

  2.AMQP的开源实现,用C语言编写OpenAMQ

  3.Apache Qpid

  4.stormMQ

  XMPP协议(即时通信)

  XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可扩展通讯和表示协议,XMPP的前身是Jabber,一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。

  适用范围:即时通信的应用程序,还能用在网络管理、内容供稿、协同工具、档案共享、游戏、远端系统监控等。

  特点:

  1.客户机/服务器通信模式

  2.分布式网络

  3.简单的客户端,将大多数工作放在服务器端进行

  4.标准通用标记语言的子集XML的数据格式

  点评:XMPP是基于XML的协议,由于其开放性和易用性,在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP,XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的,开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程,相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。

  JMS (Java Message Service)

  JMS (Java Message Service),JAVA消息服务,这是JAVA平台中著名的消息队列协议。

  Java消息服务(Java Message Service)应用程序接口,是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API,用于在两个应用程序之间,或分布式系统中发送消息,进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API,绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。

  JMS是一种与厂商无关的 API,用来访问消息收发系统消息,它类似于JDBC(Java Database Connectivity)。这里,JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的 API,而 JMS 则提供同样与厂商无关的访问方法,以访问消息收发服务。许多厂商都支持 JMS,包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能够通过消息收发服务(有时称为消息中介程序或路由器)从一个 JMS 客户机向另一个 JMS客户机发送消息。消息是 JMS 中的一种类型对象,由两部分组成:报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分,可以将消息分为几种类型,它们分别携带:简单文本(TextMessage)、可序列化的对象 (ObjectMessage)、属性集合 (MapMessage)、字节流 (BytesMessage)、原始值流 (StreamMessage),还有无有效负载的消息 (Message)。

  物联网协议对比

物联网的七大通信协议

 

  协议应用的侧重方向

  MQTT、 DDS、 AMQP、XMPP、 JMS、 REST、 CoAP这几种协议都已被广泛应用,并且每种协议都有至少10种以上的代码实现,都宣称支持实时的发布/订阅的物联网协议,但是在具体物联网系统架构设计时,需考虑实际场景的通信需求,选择合适的协议。

  以智能家居为例,说明下这些协议侧重应用方向。智能家居中智能灯光控制,可以使用XMPP协议控制灯的开关;智能家居的电力供给,发电厂的发动机组的监控可以使用DDS协议;当电力输送到千家万户时,电力线的巡查和维护,可以使用MQTT协议;家里的所有电器的电量消耗,可以使用AMQP协议,传输到云端或家庭网关中进行分析;最后用户想把自家的能耗查询服务公布到互联网上,那么可以使用REST/HTTP来开放API服务。



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