IOT（物聯(lián)網(wǎng)）的七大通信協(xié)議

在物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中，我們一般分為兩大類，一類是傳輸協(xié)議，一類是通信協(xié)議。傳輸協(xié)議一般負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的組網(wǎng)及通信；通信協(xié)議則主要是運(yùn)行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上的設(shè)備通訊協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通訊

其中物聯(lián)網(wǎng)的通信環(huán)境有Ethernet， Wi-Fi， RFID， NFC（近距離無線通信）， Zigbee， 6LoWPAN（IPV6低速無線版本），Bluetooth， GSM， GPRS， GPS， 3G， 4G等網(wǎng)絡(luò)，而每一種通信應(yīng)用協(xié)議都有一定適用范圍。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網(wǎng)，COAP協(xié)議是專門為資源受限設(shè)備開發(fā)的協(xié)議，而DDS和MQTT的兼容性則強(qiáng)很多。

IOT的七大通信協(xié)議:

1. REST/HTTP(松耦合服務(wù)調(diào)用)

適用范圍：

REST/HTTP主要為了簡化互聯(lián)網(wǎng)中的系統(tǒng)架構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間交互的松耦合，降低了客戶端和服務(wù)器之間的交互延遲。因此適合在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層面，通過REST開放物聯(lián)網(wǎng)中資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)被其他應(yīng)用所調(diào)用。

特點(diǎn)：

（1）客戶端和服務(wù)器之間的交互在請(qǐng)求之間是無狀態(tài)的。

（2）使用的是標(biāo)準(zhǔn)的 HTTP 方法，比如：GET、PUT、POST 和 DELETE。

REST/HTTP其實(shí)是互聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)調(diào)用API封裝風(fēng)格，物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，可以通過開放REST API的方式，把數(shù)據(jù)服務(wù)開放出去，被互聯(lián)網(wǎng)中其他應(yīng)用所調(diào)用。

2. CoAP協(xié)議

CoAP (Constrained Application Protocol)

適用范圍：

CoAP是簡化了HTTP協(xié)議的RESTful API，CoAP是6LowPAN協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議，它適用于在資源受限的通信的IP網(wǎng)絡(luò)。

特點(diǎn)：

　　（1）報(bào)頭壓縮：CoAP包含一個(gè)緊湊的二進(jìn)制報(bào)頭和擴(kuò)展報(bào)頭。它只有短短的4B的基本報(bào)頭，基本報(bào)頭后面跟擴(kuò)展選項(xiàng)。一個(gè)典型的請(qǐng)求報(bào)頭為10～20B。

　　（2）方法和URIs：為了實(shí)現(xiàn)客戶端訪問服務(wù)器上的資源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法，屬于web架構(gòu)

? ? ? （3）傳輸層使用UDP協(xié)議：CoAP協(xié)議是建立在UDP協(xié)議之上，以減少開銷和支持組播功能。它也支持一個(gè)簡單的停止和等待的可靠性傳輸機(jī)制。

　　（4）支持異步通信：HTTP對(duì)M2M（Machine-to-Machine）通信不適用，這是由于事務(wù)總是由客戶端發(fā)起。而CoAP協(xié)議支持異步通信，這對(duì)M2M通信應(yīng)用來說是常見的休眠／喚醒機(jī)制。

　　（5）支持資源發(fā)現(xiàn)

　　（6）支持緩存：CoAP協(xié)議支持資源描述的緩存以優(yōu)化其性能。

3. MQTT協(xié)議(低帶寬)

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )，消息隊(duì)列遙測傳輸，由IBM開發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議，相比來說比較適合物聯(lián)網(wǎng)場景的通訊協(xié)議。MQTT協(xié)議采用發(fā)布/訂閱模式，所有的物聯(lián)網(wǎng)終端都通過TCP連接到云端，云端通過主題的方式管理各個(gè)設(shè)備關(guān)注的通訊內(nèi)容，負(fù)責(zé)將設(shè)備與設(shè)備之間消息的轉(zhuǎn)發(fā)。

適用范圍：

在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)下提供基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控。

特點(diǎn)：

　　（1） 使用基于代理的發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布

　　（2） 使用 TCP/IP 提供網(wǎng)絡(luò)連接

　　（3） 小型傳輸，開銷很小（固定長度的頭部是 2 字節(jié)），協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量

　　（4） 支持QoS，有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”

　　MQTT協(xié)議一般適用于設(shè)備數(shù)據(jù)采集到端（Device-》Server，Device-》Gateway），集中星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（hub-and-spoke），不適用設(shè)備與設(shè)備之間通信，設(shè)備控制能力弱，另外實(shí)時(shí)性較差，一般都在秒級(jí)。

4. DDS協(xié)議(高可靠性、實(shí)時(shí))

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)，面向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務(wù)。

適用范圍：

分布式高可靠性、實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)通信。目前DDS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、民航、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

5. AMQP協(xié)議(互操作性)

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)，先進(jìn)消息隊(duì)列協(xié)議，用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)例如PLM，ERP，MES等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

適用范圍：

最早應(yīng)用于金融系統(tǒng)之間的交易消息傳遞，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，主要適用于移動(dòng)手持設(shè)備與后臺(tái)數(shù)據(jù)中心的通信和分析。

6. XMPP協(xié)議(即時(shí)通信)

XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)可擴(kuò)展通訊和表示協(xié)議，一個(gè)開源形式組織產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信協(xié)議。

適用范圍：

即時(shí)通信的應(yīng)用程序，還能用在網(wǎng)絡(luò)管理、游戲、遠(yuǎn)端系統(tǒng)監(jiān)控等。

7. JMS

JMS (Java Message Service)，即消息服務(wù)，這是JAVA平臺(tái)中著名的消息隊(duì)列協(xié)議。

Java消息服務(wù)應(yīng)用程序接口，是一個(gè)Java平臺(tái)中關(guān)于面向消息中間件(MOM)的API，用于在兩個(gè)應(yīng)用程序之間，或分布式系統(tǒng)中發(fā)送消息，進(jìn)行異步通信。Java消息服務(wù)是一個(gè)與具體平臺(tái)無關(guān)的API，絕大多數(shù)MOM提供商都對(duì)JMS提供支持。

協(xié)議對(duì)比：

協(xié)議應(yīng)用的側(cè)重方向

　　MQTT、 DDS、 AMQP、XMPP、 JMS、 REST、 CoAP這幾種協(xié)議都已被廣泛應(yīng)用，并且每種協(xié)議都有至少10種以上的代碼實(shí)現(xiàn)，都宣稱支持實(shí)時(shí)的發(fā)布/訂閱的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但是在具體物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮實(shí)際場景的通信需求，選擇合適的協(xié)議。

　　以智能家居為例，說明下這些協(xié)議側(cè)重應(yīng)用方向。智能家居中智能燈光控制，可以使用XMPP協(xié)議控制燈的開關(guān)；智能家居的電力供給，發(fā)電廠的發(fā)動(dòng)機(jī)組的監(jiān)控可以使用DDS協(xié)議；當(dāng)電力輸送到千家萬戶時(shí)，電力線的巡查和維護(hù)，可以使用MQTT協(xié)議；家里的所有電器的電量消耗，可以使用AMQP協(xié)議，傳輸?shù)皆贫嘶蚣彝ゾW(wǎng)關(guān)中進(jìn)行分析；最后用戶想把自家的能耗查詢服務(wù)公布到互聯(lián)網(wǎng)上，那么可以使用REST/HTTP來開放API服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的選擇

　　發(fā)布/訂閱服務(wù)更適合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通信

　　DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于發(fā)布/訂閱模式，發(fā)布/訂閱框架具有服務(wù)自發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、事件過濾的特點(diǎn)，它解決了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)源快速獲取、物的加入和退出、興趣訂閱、降低帶寬流量等問題，實(shí)現(xiàn)物的聯(lián)接在空間上松耦合（雙方無需知道通信地址）、時(shí)間上松耦合和同步松耦合。

　　服務(wù)質(zhì)量（QoS）是物聯(lián)網(wǎng)通信中的重要考慮因素

　　在服務(wù)策略的幫助下，DDS能夠有效地控制和管理網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)存空間等資源的使用，同時(shí)也能控制數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的生存時(shí)間，通過靈活使用這些服務(wù)質(zhì)量策略，DDS不僅能在窄帶的無線環(huán)境上，也能在寬帶的有線通信環(huán)境上開發(fā)出滿足實(shí)時(shí)性需求的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。