通信对物联网来说十分常用且关键,无论是近距离无线传输技术还是移动通信技术,都影响着物联网的发展。而在通信中,通信协议尤其重要,是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。那么物联网都有哪些通信协议呢?

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。工业级路由器与plc远程控制网关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。

上图为物联网联接的问题空间,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。工业级路由器与plc远程控制网关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。工业级路由器与plc远程控制网关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

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。
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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。