物聯網通信協議的詳解及選擇建議

通信對物聯網來說十分關鍵，無論是近距離無線傳輸技術還是移動通信技術，甚至是LPWAN都影響著物聯網的發展。通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。那么物聯網都有哪些通信協議？眾多的協議該如何選擇？

我們將物聯網通信協議分為兩大類，一類是接入協議，一類是通訊協議。接入協議一般負責子網內設備間的組網及通信（文章《常見物聯網近距離無線通信技術解析》有詳細介紹）；通訊協議主要是運行在傳統互聯網TCP/IP協議之上的設備通訊協議，負責設備通過互聯網進行數據交換及通信。

本文羅列下市面上物聯網協議，總結下它們各自特點、特定的物聯網應用場景等。

物聯網聯接的問題空間

上圖為物聯網聯接的問題空間，其中物聯網的通信環境有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等網絡，而每一種通信應用協議都有一定適用范圍。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網，COAP協議是專門為資源受限設備開發的協議，而DDS和MQTT的兼容性則強很多。

互聯網時代，TCP/IP協議已經一統江湖，現在的物聯網的通信架構也是構建在傳統互聯網基礎架構之上。在當前的互聯網通信協議中，HTTP協議由于開發成本低，開放程度高，幾乎占據大半江山，所以很多廠商在構建物聯網系統時也基于http協議進行開發。包括google主導的physic web項目，都是期望在傳統web技術基礎上構建物聯網協議標準。

HTTP協議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動發起連接，向服務器請求XML或JSON數據。該協議最早是為了適用web瀏覽器的上網瀏覽場景和設計的，目前在PC、手機、pad等終端上都應用廣泛，但并不適用于物聯網場景。在物聯網場景中其有三大弊端：

1. 由于必須由設備主動向服務器發送數據，難以主動向設備推送數據。對于單單的數據采集等場景還勉強適用，但是對于頻繁的操控場景，只能推過設備定期主動拉取的的方式，實現成本和實時性都大打折扣。

2. 安全性不高。web的不安全都是婦孺皆知，HTTP是明文協議，在很多要求高安全性的物聯網場景，如果不做很多安全準備工作（如采用https等），后果不堪設想。

3. 不同于用戶交互終端如pc、手機，物聯網場景中的設備多樣化，對于運算和存儲資源都十分受限的設備，http協議實現、XML/JSON數據格式的解析，都是不可能的任務。

REST/HTTP（松耦合服務調用）

REST （Representational State Transfer），表征狀態轉換，是基于HTTP協議開發的一種通信風格，目前還不是標準；

適用范圍：REST/HTTP主要為了簡化互聯網中的系統架構，快速實現客戶端和服務器之間交互的松耦合，降低了客戶端和服務器之間的交互延遲。因此適合在物聯網的應用層面，通過REST開放物聯網中資源，實現服務被其他應用所調用。

特點：

· REST 指的是一組架構約束條件和原則。滿足這些約束條件和原則的應用程序或設計就是RESTful

· 客戶端和服務器之間的交互在請求之間是無狀態的

· 在服務器端，應用程序狀態和功能可以分為各種資源，它向客戶端公開。資源的例子有：應用程序對象、數據庫記錄、算法等等。每個資源都使用 URI （Universal Resource Identifier） 得到一個惟一的地址。所有資源都共享統一的界面，以便在客戶端和服務器之間傳輸狀態

· 使用的是標準的 HTTP 方法，比如 GET、PUT、POST 和 DELETE

點評： REST/HTTP其實是互聯網中服務調用API封裝風格，物聯網中數據采集到物聯網應用系統中，在物聯網應用系統中，可以通過開放REST API的方式，把數據服務開放出去，被互聯網中其他應用所調用。

CoAP協議

· CoAP （Constrained Application Protocol），受限應用協議，應用于無線傳感網中協議。

適用范圍：CoAP是簡化了HTTP協議的RESTful API，CoAP是6LowPAN協議棧中的應用層協議，它適用于在資源受限的通信的IP網絡。

特點：

報頭壓縮：CoAP包含一個緊湊的二進制報頭和擴展報頭。它只有短短的4B的基本報頭，基本報頭后面跟擴展選項。一個典型的請求報頭為10～20B。

方法和URIs：為了實現客戶端訪問服務器上的資源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP還支持URIs，這是Web架構的主要特點。

傳輸層使用UDP協議：CoAP協議是建立在UDP協議之上，以減少開銷和支持組播功能。它也支持一個簡單的停止和等待的可靠性傳輸機制。

支持異步通信：HTTP對M2M（Machine-to-Machine）通信不適用，這是由于事務總是由客戶端發起。而CoAP協議支持異步通信，這對M2M通信應用來說是常見的休眠／喚醒機制。

支持資源發現：為了自主的發現和使用資源，它支持內置的資源發現格式，用于發現設備上的資源列表，或者用于設備向服務目錄公告自己的資源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路徑表示資源描述。

支持緩存：CoAP協議支持資源描述的緩存以優化其性能。

協議主要實現：

· libcoap（C語言實現）

· Californium（java語言實現）

點評：CoAP和6LowPan，這分別是應用層協議和網絡適配層協議，其目標是解決設備直接連接到IP網絡，也就是IP技術應用到設備之間、互聯網與設備之間的通信需求。因為IPV6技術帶來巨大尋址空間，不光解決了未來巨量設備和資源的標識問題，互聯網上應用可以直接訪問支持IPV6的設備，而不需要額外的網關。

MQTT協議（低帶寬）

MQTT （Message Queuing Telemetry Transport ），消息隊列遙測傳輸，由IBM開發的即時通訊協議，相比來說比較適合物聯網場景的通訊協議。MQTT協議采用發布/訂閱模式，所有的物聯網終端都通過TCP連接到云端，云端通過主題的方式管理各個設備關注的通訊內容，負責將設備與設備之間消息的轉發。

MQTT在協議設計時就考慮到不同設備的計算性能的差異，所以所有的協議都是采用二進制格式編解碼，并且編解碼格式都非常易于開發和實現。最小的數據包只有2個字節，對于低功耗低速網絡也有很好的適應性。有非常完善的QOS機制，根據業務場景可以選擇最多一次、至少一次、剛好一次三種消息送達模式。運行在TCP協議之上，同時支持TLS（TCP+SSL）協議，并且由于所有數據通信都經過云端，安全性得到了較好地保障。

適用范圍：在低帶寬、不可靠的網絡下提供基于云平臺的遠程設備的數據傳輸和監控。

特點：

· 使用基于代理的發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布

· 使用 TCP/IP 提供網絡連接

· 小型傳輸，開銷很?。ü潭ㄩL度的頭部是 2 字節），協議交換最小化，以降低網絡流量

· 支持QoS，有三種消息發布服務質量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”

協議主要實現和應用：

· 已經有PHP，JAVA，Python，C，C#等多個語言版本的協議框架

· IBM Bluemix 的一個重要部分是其 IoT Foundation 服務，這是一項基于云的 MQTT 實例

· 移動應用程序也早就開始使用MQTT，如 Facebook Messenger 和com等

點評：MQTT協議一般適用于設備數據采集到端（Device-》Server，Device-》Gateway），集中星型網絡架構（hub-and-spoke），不適用設備與設備之間通信，設備控制能力弱，另外實時性較差，一般都在秒級。