XXIV國內(nèi)外常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析目錄TOC\o"1-3"\h\u75381MQTT協(xié)議 142552MQTT-SN協(xié)議 225373CoAP協(xié)議 4126204LwM2M協(xié)議 577565HTTP協(xié)議 558906LoRaWAN協(xié)議 5292317NB-IoT協(xié)議 6物聯(lián)網(wǎng)，即物的互聯(lián)網(wǎng)，屬于互聯(lián)網(wǎng)的一部分。物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施作為信息傳遞的載體，即現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一定是“物”通過某種方式接入了互聯(lián)網(wǎng)，而“物”通過互聯(lián)網(wǎng)上傳/下載數(shù)據(jù)，以及與人進行交互。目前在國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中，常用的物聯(lián)網(wǎng)連接協(xié)議如下：1MQTT協(xié)議MQTT協(xié)議（MessageQueueTelemetryTransport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是IBM的AndyStanford-Clark和Arcom的ArlenNipper于1999年為了一個通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接輸油管道的項目開發(fā)的，設(shè)想的使用場景是硬件設(shè)備局限的遠程設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕狀態(tài)，因而設(shè)計了一種發(fā)布/訂閱型的消息協(xié)議。為了滿足低電量消耗和低網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，MQTT協(xié)議在設(shè)計之初就包含了以下幾個特點：實現(xiàn)簡單；提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS；輕量、占用帶寬低；可傳輸任意類型的數(shù)據(jù)；可保持的會話（Session）。MQTT協(xié)議有以下特性：基于TCP協(xié)議的應用層協(xié)議；采用C/S架構(gòu)；使用訂閱/發(fā)布模式，將消息的發(fā)送方和接受方解耦；提供3種消息的QoS（QualityofService）傳輸質(zhì)量：至多一次0（只傳輸一次，不保證能夠到達）、最少一次1（能夠確保消息到達，但可能會有重復）、只有一次2（確保消息到達一次）；收發(fā)消息都是異步的，發(fā)送方不需要等待接收方應答。小型傳輸，開銷較小（固定長度的頭部是2kb），為了降低網(wǎng)絡(luò)流量，協(xié)議交換使用最小化。7.使用遺愿特性，來通知相關(guān)的各個客戶端的異常中斷情況。MQTT協(xié)議的架構(gòu)由Broker和連接到Broker的多個Client組成，如下圖1-1所示：圖1-1MQTT架構(gòu)圖由于MQTT協(xié)議輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的特點，它可以為大量的低功率、工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠、硬件性能低下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供較強的通信保障。它的適用范圍十分廣泛，在大熱的機器與機器（M2M）通信領(lǐng)域和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域都可以使用。目前已經(jīng)廣泛使用的領(lǐng)域有:在通過衛(wèi)星鏈路的通信傳感器、偶爾撥號的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、一些小型化設(shè)備等。它在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也大有作為，很多AndroidApp的推送功能都是基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)的，一些IM的實現(xiàn)也是基于MQTT協(xié)議的。2MQTT-SN協(xié)議MQTT-SN（MQTTforSensorNetwork）協(xié)議是MQTT協(xié)議的傳感器版本。MQTT協(xié)議雖然是輕量的應用層協(xié)議，但運行在TCP協(xié)議棧之上，TCP協(xié)議對于某些計算能力和電量非常有限的設(shè)備來說，比如傳感器，就不太適用了。MQTT-SN運行在UDP協(xié)議上，同時保留了MQTT協(xié)議的大部分信令和特性，如訂閱和發(fā)布等。MQTT-SN協(xié)議引入了MQTT-SN網(wǎng)關(guān)這一角色，網(wǎng)關(guān)負責把MQTT-SN協(xié)議轉(zhuǎn)換為MQTT協(xié)議，并和遠端的MQTTBroker進行通信。MQTT-SN協(xié)議支持網(wǎng)關(guān)的自動發(fā)現(xiàn)。MQTT-SN協(xié)議的通信模型如下圖1-2所示：圖1-2MQTT-SN架構(gòu)圖MQTT-SN針對低功耗、電池驅(qū)動、處理存儲受限的設(shè)備，不支持TCP/IP協(xié)議棧的電子器件來定制，比如常見的ZigBee（或XBee），對所依賴的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)不可知，但只要網(wǎng)絡(luò)支持雙向數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)關(guān)，都是可以支持較為上層的MQTT-SN協(xié)議傳輸。比如簡單數(shù)據(jù)報服務，只要支持一個源端點發(fā)送數(shù)據(jù)到一個特定目的地端點。廣播數(shù)據(jù)報傳輸服務也是必須的用于網(wǎng)關(guān)和終端的自動發(fā)現(xiàn)流程。為了降低廣播風暴，MQTT-SN定義了廣播路徑深度（廣播范圍或廣播半徑）。盡管MQTT-SN被設(shè)計成盡可能接近于MQTT，但那些低功耗、電池驅(qū)動、資源受限的設(shè)備所在網(wǎng)絡(luò)場景為低速帶寬、高連接失敗、物理層數(shù)據(jù)包上線為128字節(jié)。文檔提出了以下不同點：CONNECT消息被拆分成三個消息（CONNECT，WILLTIPIC，WILLMSG），后兩者用于客戶端傳遞遺囑主題和遺囑消息等。在PUBLISH消息中主題（topicname）被替換成兩個字節(jié)長度自然數(shù)（topicid），這個需要客戶端通過注冊流程進行獲取對應的topicid。預定義（提前定義）topicid和topicname，省去中間注冊流程，客戶端和網(wǎng)關(guān)要求提前在其固件中指定。協(xié)議引入的自動發(fā)現(xiàn)機制可幫助客戶端發(fā)現(xiàn)潛在的網(wǎng)關(guān)。若存在多個網(wǎng)關(guān)，彼此可協(xié)調(diào)是為主從互備或者負載均衡?！癱leansession”即可作用于訂閱持久化，也被擴展作用于遺囑特性（遺囑主題和遺囑消息）。針對休眠設(shè)備增加離線保活機制支持，當有消息時代理需要緩存，客戶端被喚醒時再發(fā)送。3CoAP協(xié)議CoAP（ConstrainedApplicationProtocol）協(xié)議是運行在資源緊張的設(shè)備上的協(xié)議。CoAP協(xié)議通常也是運行在UDP協(xié)議（傳輸層協(xié)議）上的。CoAP協(xié)議設(shè)計的非常小，最小的數(shù)據(jù)包僅有4個字節(jié)。CoAP協(xié)議采用C/S架構(gòu)，運行在web傳輸，與http協(xié)議類似，通過請求-響應實現(xiàn)。設(shè)備可以通過類似于coap://50:5683/2ndfloor/temperature的URL來標識一個實體，并使用類似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET請求指令來獲取或者修改這個實體的狀態(tài)。同時，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可以通過OBSERVE指令向CoAP服務器指明觀察的實體對象。當實體對象的狀態(tài)發(fā)生變化時，觀察者就可以收到實體對象的最新狀態(tài)，類似于MQTT協(xié)議中的訂閱功能。CoAP協(xié)議的通信模型如下圖1-3所示：圖1-3CoAP協(xié)議架構(gòu)4LwM2M協(xié)議LwM2M（LightweightMachine-To-Machine）協(xié)議是由OpenMobileAlliance（OMA）定義的一套適用于物聯(lián)網(wǎng)的輕量級協(xié)議。它使用RESTful接口，提供設(shè)備的接入、管理和通信功能，也適用于資源比較緊張的設(shè)備。LwM2M協(xié)議的架構(gòu)如下圖1-4所示：圖1-4LwM2M協(xié)議架構(gòu)LwM2M協(xié)議底層使用CoAP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和信令。而在LwM2M協(xié)議的架構(gòu)中，CoAP協(xié)議可以運行在UDP或者SMS（短信）之上，通過DTLS（數(shù)據(jù)報傳輸層安全）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。LwM2M協(xié)議架構(gòu)主要包含3種實體——LwM2MBootstrapServer、LwM2MServer和LwM2MClient。LwM2MBootstrapServer負責引導LwM2MClient注冊并接入LwM2MServer，之后LwM2MServer和LwM2MClient就可以通過協(xié)議指定的接口進行交互了。5HTTP協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)也是互聯(lián)網(wǎng)，HTTP這個在互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應用的協(xié)議，在合適的環(huán)境下也可以應用到物聯(lián)網(wǎng)中。在一些計算和硬件資源比較充沛的設(shè)備上，比如運行安卓操作系統(tǒng)的設(shè)備，完全可以使用HTTP協(xié)議上傳和下載數(shù)據(jù)，就好像在開發(fā)移動應用一樣。設(shè)備也可以使用運行在HTTP協(xié)議上的WebSocket主動接收來自服務器的數(shù)據(jù)。6LoRaWAN協(xié)議LoRaWAN協(xié)議是由LoRa聯(lián)盟提出并推動的一種低功率廣域網(wǎng)協(xié)議，它和我們之前介紹的幾種協(xié)議有所不同。MQTT協(xié)議、CoAP協(xié)議都是運行在應用層，底層使用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，整個協(xié)議棧運行于IP網(wǎng)絡(luò)，而LoRaWAN協(xié)議則是物理層/數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，其解決的是設(shè)備如何接入互聯(lián)網(wǎng)的問題，并不運行在IP網(wǎng)絡(luò)上。LoRa（LongRange）是一種無線通信技術(shù)，它具有使用距離遠、功耗低的特點。在上面的場景下，用戶就可以使用LoRaWAN技術(shù)進行組網(wǎng)，在工程設(shè)備上安裝支持LoRa的模塊。通過LoRa的中繼設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)往位于隧道外部的、有互聯(lián)網(wǎng)接入的LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)封裝，變成可以在IP網(wǎng)絡(luò)中通過TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議包（比如MQTT協(xié)議），然后發(fā)往云端的數(shù)據(jù)中心。7NB-IoT協(xié)議NB-IoT（NarrowBandInternetofThings）協(xié)議和LoRaWAN協(xié)議一樣，接入設(shè)備是在物理層/數(shù)據(jù)鏈路層進行接入的協(xié)議。與LoRA不同的是，NB-IoT協(xié)議構(gòu)建和運行在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，消耗的帶寬較低