通信对物联网来说十分关键,无论是近距离无线传输技术还是移动通信技术,甚至是LPWAN都影响着物联网的发展。通信协议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?众多的协议该如何选择?

人们一般将物联网通信协议分为两大类,一类是接入协议,一类是通讯协议。接入协议一般负责子网内设备间的组网及通信;通讯协议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。

如何建议和选择物联网通信协议

润博君为大家罗列下市面上物联网协议,总结下它们各自特点、特定的物联网应用场景等。

如何建议和选择物联网通信协议

上图为物联网联接的问题空间,其中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。从以下几个维度对物联网常见的几种协议进行阐述。

NB-IoT,LORA,WIFI,蓝牙,zigbee,4G都是需要硬件支撑的。

MQTT,COAP,HTTP都是应用层协议,需要连接服务器,现在有很多物联网平台,比如阿里云,腾讯云,华为云等等。

所以(MQTT,COAP,HTTP)是居于(NB-IoT,LORA,WIFI,蓝牙,zigbee,4G)的上层协议物理层中。

不需要网关:NB-IoT,2G/4G/5G(芯片可以直接跟运营商:移动,联通,电信等运营商网络通信。)

需要网关:LORA,WIFI,zigbee(不能直接连上电信运营商,需要通过一个网关中转才能连接网络。)

蓝牙设备之间可以通信。

NB-IoT低功耗,传输小数据,传输速度底,芯片模组和套餐便宜。目前NB基站还较少,不过华为在大力推这个通信方式,相信以后会普及。

2G/4G/5G:传输速度快和可以传输大的数据,但是功耗高,价格贵

WIFI和zigbee对比:

wifi 功耗高,传输速率大11-54Mbps,功耗高10-50mA,距离短20-50m。一个路由只能加入较少设备。

zigbee功耗低,传输数据慢100Kbps,功耗20mA,可以中继,距离远几百到几千米。一个zigbee网关可以加入成千上万的zigbee设备。

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。

一、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;其适用范围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。

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;客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的;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;使用的是标准的 HTTP方法,比如 GET、PUT、POS和DELETE。

因此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RESTAPI的方式,把数据服务开放出去,被互联网中其他应用所调用。

二、 CoAP协议

CoAP(Constrained Application Protocol),受限应用协议,应用于无线传感网中协议,简化了HTTP协议的RESTful API,CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议,适用于在资源受限的通信的IP网络。CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。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。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。其建立在UDP协议之上,以减少开销和支持组播功能。

同时它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。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。CoAP协议支持异步通信,对M2M通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。为了自主的发现和使用资源,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。

协议主要实现:

·libcoap(C语言实现)

·Californium(java语言实现)

CoAP和6LowPan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。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。

三、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在协议设计时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。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。

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。它在低带宽、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。

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。

协议特点:

· 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

· 使用 TCP/IP 提供网络连接

· 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

· 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”

四、DDS协议(高可靠性、实时)

DDS(Data Distribution Service for Real-TimeSystems),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。因为其分布式高可靠性、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。

协议特点:

· 以数据为中心

· 使用无代理的发布/订阅消息模式,点对点、点对多、多对多

· 提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现:

· OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现

· OpenSplice DDS

DDS可以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。

五、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。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。

协议特点:

· Wire级的协议描述了在网络上传输的数据的格式,以字节为流

· 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:

· Erlang中的实现有 RabbitMQ

· stormMQ

· AMQP的开源实现,用C语言编写OpenAMQ

· Apache Qpid

六、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。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。

协议特点:

· 客户机/服务器通信模式

· 分布式网络

· 简单的客户端,将大多数工作放在服务器端进行

· 标准通用标记语言的子集XML的数据格式

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。

七、JMS(Java Message Service)

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,绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持,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。

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。

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:

八、物联网协议对比

如何建议和选择物联网通信协议

l  协议应用的侧重方向

上述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。

九、物联网协议的选择

DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于发布/订阅模式,发布/订阅框架具有服务自发现、动态扩展、事件过滤的特点,它解决了物联网系统在应用层的数据源快速获取、物的加入和退出、兴趣订阅、降低带宽流量等问题,实现物的联接在空间上松耦合(双方无需知道通信地址)、时间上松耦合和同步松耦合。

在服务策略的帮助下,DDS能够有效地控制和管理网络带宽、内存空间等资源的使用,同时也能控制数据的可靠性、实时性和数据的生存时间,通过灵活使用这些服务质量策略,DDS不仅能在窄带的无线环境上,也能在宽带的有线通信环境上开发出满足实时性需求的数据分发系统。

消息触达能力是物联网(internetofthings, IOT)的重要支撑,而物联网很多技术都源于移动互联网。柳猫将阐述移动互联网消息推送技术在物联网中的应用和演进。

十、物联网架构和关键技术

从开发的角度,无线接入是物联网设备端的核心技术,身份设备管理和消息推送技术是物联网云端的核心技术。而从场景体验的角度,除了前者,还要包括手机的前端开发技术。

我们先进一步抽象基于IP架构的物联网组成,如下图(忽略internet和路由等基础技术):

如何建议和选择物联网通信协议

可见,核心组成就是物联设备、网关和云端。物联设备分为两类,一类是其自身天然支持TCP/IP而能直接接入物联网,如wifi、GPRS/3G/4G/5G等设备;另一类是其未能支持IP协议而需要网关(协议转换)来接入物联网,如Zigbee、蓝牙等设备。对于蓝牙设备而言,手机其实是一个网关。

手机通过自身的蓝牙跟外设蓝牙设备通信,并将消息通过手机的wifi或者3G/4G/5G模块与云服务端通信。

如何建议和选择物联网通信协议

从场景的角度来分析,物联网最终是给人类服务的,而手机是人类体验的最直接入口。因此在上图中可以单独添加手机组成部分,并将其与一般意义上的网关区分出来。这样物联网核心组成就是:设备端—网关—云端—手机。

从应用层开发技术的角度来看,物联网应用是基于TCP/IP架构建立,在屏蔽底层的网关协议转换的基础上,物联网应用的组成部分就是:设备端—云端—手机。

从物联网应用的角度来分析设备、云端、手机直接的消息推送技术,它包括云端和设备端的双向通信技术、手机和云端的双向通信技术。

十一、移动互联网通信模式

互联网有B/S和C/S两种通信模式。在移动互联网领域,APP是以C/S的方式以client的角色跟服务器server进行通信;而微信是一个超级APP,其是通过内置浏览器让用户进行H5编程以获得操控硬件设备的能力,因此微信硬件平台的通信模块是B/S模式。

如何建议和选择物联网通信协议

移动互联网B/S技术跟传统互联网没有区别,微信内置浏览器支持H5,因此可以获得很好的平台扩展性。我们近期重点关注基于微信硬件平台的物联网,因此就围绕B/S模式的消息推送技术讲述其演进。