物联网协议科普

物联网技术框架体系中所使用到的通讯协议主要有:

AMQP、JMS、REST、HTTP/HTTPS、COAP、DDS 、MQTT等。

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物联网联接的问题空间

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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。

这些协议的简单介绍:

•    MQTT (Message Queuing Telemetry Transport ),消息队列遥测传输,IBM开发的一个即时通讯协议,现在成了OASIS的建议标准;

•    DDS(DataDistribution 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;

•    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;

•    XMPP(Extensible Messaging and PresenceProtocol)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;

•    JMS (Java Message Service),JAVA消息服务,这是JAVA平台中著名的消息队列协议;

•    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;

•    CoAP (Constrained Application Protocol),受限应用协议,应用于无线传感网中协议。

以上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。

下面我们将一一详细介绍下这些协议:

MQTT协议(低带宽)

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:

已经有PHP,JAVA,Python,C,C#等多个语言版本的协议框架

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

移动应用程序也早就开始使用MQTT,如 Facebook Messenger 和com等

MQTT 协议在网络中定义了两种实体类型:一个消息代理和一些客户端。代理是一个服务器,它从客户端接收所有消息,然后将这些消息路由到相关的目标客户端。客户端是能够与代理交互来发送和接收消息的任何事物。客户端可以是现场的 IoT 传感器,或者是数据中心内处理 IoT 数据的应用程序。

1.客户端连接到代理。它可以订阅代理中的任何消息“主题”。此连接可以是简单的    TCP/IP 连接,也可以是用于发送敏感消息的加密 TLS 连接。

2.客户端通过将消息和主题发送给代理,发布某个主题范围内的消息。

3.代理然后将消息转发给所有订阅该主题的客户端。

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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。

MQTT中文网:

https://mcxiaoke.gitbooks.io/mqtt-cn/content/mqtt/02-ControlPacketFormat.html

DDS协议(高可靠性、实时) DataDistributionServiceforReal-timeSystems

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

OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现

OpenSplice DDS

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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。

参考:https://blog.csdn.net/DDS_CSIT/article/details/104922973

AMQP协议(互操作性)Advanced Message Queuing Protocol(高级消息队列协议)

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

Erlang中的实现有RabbitMQ

AMQP的开源实现,用C语言编写OpenAMQ

Apache Qpid

stormMQ

AMQ Model的整体架构

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可以把AMQP的架构理解为一个邮件服务:

1.一个AMQP消息类似于一封邮件信息

2.消息队列类似于一个邮箱(Mailbox)

3.消费者类似一个邮件客户端,能够拉取和删除邮件。

4.交换器类似一个MTA(邮件服务器)。检查邮件,基于邮件里的路由信息、路由表,来决定如何把邮件发送到一个或多个邮箱里。

5.Routing Key类似于邮件中的To:,Cc:,Bcc:的地址。不包含服务端信息。

6.每一个交换器实例,类似于各个MTA

参考文档:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/147675691

https://blog.csdn.net/weixin_37641832/article/details/83270778

https://blog.51cto.com/caczjz/2148164

XMPP协议(即时通信)

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

XMPP协议基于XML文本来传输的即时通讯指令,它原来的设计目的是互联互通即时通讯服务的,在一些物联网应用中,它被用作发送比较复杂的操作命令到设备端来进行设备控制。

REST/HTTP(松耦合服务调用)

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。

Rest就是选择http协议和uri,利用client/server模式对资源进行CRUD操作

特点:

1.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

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

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

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:

1.CoAP采用了二进制报头,而不是HTTP协议中的文本报头(text header)

2.CoAP降低了头的内容类型选项数量,例如去掉了text/html (UTF-8)、image/jpeg、video/raw等

协议主要实现

libcoap(C语言实现)

Californium(java语言实现)

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。

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。

point to point (queuing)

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publish-subscribe (topic)

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SSDP 简单服务发现协议

SSDP 简单服务发现协议,是应用层协议,是构成UPnP(通用即插即用)技术的核心协议之一。它为网络客户端(network client)提供了一种发现网络服务(network services)的机制,采用基于通知和发现路由的多播方式实现。

UPnP协议编程实践

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/other/UPnP/part1/index.html

mDNSmulticast DNS

规范文档地址: http://www.ietf.org/rfc/rfc6762.txt。

使用范围:实现局域网内的服务发现,查询,注册。

mdns 使用组播地址为: 224.0.0.251 (ipv6: FF02::FB) 端口为5353,mdns 是用于局域网内部的,并且主机的域名为.local 结尾,每个进入局域网的主机,如果开启了mDNS服务的话,都会向局域网内的所有主机组播一个消息,我是谁(域名),和我的IP地址是多少。然后其他有mdns服务的主机就会响应,也会告诉你,它是谁(域名),它的IP地址是多少。 当然设备需要服务时,就是使用mdns 查询域名对对应的ip地址,对应的设备收到该报文后同样通过组播方式应答,此时其他主机设备也是可以收到该应答报文,其他主机也会记录域名和ip 以及ttl 等,更新缓存

Java:jmDNS

Android:NsdManager

mNsdManager = (NsdManager) mContext.getSystemService(Context.NSD_SERVICE);

通讯协议比较

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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。