物联网通信协议的详解及选择建议

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？

我们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（文章《常见物联网近距离无线通信技术解析》有详细介绍）；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。

本文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。

物联网联接的问题空间

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。

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。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：

· 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、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：

· libcoap（C语言实现）

· 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：

· 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”

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

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。