介绍物联网中几个应用协议

本文罗列下市面上物联网通信中的各类消息技术-即工作在网络通信的应用层协议，总结下它们各自特点、特定的物联网应用场景等。

这类协议都直接用于在无线或有线网络环境下的设备之间、人与设备之间的通信，物联网开发者都会与这些协议打交道。

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。

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（Data Distribution 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 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；
• 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。

这儿举个智能家居的例子，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。

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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：

• 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。

DDS协议(高可靠性、实时)

适用范围：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：

• 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

点评：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。

AMQP协议(互操作性)

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：

• 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
• 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

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：

• 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

点评：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。

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

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：

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

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。