物联网大数据通信协议

梅达尔多

　　物联网终端的种类非常多，包括物联网网关、通信模块以及大量的行业终端，其中尤以行业终端的种类最为丰富。通信模块是物联网应用终端的基础。物联网的行业终端种类繁多，体积、处理能力、对外接口等各不相同，通信模块将成为物联网智能服务通道的统一承载体，嵌入各种行业终端，为各行各业提供物联网的智能通道服务。而在通信中，通信协议尤其重要，是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，而且根据终端环境的不同对通信协议的要求完全不一致。

      那么物联网都有哪些通信协议? 你都了解吗? 他们适用的环境又是如何?

　　与互联网时代TCP/IP，HTTP一统天下的局面不同，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。

　　1.REST(松耦合服务调用)

　　REST即表述性状态传递(英文：Representational State Transfer，简称REST)是Roy Fielding博士在2000年他的博士论文中提出来的一种软件架构风格。它是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性。

　　而REST被应用于物联网主要是基于HTTP web服务的转化，因为REST模式的Web服务与复杂的SOAP和XML-RPC对比来讲明显的更加简洁，越来越多的web服务开始采用REST风格设计和实现。

　　特点：

　　1. 给一切物体一个ID

　　2.连接物体在一起

　　3.使用标准方法

　　4.资源多重表述

　　5.无状态通信

　　REST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，所以它非常利于服务平台与物联终端的独立开发，但它的通讯数据量与API内容密切相关，且是一种无状态通信，对安全机制需要重新设计。

　　2.CoAP协议

　　由于物联网中的很多设备都是资源受限型的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。 IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。

　　CoAP是一种应用层协议，它运行于UDP协议之上而不是像HTTP那样运行于TCP之上。CoAP协议非常的小巧，最小的数据包仅为4字节。

　　CoAP协议是否可以替换HTTP协议?

　　CoAP并不能替代HTTP协议，但是对于那些小设备(256KB Flash 32KB RAM 20MHz主频)而言CoAP的确是一个好的解决方案。

　　CoAP消息类型

　　CoAP采用和HTTP协议相同的请求响应工作模式。CoAP协议共有4中不同的消息类型。

　　CON——需要被确认的请求，如果CON请求被发送，那么对方必须做出响应。

　　NON——不需要被确认的请求，如果NON请求被发送，那么对方不必做出回应。

　　ACK——应答消息，如果接受到CON消息的响应。

　　RST——复位消息，当接收者接受到的消息包含一个错误，接受者解析消息或者不再关心发送者发送的内容，那么复位消息将会被发送。

　　CoAP消息结构

　　一个CoAP消息最小为4个字节，以下是CoAP协议不同部分的描述。

　　【版本Version】：类似于IPv6和IPv6，仅仅是一个版本号。

　　【消息类型Message Type】：CON，NON，ACK，RST。这些消息类型相当于HTTP协议的PUTGET等

　　【消息ID Message ID】：每个CoAP消息都有一个ID，在一次会话中ID总是保持不变。但是在这个会话之后该ID会被回收利用。

　　【标记 Token】：标记是ID的另一种表现、

　　【选项 Options】：CoAP选项类似于HTTP请求头，它包括CoAP消息本身，例如CoAP端口号，CoAP主机和CoAP查询字符串等。

　　【负载Payload】：真正有用的被交互的数据。

　　在当前由PC机组成的世界，信息交换是通过TCP和应用层协议HTTP实现的。但是对于小型设备而言，实现TCP和HTTP协议显然是一个过分的要求。为了让小设备可以接入互联网，CoAP协议被设计出来。

　　3.MQTT协议(低带宽)

　　MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

　　MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：

　　1)使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。

　　2)对负载内容屏蔽的消息传输机制。

　　3)对传输消息有三种服务质量(QoS)：

　　最多一次，这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

　　至多一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1

　　只有一次，确保消息只有一次到达。即：=1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别

　　4)数据传输和协议交换的最小化(协议头部只有2字节)，以减少网络流量

　　5)通知机制，异常中断时通知传输双方

　　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。

　　协议实现方式：

　　




　　实现MQTT协议需要：客户端和服务器端

　　MQTT协议中有三种身份：发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

　　MQTT传输的消息分为：主题(Topic)和负载(payload)两部分

　　Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe)后，就会收到该主题的消息内容(payload)

　　payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容

　　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。

　　4.DDS协议(高可靠性、实时)

　　数据分发服务DDS(Data Distribution Service)是对象管理组织(OMG)在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范，DDS采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，能保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。DDS信息分发中间件是一种轻便的、能够提供实时信息传送的中间件技术。

　　特点：

　　1) 灵活的发布/订阅模式

　　2) 完整DDS规范QoS服务质量策略

　　3) 已扩展的QoS服务质量策略

　　4) 互操作

　　5) 强实时

　　6) 跨平台

　　7) 支持多种底层物理通信协议

　　8) 仿真→测试→实装的全生命周期支持

　　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。

　　5.AMQP协议(互操作性)

　　AMQP，即Advanced Message Queuing Protocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可传递消息，并不受客户端/中间件不同产品，不同的开发语言等条件的限制。Erlang中的实现有 RabbitMQ等。

　　AMQP协议是一个二进制协议，拥有一些现代特点：多信道、协商式、异步、安全、跨平台、中立、高效。

　　AMQP通常被划分为三层：

　　模型层定义了一套命令(按功能分类)，客户端应用可以利用这些命令来实现它的业务功能。

　　会话层负责将命令从客户端应用传递给服务器，再将服务器的应答传递给客户端应用，会话层为这个传递过程提供可靠性、同步机制和错误处理。

　　传输层提供帧处理、信道复用、错误检测和数据表示。

　　实现者可以将传输层替换成任意传输协议，只要不改变AMQP协议中与客户端应用程序相关的功能。实现者还可以使用其他高层协议中的会话层。

　　AMQP协议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。

　　6.XMPP协议(即时通信)

　　XMPP是一种基于标准通用标记语言的子集XML的协议，它继承了在XML环境中灵活的发展性。因此，基于XMPP的应用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP可以通过发送扩展的信息来处理用户的需求，以及在XMPP的顶端建立如内容发布系统和基于地址的服务等应用程序。而且，XMPP包含了针对服务器端的软件协议，使之能与另一个进行通话，这使得开发者更容易建立客户应用程序或给一个配好系统添加功能。

　　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协议是自由、开放、公开的，并且易于了解。而且在客户端、服务器、组件、源码库等方面，都已经各自有多种实现。但随着通常超过70%的XMPP协议的服务器的数据流量的存在和近60%的被重复转发，XMPP协议目前拥有一个大型架空中存在的数据提供给多个收件人。适用于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。