常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議
1. MQTT協(xié)議
MQTT協(xié)議（Message Queue Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年為了一個(gè)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接輸油管道的項(xiàng)目開發(fā)的。為了滿足低電量消耗和低網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，MQTT協(xié)議在設(shè)計(jì)之初就包含了以下幾個(gè)特點(diǎn)：
■ 實(shí)現(xiàn)簡單
■ 提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS
■ 輕量、占用帶寬低
■ 可傳輸任意類型的數(shù)據(jù)
■ 可保持的會(huì)話（Session）
隨著多年的發(fā)展，MQTT協(xié)議的重點(diǎn)不再只是嵌入式系統(tǒng)，而是更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)世界。
簡單來說，MQTT協(xié)議有以下特性：
■ 基于TCP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議
■ 采用C/S架構(gòu)
■ 使用訂閱/發(fā)布模式，將消息的發(fā)送方和接受方解耦
■ 提供3種消息的QoS（Quality of Service）：至多一次、最少一次、只有一次
■ 收發(fā)消息都是異步的，發(fā)送方不需要等待接收方應(yīng)答
MQTT協(xié)議的架構(gòu)由Broker和連接到Broker的多個(gè)Client組成，如圖2-1所示。
MQTT協(xié)議可以為大量的低功率、工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供通信保障。而它在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也大有作為，很多Android App的推送功能都是基于MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，一些IM的實(shí)現(xiàn)也是基于MQTT協(xié)議的。
2. MQTT-SN協(xié)議
MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協(xié)議是MQTT協(xié)議的傳感器版本。MQTT協(xié)議雖然是輕量的應(yīng)用層協(xié)議，但是MQTT協(xié)議是運(yùn)行于TCP協(xié)議棧之上的，TCP協(xié)議對(duì)于某些計(jì)算能力和電量非常有限的設(shè)備來說，比如傳感器，就不太適用了。
MQTT-SN運(yùn)行在UDP協(xié)議上，同時(shí)保留了MQTT協(xié)議的大部分信令和特性，如訂閱和發(fā)布等。MQTT-SN協(xié)議引入了MQTT-SN網(wǎng)關(guān)這一角色，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把MQTT-SN協(xié)議轉(zhuǎn)換為MQTT協(xié)議，并和遠(yuǎn)端的MQTT Broker進(jìn)行通信。MQTT-SN協(xié)議支持網(wǎng)關(guān)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。MQTT-SN協(xié)議的通信模型如圖2-2所示。
3. CoAP協(xié)議
CoAP（Constrained Application Protocol）協(xié)議是一種運(yùn)行在資源比較緊張的設(shè)備上的協(xié)議。CoAP協(xié)議通常也是運(yùn)行在UDP協(xié)議上的。
CoAP協(xié)議設(shè)計(jì)得非常小巧，最小的數(shù)據(jù)包只有4個(gè)字節(jié)。CoAP協(xié)議采用C/S架構(gòu)，使用類似于HTTP協(xié)議的請(qǐng)求-響應(yīng)的交互模式。設(shè)備可以通過類似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL來標(biāo)識(shí)一個(gè)實(shí)體，并使用類似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET請(qǐng)求指令來獲取或者修改這個(gè)實(shí)體的狀態(tài)。
同時(shí)，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可以通過OBSERVE指令向CoAP服務(wù)器指明觀察的實(shí)體對(duì)象。當(dāng)實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，觀察者就可以收到實(shí)體對(duì)象的最新狀態(tài)，類似于MQTT協(xié)議中的訂閱功能。CoAP協(xié)議的通信模型如圖2-3所示。
4. LwM2M協(xié)議
LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協(xié)議是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的一套適用于物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)協(xié)議。它使用RESTful接口，提供設(shè)備的接入、管理和通信功能，也適用于資源比較緊張的設(shè)備。LwM2M協(xié)議的架構(gòu)如圖2-4所示。
LwM2M協(xié)議底層使用CoAP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和信令。而在LwM2M協(xié)議的架構(gòu)中，CoAP協(xié)議可以運(yùn)行在UDP或者SMS（短信）之上，通過DTLS（數(shù)據(jù)報(bào)傳輸層安全）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。
LwM2M協(xié)議架構(gòu)主要包含3種實(shí)體——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。
LwM2M Bootstrap Server負(fù)責(zé)引導(dǎo)LwM2M Client注冊(cè)并接入LwM2M Server，之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通過協(xié)議指定的接口進(jìn)行交互了。
5. HTTP協(xié)議
正如我們之前所講，物聯(lián)網(wǎng)也是互聯(lián)網(wǎng)，HTTP這個(gè)在互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的協(xié)議，在合適的環(huán)境下也可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中。
在一些計(jì)算和硬件資源比較充沛的設(shè)備上，比如運(yùn)行安卓操作系統(tǒng)的設(shè)備，完全可以使用HTTP協(xié)議上傳和下載數(shù)據(jù)，就好像在開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用一樣。設(shè)備也可以使用運(yùn)行在HTTP協(xié)議上的WebSocket主動(dòng)接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)。
6. LoRaWAN協(xié)議
LoRaWAN協(xié)議是由LoRa聯(lián)盟提出并推動(dòng)的一種低功率廣域網(wǎng)協(xié)議，它和我們之前介紹的幾種協(xié)議有所不同。MQTT協(xié)議、CoAP協(xié)議都是運(yùn)行在應(yīng)用層，底層使用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)協(xié)議棧運(yùn)行在IP網(wǎng)絡(luò)上。而LoRaWAN協(xié)議則是物理層/數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它解決的是設(shè)備如何接入互聯(lián)網(wǎng)的問題，并不運(yùn)行在IP網(wǎng)絡(luò)上。
LoRa（Long Range）是一種無線通信技術(shù)，它具有使用距離遠(yuǎn)、功耗低的特點(diǎn)。在上面的場景下，用戶就可以使用LoRaWAN技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，在工程設(shè)備上安裝支持LoRa的模塊。
通過LoRa的中繼設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)往位于隧道外部的、有互聯(lián)網(wǎng)接入的LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)封裝成可以在IP網(wǎng)絡(luò)中通過TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議包（比如MQTT協(xié)議），然后發(fā)往云端的數(shù)據(jù)中心。
7. NB-IoT協(xié)議
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）協(xié)議和LoRaWAN協(xié)議一樣，是將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的物理層/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。
與LoRA不同的是，NB-IoT協(xié)議構(gòu)建和運(yùn)行在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，消耗的帶寬較低，可以直接部署到現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備安裝支持NB-IoT的芯片和相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)卡，然后連接到NB-IoT基站就可以接入互聯(lián)網(wǎng)。而且NB-IoT協(xié)議不像LoRaWAN協(xié)議那樣需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，接入的設(shè)備可以直接使用IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
NB-IoT協(xié)議相比傳統(tǒng)的基站，增益提高了約20dB，可以覆蓋到地下車庫、管道、地下室等之前信號(hào)難以覆蓋的地方。
更多關(guān)于從0到1搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的方法，推薦閱讀《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)：從0到1構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺(tái)》。
關(guān)于作者：付強(qiáng)，資深物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專家，有10余年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，專注于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，非常熟悉各種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)與開發(fā)?，F(xiàn)就職于某智慧社區(qū)解決方案企業(yè)的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO， 曾就職于趨勢(shì)科技、諾基亞中國，以及德國和美國硅谷的初創(chuàng)公司。
本文摘編自《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)：從0到1構(gòu)建IoT平臺(tái)》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。
來源：IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(ID：IoT-Tech-Expo)
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