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常见的物联网协议

时间:2022-03-08

 
常见的物联网协议
 
1. MQTT协议
 
MQTT协议(Message Queue Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议)是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求,MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点:
 
■ 实现简单
■ 提供数据传输的QoS
■ 轻量、占用带宽低
■ 可传输任意类型的数据
■ 可保持的会话(Session)
 
随着多年的发展,MQTT协议的重点不再只是嵌入式系统,而是更广泛的物联网世界。
 
简单来说,MQTT协议有以下特性:
 
■ 基于TCP协议的应用层协议
■ 采用C/S架构
■ 使用订阅/发布模式,将消息的发送方和接受方解耦
■ 提供3种消息的QoS(Quality of Service):至多一次、最少一次、只有一次
■ 收发消息都是异步的,发送方不需要等待接收方应答
 
MQTT协议的架构由Broker和连接到Broker的多个Client组成,如图2-1所示。
 
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MQTT协议可以为大量的低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。而它在移动互联网领域也大有作为,很多Android App的推送功能都是基于MQTT协议实现的,一些IM的实现也是基于MQTT协议的。
 
2. MQTT-SN协议
 
MQTT-SN(MQTT for Sensor Network)协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议,但是MQTT协议是运行于TCP协议栈之上的,TCP协议对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说,比如传感器,就不太适用了。
 
MQTT-SN运行在UDP协议上,同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性,如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色,网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议,并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如图2-2所示。
 
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3. CoAP协议
 
CoAP(Constrained Application Protocol)协议是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。CoAP协议通常也是运行在UDP协议上的。
 
CoAP协议设计得非常小巧,最小的数据包只有4个字节。CoAP协议采用C/S架构,使用类似于HTTP协议的请求-响应的交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL来标识一个实体,并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。
 
同时,CoAP提供一种观察模式,观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时,观察者就可以收到实体对象的最新状态,类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP协议的通信模型如图2-3所示。 
 
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4. LwM2M协议
 
LwM2M( Lightweight Machine-To-Machine )协议是由Open Mobile Alliance(OMA)定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful接口,提供设备的接入、管理和通信功能,也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如图2-4所示。
 
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LwM2M协议底层使用CoAP协议传输数据和信令。而在LwM2M协议的架构中,CoAP协议可以运行在UDP或者SMS(短信)之上,通过DTLS(数据报传输层安全)来实现数据的安全传输。
 
LwM2M协议架构主要包含3种实体——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。
 
LwM2M Bootstrap Server负责引导LwM2M Client注册并接入LwM2M Server,之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通过协议指定的接口进行交互了。
 
5. HTTP协议
 
正如我们之前所讲,物联网也是互联网,HTTP这个在互联网中广泛应用的协议,在合适的环境下也可以应用到物联网中
 
在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上,比如运行安卓操作系统的设备,完全可以使用HTTP协议上传和下载数据,就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP协议上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。
 
6. LoRaWAN协议
 
LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议,它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP协议都是运行在应用层,底层使用TCP协议或者UDP协议进行数据传输,整个协议栈运行在IP网络上。而LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议,它解决的是设备如何接入互联网的问题,并不运行在IP网络上。
 
LoRa(Long Range)是一种无线通信技术,它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下,用户就可以使用LoRaWAN技术进行组网,在工程设备上安装支持LoRa的模块。
 
通过LoRa的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的LoRa网关,LoRa网关再将数据封装成可以在IP网络中通过TCP协议或者UDP协议传输的数据协议包(比如MQTT协议),然后发往云端的数据中心。
 
7. NB-IoT协议
 
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)协议和LoRaWAN协议一样,是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。
 
与LoRA不同的是,NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上,消耗的带宽较低,可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡,然后连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换,接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。
 
NB-IoT协议相比传统的基站,增益提高了约20dB,可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。
 
更多关于从0到1搭建物联网平台的方法,推荐阅读《物联网系统开发:从0到1构建物联网IoT平台》。
 
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关于作者:付强,资深物联网技术专家,有10余年从业经验,专注于物联网平台和产品的设计与开发,非常熟悉各种物联网协议和物联网系统的架构与开发。现就职于某智慧社区解决方案企业的联合创始人兼CTO, 曾就职于趋势科技、诺基亚中国,以及德国和美国硅谷的初创公司。
 

本文摘编自《物联网系统开发:从0到1构建IoT平台》,经出版方授权发布。

来源:IoT物联网技术(ID:IoT-Tech-Expo)


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