前面讲到的通信技术,目的是让物联网设备能够接入网络。打个不是十分恰当的比方,好比有人修了一条路,让你能够找到马云。但是到了马云面前,你上来就是一通只有家乡的方言,马云多半听不懂啊。
人与人之间的交流,需要使用同一种语言,物联网设备之间的沟通也是如此。物联网之间的沟通使用的语言,就是网络协议。
6 物联网的通信协议
我们最常接触的网络协议可能就是http协议了。Http协议是互联网的主流网络协议,在日常的web开发中,总是要和它打交道。物联网中,也有一些自己的协议,这些都是和物联网通信的特点相关的。
6.1 物联网通信的特点
物联网通信的特点和物联网设备所处的环境有很大的关系。
- 物联网设备很大可能工作在不可靠、高延迟的网络环境中。
比如共享单车,如果使用的NB-IoT这样的通信技术,本身的通信速率就低,如果被停在信号不稳定的地方,通信质量就更差。 这样的情况下,如果使用HTTP这样的协议,需要先简历连接,发出请求,等待响应,很可能连接经常中断,需要多次交互才能够完成一次请求,用户开个锁就需要等待很长时间。
- 物联网系统中,设备数量多,并且相互之间的交互关系比较复杂。
比如智能家居,家里的多种物联网设备之间是有相互关联的,如果让物联网平台对每个设备做权限控制和数据阈值的限制,基本不现实。这个时候,需要将一个家作为一个整体来处理,简化交互逻辑。
- 设备流动性大
大的比如共享单车,不断有新设备加入,也不断有设备退出。小的如智能家居,你也不希望换一个温度监控设备,就进行一段配置。因此,网络通信协议需要具备可伸缩性。
由于以上的这些特点,物联网中的网络通信协议一般情况下使用发布-订阅模式。
6.2 发布-订阅模式
发布-订阅模式,使用过消息队列的人员应该都不陌生。这个模式包含3个角色:发布者(Publisher)、经纪人(Broker)和订阅者(Subscriber)。 三者之间的关系如下图所示:
为什么说发布-订阅模式适合物联网系统呢?因为在物联网场景中,一个传感器数据需要出发多个服务或者终端,并且这种出发需要是可扩展的。比如我们在窗户上安装防盗系统,在开启期间发现有人开启窗户,需要通知摄像头录像、通知声光报警器报警、推送消息到主人的手机等等。并且,将来可能还需要有新的防盗设备接入。那么,最好让摄像头、报警器、手机等都订阅“窗户异常开启”这个主题,将来有新的设备,也可以监听这个主题。这样,消息的生产者和消费者之间就进行了解耦。
常用的发布-订阅模式的协议有哪些呢?
6.2.1 MQTT协议
MQTT的全称是Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输。
MQTT协议是一个轻量级的网络协议,有3个特点:
- 采用二进制的消息内容编码格式。
- 协议头紧凑,交互简单。
- 支持3种消息传递语义(最少一次、最多一次、恰好一次)。
MQTT格式简洁、占用带宽小的特色,非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备。另外,由于MQTT几乎支持所有的平台,得到了广泛的应用,基本上是现在物联网系统事实上的网络协议标准。
后面我们会详细讲讲MQTT的内容。这里我们只需要大致的了解这些就够了。
6.2.2 AMQP
AMQP也是一个缩写,全称是Advanced Message Queuing Protocol,高级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准。
AMQP也是采用的二进制消息格式,也支持3种消息传递语义。
AMQP的特点是可靠、通用,但是AMQP定义了庞大的特性集,是一个重量级的协议,不适合对功耗要求严格、计算能力有限的设备。但是很多后台的消息队列是支持AMQP协议的,比如RabbitMQ。
6.3 请求-响应模式
有些情况下,物联网设备也需要使用请求-响应模式。最典型的就是小区里的快递柜。用户在终端设备(通常是计算机终端)输入取件码之后,终端设备向服务器发送验证请求,需要知道验证的结果。这种场景下,请求-响应模式就比较适合。
6.3.1 HTTP
我们经常接触的请求-响应模式的网络协议就是HTTP协议,这个大家应该都很熟悉(不属性的自己上网搜资料看看哈)。
HTTP协议的报文格式很重,不太适合资源有限的嵌入式设备。但是在资源充足的设备上,还是可以考虑的。并且使用HTTP能够利用已有的Web服务资源。
6.3.2 CoAP协议
有没有轻量级的请求-响应协议呢?CoAP就是一种。CoAT的全称是Constrained Application Protocal (受限的应用协议)。
和HTTP协议一样,CoAP协议也使用URI来标识资源,也有GET,POST,PUT,DELETE等方法,也有响应状态码。
CoAP的消息采用二进制格式,支持可确认消息和不可确认消息两种(也就是最多一次和最少一次的消息传递语义)。协议包头小,仅为4个字节。同时,CoAP采用UDP传输协议,对应设备的计算资源要求更低。
6.3.2 LwM2M
LwM2M的全称是Lightweight Machine-to-Machine,轻量级物联网协议。LwM2M协议是基于CoAP协议的,提供了一组轻量级设备关联和交互接口协议。和CoAP一样,适用于资源有限的终端设备管理。
6.4 通信协议的共存
但是,现在通信协议的发展方向则是同时支持发布-订阅模式和请求-响应模式。MQTT 5.0种添加了对请求-响应模式的支持,AMQP 1.0版本种也支持请求-响应模式。CoAP最新的草稿版本种,也增加了发布-订阅模式。