通信對物聯(lián)網(wǎng)來說十分常用且關鍵，無論是近距離無線傳輸技術還是移動通信技術，都影響著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

而在通信中，通信協(xié)議尤其重要，是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規(guī)則和約定。那么物聯(lián)網(wǎng)都有哪些通信協(xié)議？

我們將物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分為兩大類，一類是傳輸協(xié)議，一類是通信協(xié)議。

傳輸協(xié)議一般負責子網(wǎng)內設備間的組網(wǎng)及通信。

通信協(xié)議則主要是運行在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議之上的設備通訊協(xié)議，負責設備通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換及通信。

上圖為物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接的問題空間，物聯(lián)網(wǎng)的通信環(huán)境有Ethernet、Wi-Fi、RFID、NFC（近距離無線通信）、Zigbee、6LoWPAN（IPV6低速無線版本）、Bluetooth、GSM、GPRS、GPS、3G、4G等網(wǎng)絡，而每一種通信應用協(xié)議都有一定適用范圍。

AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網(wǎng)，COAP協(xié)議是專門為資源受限設備開發(fā)的協(xié)議，而DDS和MQTT的兼容性則強很多。

互聯(lián)網(wǎng)時代，TCP/IP協(xié)議已經(jīng)一統(tǒng)江湖，物聯(lián)網(wǎng)的通信架構也是構建在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基礎架構之上。

在當前的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議中，HTTP協(xié)議由于開發(fā)成本低，開放程度高，幾乎占據(jù)大半江山，所以很多廠商在構建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時也基于http協(xié)議進行開發(fā)。包括google主導的physic web項目，都是期望在傳統(tǒng)web技術基礎上構建物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準。

HTTP協(xié)議是典型的CS通訊模式，由客戶端主動發(fā)起連接，向服務器請求XML或JSON數(shù)據(jù)。該協(xié)議最早是為了適用web瀏覽器的上網(wǎng)瀏覽場景設計的，目前在PC、手機、pad等終端上都應用廣泛，但并不適用于物聯(lián)網(wǎng)場景。在物聯(lián)網(wǎng)場景中其有三大弊端：

1. 必須由設備主動向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，難以主動向設備推送數(shù)據(jù)。對于簡單的數(shù)據(jù)采集等場景還勉強適用，但是對于頻繁的操控場景，只能推出設備定期主動拉取的的方式，實現(xiàn)成本和實時性都大打折扣。

2. 安全性不高。web的不安全婦孺皆知，HTTP是明文協(xié)議，在很多要求高安全性的物聯(lián)網(wǎng)場景，如果不做很多安全準備工作（如采用https等），后果不堪設想。

3. 不同于用戶交互終端如pc、手機，物聯(lián)網(wǎng)場景中的設備多樣化，對于運算和存儲資源都十分受限的設備，http協(xié)議實現(xiàn)、XML/JSON數(shù)據(jù)格式的解析，都是不可能的任務。

REST/HTTP（松耦合服務調用）

REST （Representational State Transfer），表征狀態(tài)轉換，是基于HTTP協(xié)議開發(fā)的一種通信風格，目前還不是標準。

適用范圍：REST/HTTP主要為了簡化互聯(lián)網(wǎng)中的系統(tǒng)架構，快速實現(xiàn)客戶端和服務器之間交互的松耦合，降低了客戶端和服務器之間的交互延遲。因此適合在物聯(lián)網(wǎng)的應用層面，通過REST開放物聯(lián)網(wǎng)中資源，實現(xiàn)服務被其他應用所調用。

特點：

1. REST 指的是一組架構約束條件和原則。滿足這些約束條件和原則的應用程序或設計就是RESTful。

2.客戶端和服務器之間的交互在請求之間是無狀態(tài)的。

3. 在服務器端，應用程序狀態(tài)和功能可以分為各種資源，它向客戶端公開。資源的例子有：應用程序對象、數(shù)據(jù)庫記錄、算法等等。每個資源都使用 URI （Universal Resource Identifier） 得到一個惟一的地址。所有資源都共享統(tǒng)一的界面，以便在客戶端和服務器之間傳輸狀態(tài)。

4.使用的是標準的 HTTP 方法，比如 GET、PUT、POST 和 DELETE。

點評：REST/HTTP其實是互聯(lián)網(wǎng)中服務調用API封裝風格，物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集到物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中，在物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中，可以通過開放REST API的方式，把數(shù)據(jù)服務開放出去，被互聯(lián)網(wǎng)中其他應用所調用。

CoAP協(xié)議

CoAP （Constrained Application Protocol），受限應用協(xié)議，應用于無線傳感網(wǎng)中協(xié)議。

適用范圍：CoAP是簡化了HTTP協(xié)議的RESTful API，CoAP是6LowPAN協(xié)議棧中的應用層協(xié)議，它適用于在資源受限的通信的IP網(wǎng)絡。

特點：

報頭壓縮：CoAP包含一個緊湊的二進制報頭和擴展報頭。它只有短短的4B基本報頭，基本報頭后面跟擴展選項。一個典型的請求報頭為10～20B。

方法和URIs：為了實現(xiàn)客戶端訪問服務器上的資源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP還支持URIs，這是Web架構的主要特點。

傳輸層使用UDP協(xié)議：CoAP協(xié)議是建立在UDP協(xié)議之上，以減少開銷和支持組播功能。它也支持一個簡單的停止和等待的可靠性傳輸機制。

支持異步通信：HTTP對M2M（Machine-to-Machine）通信不適用，這是由于事務總是由客戶端發(fā)起。而CoAP協(xié)議支持異步通信，這對M2M通信應用來說是常見的休眠／喚醒機制。

支持資源發(fā)現(xiàn)：為了自主的發(fā)現(xiàn)和使用資源，它支持內置的資源發(fā)現(xiàn)格式，用于發(fā)現(xiàn)設備上的資源列表，或者用于設備向服務目錄公告自己的資源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路徑表示資源描述。

支持緩存：CoAP協(xié)議支持資源描述的緩存以優(yōu)化其性能。

協(xié)議主要實現(xiàn)：

1. libcoap（C語言實現(xiàn)）

2.Californium（java語言實現(xiàn)）

點評：CoAP和6LowPan，這分別是應用層協(xié)議和網(wǎng)絡適配層協(xié)議，其目標是解決設備直接連接到IP網(wǎng)絡，也就是IP技術應用到設備之間、互聯(lián)網(wǎng)與設備之間的通信需求。因為IPV6技術帶來巨大尋址空間，不光解決了未來巨量設備和資源的標識問題，互聯(lián)網(wǎng)上應用可以直接訪問支持IPV6的設備，而不需要額外的網(wǎng)關。

MQTT協(xié)議（低帶寬）

MQTT （Message Queuing Telemetry Transport ），消息隊列遙測傳輸，由IBM開發(fā)的即時通訊協(xié)議，相比來說比較適合物聯(lián)網(wǎng)場景的通訊協(xié)議。MQTT協(xié)議采用發(fā)布/訂閱模式，所有的物聯(lián)網(wǎng)終端都通過TCP連接到云端，云端通過主題的方式管理各個設備關注的通訊內容，負責將設備與設備之間消息的轉發(fā)。

MQTT在協(xié)議設計時就考慮到不同設備的計算性能的差異，所以所有的協(xié)議都是采用二進制格式編解碼，并且編解碼格式都非常易于開發(fā)和實現(xiàn)。最小的數(shù)據(jù)包只有2個字節(jié)，對于低功耗低速網(wǎng)絡也有很好的適應性。有非常完善的QOS機制，根據(jù)業(yè)務場景可以選擇最多一次、至少一次、剛好一次三種消息送達模式。運行在TCP協(xié)議之上，同時支持TLS（TCP+SSL）協(xié)議，并且由于所有數(shù)據(jù)通信都經(jīng)過云端，安全性得到了較好地保障。

適用范圍：在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡下提供基于云平臺的遠程設備的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控。

特點：

1.使用基于代理的發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布

2.使用 TCP/IP 提供網(wǎng)絡連接

3.小型傳輸，開銷很?。ü潭ㄩL度的頭部是 2 字節(jié)），協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡流量

4.支持QoS，有三種消息發(fā)布服務質量：“至多一次”， “至少一次”， “只有一次”

協(xié)議主要實現(xiàn)和應用：

1.已經(jīng)有PHP，JAVA，Python，C，C#等多個語言版本的協(xié)議框架

2.IBM Bluemix 的一個重要部分是其 IoT Foundation 服務，這是一項基于云的 MQTT 實例

3.移動應用程序也早就開始使用MQTT，如 Facebook Messenger 和com等

點評：MQTT協(xié)議一般適用于設備數(shù)據(jù)采集到端（Device-》Server，Device-》Gateway），集中星型網(wǎng)絡架構（hub-and-spoke），不適用設備與設備之間通信，設備控制能力弱，另外實時性較差，一般都在秒級。

DDS協(xié)議（高可靠性、實時）

DDS（Data Distribution Service for Real-Time Systems），面向實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布服務，這是大名鼎鼎的OMG組織提出的協(xié)議，其權威性應該能證明該協(xié)議的未來應用前景。

適用范圍：分布式高可靠性、實時傳輸設備數(shù)據(jù)通信。目前DDS已經(jīng)廣泛應用于國防、民航、工業(yè)控制等領域。

特點：

1.以數(shù)據(jù)為中心

2.使用無代理的發(fā)布/訂閱消息模式，點對點、點對多、多對多

3.提供多大21種QoS服務質量策略

協(xié)議主要實現(xiàn)：

1.OpenDDS 是一個開源的 C++ 實現(xiàn)

2.OpenSplice DDS

點評：DDS很好地支持設備之間的數(shù)據(jù)分發(fā)和設備控制，設備和云端的數(shù)據(jù)傳輸，同時DDS的數(shù)據(jù)分發(fā)的實時效率非常高，能做到秒級內同時分發(fā)百萬條消息到眾多設備。DDS在服務質量（QoS）上提供非常多的保障途徑，這也是它適用于國防軍事、工業(yè)控制這些高可靠性、可安全性應用領域的原因。但這些應用都工作在有線網(wǎng)絡下，在無線網(wǎng)絡，特別是資源受限的情況下，沒有見到過實施案例。

AMQP協(xié)議（互操作性）

AMQP（Advanced Message Queuing Protocol），先進消息隊列協(xié)議，這是OASIS組織提出的，該組織曾提出OSLC（Open Source Lifecyle）標準，用于業(yè)務系統(tǒng)例如PLM，ERP，MES等進行數(shù)據(jù)交換。

適用范圍：最早應用于金融系統(tǒng)之間的交易消息傳遞，在物聯(lián)網(wǎng)應用中，主要適用于移動手持設備與后臺數(shù)據(jù)中心的通信和分析。

特點：

1.Wire級的協(xié)議，它描述了在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的格式，以字節(jié)為流

2.面向消息、隊列、路由（包括點對點和發(fā)布/訂閱）、可靠性、安全

協(xié)議實現(xiàn)：

1.Erlang中的實現(xiàn)有 RabbitMQ

2.AMQP的開源實現(xiàn)，用C語言編寫OpenAMQ

3.Apache Qpid

4.stormMQ

XMPP協(xié)議（即時通信）

XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）可擴展通訊和表示協(xié)議，XMPP的前身是Jabber，一個開源形式組織產(chǎn)生的網(wǎng)絡即時通信協(xié)議。XMPP目前被IETF國際標準組織完成了標準化工作。

適用范圍：即時通信的應用程序，還能用在網(wǎng)絡管理、內容供稿、協(xié)同工具、檔案共享、游戲、遠端系統(tǒng)監(jiān)控等。

特點：

1.客戶機/服務器通信模式

2.分布式網(wǎng)絡

3.簡單的客戶端，將大多數(shù)工作放在服務器端進行

4.標準通用標記語言的子集XML的數(shù)據(jù)格式

點評：XMPP是基于XML的協(xié)議，由于其開放性和易用性，在互聯(lián)網(wǎng)及時通訊應用中運用廣泛。相對HTTP，XMPP在通訊的業(yè)務流程上是更適合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的，開發(fā)者不用花太多心思去解決設備通訊時的業(yè)務通訊流程，相對開發(fā)成本會更低。但是HTTP協(xié)議中的安全性以及計算資源消耗的硬傷并沒有得到本質的解決。

JMS （Java Message Service）

JMS （Java Message Service），JAVA消息服務，這是JAVA平臺中著名的消息隊列協(xié)議。

Java消息服務（Java Message Service）應用程序接口，是一個Java平臺中關于面向消息中間件（MOM）的API，用于在兩個應用程序之間，或分布式系統(tǒng)中發(fā)送消息，進行異步通信。Java消息服務是一個與具體平臺無關的API，絕大多數(shù)MOM提供商都對JMS提供支持。

JMS是一種與廠商無關的 API，用來訪問消息收發(fā)系統(tǒng)消息，它類似于JDBC（Java Database Connectivity）。這里，JDBC 是可以用來訪問許多不同關系數(shù)據(jù)庫的 API，而 JMS 則提供同樣與廠商無關的訪問方法，以訪問消息收發(fā)服務。許多廠商都支持 JMS，包括 IBM 的 MQSeries、BEA的 Weblogic JMS service和 Progress 的 SonicMQ。 JMS 能夠通過消息收發(fā)服務（有時稱為消息中介程序或路由器）從一個 JMS 客戶機向另一個 JMS客戶機發(fā)送消息。消息是 JMS 中的一種類型對象，由兩部分組成：報頭和消息主體。報頭由路由信息以及有關該消息的元數(shù)據(jù)組成。消息主體則攜帶著應用程序的數(shù)據(jù)或有效負載。根據(jù)有效負載的類型來劃分，可以將消息分為幾種類型，它們分別攜帶：簡單文本（TextMessage）、可序列化的對象 （ObjectMessage）、屬性集合 （MapMessage）、字節(jié)流 （BytesMessage）、原始值流 （StreamMessage），還有無有效負載的消息 （Message）。

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議對比

協(xié)議應用的側重方向

MQTT、 DDS、 AMQP、XMPP、 JMS、 REST、 CoAP這幾種協(xié)議都已被廣泛應用，并且每種協(xié)議都有至少10種以上的代碼實現(xiàn)，都宣稱支持實時的發(fā)布/訂閱的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，但是在具體物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構設計時，需考慮實際場景的通信需求，選擇合適的協(xié)議。

以智能家居為例，說明下這些協(xié)議側重應用方向。智能家居中智能燈光控制，可以使用XMPP協(xié)議控制燈的開關；智能家居的電力供給，發(fā)電廠的發(fā)動機組的監(jiān)控可以使用DDS協(xié)議；當電力輸送到千家萬戶時，電力線的巡查和維護，可以使用MQTT協(xié)議；家里的所有電器的電量消耗，可以使用AMQP協(xié)議，傳輸?shù)皆贫嘶蚣彝ゾW(wǎng)關中進行分析；最后用戶想把自家的能耗查詢服務公布到互聯(lián)網(wǎng)上，那么可以使用REST/HTTP來開放API服務。

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的選擇

1.發(fā)布/訂閱服務更適合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通信

DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于發(fā)布/訂閱模式，發(fā)布/訂閱框架具有服務自發(fā)現(xiàn)、動態(tài)擴展、事件過濾的特點，它解決了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在應用層的數(shù)據(jù)源快速獲取、物的加入和退出、興趣訂閱、降低帶寬流量等問題，實現(xiàn)物的聯(lián)接在空間上松耦合（雙方無需知道通信地址）、時間上松耦合和同步松耦合。

2.服務質量（QoS）是物聯(lián)網(wǎng)通信中的重要考慮因素

在服務策略的幫助下，DDS能夠有效地控制和管理網(wǎng)絡帶寬、內存空間等資源的使用，同時也能控制數(shù)據(jù)的可靠性、實時性和數(shù)據(jù)的生存時間，通過靈活使用這些服務質量策略，DDS不僅能在窄帶的無線環(huán)境上，也能在寬帶的有線通信環(huán)境上開發(fā)出滿足實時性需求的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。