物联网设备的网络连接---中篇
在上篇《物联网设备的网络连接---上篇》中我们介绍了物联网的网格结构及物联网组网技术
本篇，我们将带您了解物联网传输协议。
三、物联网传输协议
上节介绍的物联网组网技术，主要解决的是物理层和链路层的网络连接技术；当设备都连接到同一个物联网络以后，它们的通信必须使用统一的协议，才能进行数据交换以及协同工作。这就是物联网传输协议的职责，它们大多基于TCP/UDP协议之上，按照图1所示的协议层次，属于应用层协议。
图1 物联网网络层次结构
本节介绍主流的四种物联网传输协议：MODBUS、BACNET、MQTT以及CoAP。
MODBUS
MODBUS是一个针对工业自动化设备的应用层协议，1979年由Modicon公司（后被施耐德公司收购）开发，由于该协议免费公开发行以及简单、易用，大量厂商采用MODBUS作为设备与主机的通信协议，因而它成为事实上的工业标准。MODBUS建立在串行通讯、TCP或UDP传输协议之上。目前广泛应用于诸如电表、UPS电源、电梯、空气压缩机等工业设备。
MODBUS的基本数据格式（称为协议数据单元，Protocol Data Unit，简称PDU）是：1字节的功能码加上特定功能相关的数据，如图15所示。
图15 MODBUS-PDU数据格式
常用的功能码如表1所列。注意，对于超过1字节的数据单元，MODBUS使用大端(big-endian)字节顺序。譬如，对于16位整数，高字节在前，低字节在后。
表1 MODBUS协议常用的功能码
| 功能码 |
说明 |
示例 |
| 1 |
读一组线圈状态 |
请求：01,00,13,00,13应答：01,03,CD,6B,05 |
| 3 |
读一组寄存器 |
请求：03,00,6D,00,03应答：03,06,02,2B,00,00,00,64 |
| 5 |
写一个线圈状态 |
请求：05,00,AC,FF,00应答：05,00,AC,FF,00(原样返回) |
| 6 |
写单个寄存器 |
请求：06,00,6D,00,01应答：06,00,6D,00,01(原样返回) |
| 15 |
写一组线圈状态 |
请求：0F,00,13,00,0A,02,CD,01应答：0F,00,13,00,0A |
| 16 |
写多个寄存器 |
请求：10,00,01,00,02,04,00,0A,01,02应答：10,00,01,00,02 |
与具体的传输协议结合起来，在网络上传输的数据包格式如图16所示。当MODBUS在串行通讯环境中使用时，PDU前面增加一个地址码，后面加上一个16位的CRC校验字；当MODBUS在TCP/IP网络上使用时，前面加上传输标志和协议标志以及一个2字节的长度，和1字节的单元ID，就构成了应用数据帧（即ADU，Application Data Unit）。MODBUS也支持ASCII模式，在这种模式下，每个二进制字节都被转换成两个ASCII字符，因此传输数据量差不多增加一倍。
（a）MODBUS-RTU
（b）MODBUS-TCP
图16 MODBUS-ADU数据格式
MODBUS协议的特点包括：
1.MODBUS协议是标准和开放的，也是免费的，不需要许可费，也不会侵犯知识产权。
2.通信两方是主从关系。通常情况下，控制主机或数据采集方是主通信方，传感器设备是从方。典型的通信方式是：主通信方发起请求并等待响应，从设备对于收到的请求进行应答。这些请求和应答的内容由MODBUS协议来规定（如上面表1所示）。
3.MODBUS的帧格式（包括PDU和ADU）简单、紧凑，易于实现。应用软件使用起来容易，厂商实现也简单。
4.MODBUS-RTU与RS-485都是工业自动化领域中发展起来的，分别对应于应用层通信和物理层/链路层组网，在实践中往往组合起来实现工业设备的联网与通信。而MODBUS-TCP则用于在TCP（和UDP）传输网络上使用。
BACNET
BACNET(Building Automation and Control NETworks)是用于智能建筑的通信协议，也是国际标准化组织(ISO)、美国国家标准协会(ANSI)以及美国采暖、制冷与空调工程师协会(ASHRAE)定义的通信协议。主要用于暖通、照明、门禁、消防等相关的设备与系统。
BACNET有一套相对完整的协议栈定义，从应用层到物理层共有四层，但BACNET的核心在于应用层和网络层，它们是BACNET特有的。这四层协议解释如下：
1.应用层的数据格式是APDU（Application Protocol Data Unit），第一个字节的高4位定义了APDU类型，后面跟上相应的数据结构。
表2 BACNET APDU类型
| 首字节 |
说明（结构） |
首字节 |
示例 |
| 0x0X |
已确认的请求 BACnet-Confirmed-Request-PDU |
0x1X |
未确认的请求 BACnet-Unconfirmed-Request-PDU |
| 0x2X |
简单应答BACnet-SimpleACK-PDU |
0x3X |
复杂应答 BACnet-ComplexACK-PDU |
| 0x4X |
分段应答Segment ACK |
0x5X |
发生错误 （含错误类别和错误码） |
| 0x6X |
被拒绝 （含拒绝原因） |
0x7X |
被终止（含终止原因） |
| 0x8X-0xfX |
保留 |
BACNET的应用层采用了面向对象技术来封装应用层语义，当前的BACNET标准总共定义了54种对象类型
(http://www.bacnetwiki.com/wiki/index.php?title=BACnet_Objects)。
每个BACNET设备都有一个“设备对象”。每个对象都有Object_Identifier 、Object_Name、Object_Type三个属性，其他的属性随对象的不同而不同。对于应用开发而言，BACNET定义了有关这些对象的一套编程模型，包括属性和方法（服务）。关于这一编程模型，可参考
(http://www.bacnet.org/Bibliography/ES-7-96/ES-7-96.htm)。
BACNET也定义了一组服务，允许一个设备从别的设备获取信息，或者向别的设备发送命令，或者向其他一个或多个设备通知某个事件。这些服务被转化成网络上的请求和应答，从而实现网络设备之间的通信。
2.BACNET有自己的网络层，定义了NPDU(Network layer Protocol Data Unit)，其格式如图17所示。BACNET支持广播传输。NPCI控制字节决定了后面出现的内容。
图17 BACNET-NPDU数据格式
3.BACNET没有定义自己的链路层和物理层，而是支持已有的物理网络和链路层协议。BACNET支持的物理网络包括ARCNET、以太网、RS-232、RS-485以及LonTalk，链路层支持PTP(针对RS-232)、MS/TP(针对RS-485)，以及IEEE 802.2和LonTalk链路层协议。在实践中，由于以太网广泛普及，在UDP协议基础上来传输BACNET网络层消息是相对合理和常见的，这称为BACNET/IP。然而，相对于BACNET/Ethernet，BACNET/IP会增加每个物理网络包的数据量，但软件开发要简单很多。
BACNET作为一个拥有30多年历史的智能建筑通信协议，具有以下特点：
a.BACNET是标准协议，也是开放的，在楼宇自控设备市场上得到广泛的支持。
b.在应用层采用面向对象的技术来定义软件编程接口，对应用程序的开发比较友好，它支持模拟量输入/输出、数字量输入/输出、分组、时间计划等楼宇管理相关的功能，但是对于协议实现和协议分析显得过于复杂。
c.支持设备间双向通信及广播通信。
d.协议的开销较高，在窄带网络上容易传输超时。
MQTT
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一个轻量级的机器与机器（M2M）之间的连接协议，适合于物联网设备进行通信，它最初由IBM提出，现在已成为OASIS（结构化信息标准促进组织）标准。为了适应大量物联网设备的通信需要，MQTT没有采用传统的请求/应答模式，而是采用发布/订阅模式来传递信息，如图18所示。发布者和订阅者不直接通讯，而是通过一个物联网服务器进行消息传递，这样可以控制消息的发送逻辑和频率。
图18 MQTT的发布/订阅通信模式
实际上，在移动互联网（主要是移动终端和移动服务）上，MQTT也被用于消息推送（PUSH）服务，允许大量的智能手机接收（订阅）移动服务方的通知消息。
MQTT的消息结构非常简单，每个消息由三部分组成：固定头、可变头、载荷，如图19所示。
图19 MQTT消息格式
MQTT消息有15种类型，每个消息的第一个字节（即图19中的控制字节）的高4位决定了消息的类型，如表3所示。控制字节的低4位取决于消息的类型。接下来的剩余长度是指后面的可变头和载荷部分的总长度，用1至4个字节来表达，取决于该长度值是否超过127、16,383或2,097,151。
表3 MQTT消息的类型
| MQTT控制字节的高4位 |
类型 |
MQTT控制字节的高4位 |
类型 |
| 0 |
保留 |
8 |
SUBSCRIBE：客户到服务器的订阅请求 |
| 1 |
CONNECT：客户到服务器的连接请求 |
9 |
SUBACK：服务器到客户的订阅确认 |
| 2 |
CONNACK：服务器给客户的连接确认 |
10 |
UNSUBSCRIBE：客户到服务器的解除订阅请求 |
| 3 |
PUBLISH：发布消息，客户给服务器，或服务器给客户 |
11 |
UNSUBACK：服务器到客户的解除订阅确认 |
| 4 |
PUBACK：发布确认 |
12 |
PINGREQ：客户到服务器的Ping请求 |
| 5 |
PUBREC：发布已收到 |
13 |
PINGRESP：服务器到客户的Ping应答 |
| 6 |
PUBREL：发布解除 |
14 |
DISCONNECT：解除连接通知，客户给服务器，或服务器给客户 |
| 7 |
PUBCOMP：发布已完成 |
15 |
AUTH：认证消息交换 |
有些类型的MQTT消息会在固定头后面包含可变头部分，其内容取决于具体的消息类型。比如：
PUBLISH(要求QoS>0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK类型的消息在可变头部分都会包含一个包标识符（Packet Identifier）域，用于标识一个MQTT发布或订阅。在可变头的后面部分是一组属性(Properties）,这些属性跟该消息的具体内容相关。
在MQTT消息的最后部分是载荷(Payload)部分，比如，在PUBLISH消息中，Payload部分就是应用消息本身。
有关MQTT消息的细节，可以参考MQTT规范（http://mqtt.org/documentation）。从以上的MQTT消息类型列表，我们不难看出，MQTT规范定义了客户与服务器之间建立/取消连接、发布消息、订阅消息，以及PING（测试连接有效）和认证身份的过程。
MQTT是一个应用层协议，它建立在客户与服务器之间已经有一个能提供有序的、不会丢数据的字节流传输能力的传输协议基础之上。通常情况下，底层协议是TCP，也可以是安全的传输协议TLS，但不能是UDP。
MQTT作为一个物联网协议，具有以下特点：
1.消息紧凑，协议本身的开销非常小，尽可能地降低网络流量。
2.基于TCP传输协议(或安全传输协议TLS)。
3.使用发布/订阅模式，提供一对多的通信模型，解除了消息源与目的地之间的耦合。用主题（topic）的概念来描述发布或订阅，并提供了主题过滤的能力。
4.提供了三种服务质量（QoS）语义：
“至多一次”，消息发布完全依赖于底层TCP网络。
“至少一次”，确保消息到达，但消息可能会有重复。
“恰好一次”，确保消息到达一次。
5.提供了一套Will消息机制，允许客户与服务器在跨越TCP连接的情况下保持MQTT应用消息的延续性。
6.提供了Ping机制来保持客户与服务器之间的连接。
CoAP
CoAP(Constrained Application Protocol)是IETF的CoRE工作组开发的、针对物联网设备的应用层协议，它相当于物联网设备上运行的HTTP协议，默认运行在UDP之上。它的基本消息模型是请求-应答，支持多播(multicast)模式，因此一个请求可以对应多个应答。CoAP的规范位于RFC 7252（https://tools.ietf.org/html/rfc7252）。
CoAP的消息格式如图20所示。
图20 CoAP消息格式
CoAP协议支持4种类型的消息：CON，客户向服务器发送请求，服务器必须发送应答；NON，服务器不需要发送确认；ACK，对应于CON的应答消息；RST，当收到的消息不认识或错误时，发送重置消息。
CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE方法，类似于HTPP协议中的同名方法一样。在CoAP消息的4字节头的8位代码中标识具体的方法。
CoAP的URI方案与HTTP的一致，采用“coap:”前导符，其默认端口是udp 5683。譬如，“coap://example.com/~sensors/temp.xml”指定了一个合法的xml文件资源。
CoAP协议的特点如下：
1.协议简单，与互联网协议（特别是HTTP）的一致性较好，包括URI方案、消息中的方法语义等。
2.默认基于UDP传输协议，支持一对多传输，也可以基于TCP。
3.CoAP的安全性方案采用了DTLS（Datagram Transport Layer Security, 即UDP版本的TLS协议）。
4.CoAP是一个针对资源受限设备的基础传输协议，对于应用层语义（包括设备状态、参数等）不侵入。
除了以上介绍的物联网传输协议以外，物联网设备与服务器也可以直接利用HTTP/Rest，或者WebSocket，但这些协议对于通信双方的软硬件资源要求较高，需要完整的TCP/IP协议栈，在有些情况下并不切实可行。但利用HTTP或WebSocket的优势是，上层应用丰富，有大量的软件和工具支持。本文不再赘述。
本篇主要介绍了物联网传输协议相关知识。
下篇，我们将带您了解物联网操作系统及平台的连接设计，敬请关注。
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