物联网学习(3)——网络协议

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。

1. 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。

2. 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。

3. 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：

发布-订阅模式

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：

1. 采用二进制的消息内容编码格式。
2. 协议头紧凑，交互简单。
3. 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。

6.5 小结

网络协议小结