关于物联网通信协议(通讯协议)

Posted 2021-01-12 yuhao309

一、区分通讯与通信协议：
1、传统意义上的“通讯”主要指电话、电报、电传。通讯的“讯”指消息（Message）,媒体讯息通过通讯网络从一端传递到另外一端。媒体讯息的内容主要是话音、文字、图片和视频图像。其网络的构成主要由电子设备系统和无线电系统构成，传输和处理的信号是模拟的。所以，“通讯”一词应特指采用电报、电话、网络等媒体传输系统实现上述媒体信息传输的过程。“通讯”重在内容形式，因此通讯协议主要集中在ISO七层协议中的应用层。通讯协议主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。

2、通信”仅指数据通信，即通过计算机网络系统和数据通信系统实现数据的端到端传输。通信的“信”指的是信息（Information）,信息的载体是二进制的数据，数据则是可以用来表达传统媒体形式的信息，如声音、图像、动画等。“通信”重在传输手段或使用方式，从这个角度，“通信”的概念包括了信息“传输”。因此通信协议主要集中在ISO七层协议中的物理层、数据链路层、网络层和传输层。

3、在物联网应用中，通信技术包括Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、GSM、GPRS、3/4/5G网络、Ethernet、RS232、RS485、USB等。

4、相关的通信协议（协议栈、技术标准）包括：Wi-Fi（IEEE 802.11b）、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、CDMA/TDMA、TCP/IP、WCDMA、TD-SCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、TCP/IP、HTTP等。

5、物联网技术框架体系中所使用到的通讯协议主要有：AMQP、JMS、REST、HTTP/HTTPS、COAP、DDS、MQTT等。

二、通讯协议：
1、HTTP协议简介
HTTP是一个属于应用层的面向对象的协议，由于其简捷、快速的方式，适用于分布式超媒体信息系统。它于1990年提出，经过几年的使用与发展，得到不断地完善和扩展。目前在WWW中使用的是HTTP/1.0的第六版，HTTP/1.1的规范化工作正在进行之中，而且HTTP-NG(Next Generation of HTTP)的建议已经提出。

2、HTTP协议特点
【1】支持客户/服务器模式
【2】简单快速
【3】灵活
【4】无连接
【5】无状态

3、HTTPS协议简介
该协议使用了HTTP协议，但HTTPS使用不同于HTTP协议的默认端口及一个加密、身份验证层（HTTP与TCP之间）。这个协议的最初研发由网景公司进行，提供了身份验证与加密通信方法，现在它被广泛用于互联网上安全敏感的通信。

4、客户端云web服务器通信时的步骤如下：
【1】客户使用https的URL访问Web服务器，要求与Web服务器建立SSL连接。
【2】Web服务器收到客户端请求后，会将网站的证书信息（证书中包含公钥）传送一份给客户端。
【3】客户端的浏览器与Web服务器开始协商SSL连接的安全等级，也就是信息加密的等级。
【4】客户端的浏览器根据双方同意的安全等级，建立会话密钥，然后利用网站的公钥将会话密钥加密，并传送给网站。
【5】Web服务器利用自己的私钥解密出会话密钥。
【6】Web服务器利用会话密钥加密与客户端之间的通信。

5、WebSerivce/REST协议简介
WebService和REST都不是一种协议，他们是基于HTTP/HTTPS的一种技术方式或风格，之所以放在这里，是因为在物联网应用服务对外接口方式常采用WebService和RESTful API。

5.1、WebSerivce介绍
【1】WebService是一种跨编程语言和跨操作系统平台的远程调用技术。
【2】XML+XSD(XML Schema),SOAP和WSDL就是构成WebService平台的三大技术。
【3】XML解决了数据表示的问题，但它没有定义一套标准的数据类型，更没有说怎么去扩展这套数据类型。XML Schema(XSD)就是专门解决这个问题的一套标准。它定义了一套标准的数据类型，并给出了一种语言来扩展这套数据类型。WebService平台就是用XSD来作为其数据类型系统的。
【3】SOAP协议定义了SOAP消息的格式，SOAP协议是基于HTTP协议的，SOAP也是基于XML和XSD的，XML是SOAP的数据编码方式。打个比喻：HTTP就是普通公路，XML就是中间的绿色隔离带和两边的防护栏，SOAP就是普通公路经过加隔离带和防护栏改造过的高速公路。公式是：SOAP协议= HTTP协议+ XML数据格式
【4】WSDL(Web Services Description Language)就是这样一个基于XML的语言，用于描述Web Service及其函数、参数和返回值。

5.2、REST介绍
REST是表征状态转换，是基于HTTP协议开发的一种通信风格，目前还不是标准。REST是互联网中服务调用API封装风格，物联网中数据采集到物联网应用系统中，在物联网应用系统中，可以通过开放REST API的方式，把数据服务开放出去，被互联网中其他应用所调用。

6、CoAP (Constrained Application Protocol)协议简介
CoAP协议简称：受限应用协议，应用于无线传感网中协议。CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API，CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议，适用于：在资源受限的通信的IP网络。
【1】报头压缩
【2】方法和URIs
【3】传输层使用UDP协议
【4】支持异步通信
【5】支持资源发现
【6】支持缓存

7、MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )协议简介
【1】简介
消息队列遥测传输，由IBM开发的即时通讯协议，相比来说比较适合物联网场景的通讯协议。MQTT协议采用发布/订阅模式，所有的物联网终端都通过TCP连接到云端，云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容，负责将设备与设备之间消息的转发。适用于：在低带宽、不可靠的网络下提供基于云平台的远程设备的数据传输和监控。

【2】使用特点
《1》使用基于代理的发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布；
《2》使用TCP/IP提供网络连接；
《3》小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量；
《4》支持QoS，有三种消息发布服务质量：“至多一次”，“至少一次”，“只有一次”。

【3】应用场景
《1》已经有php，JAVA，Python，C，C#等多个语言版本的协议框架；
《2》IBM Bluemix的一个重要部分是其IoT，Foundation服务，这是一项基于云的MQTT实例；
《3》移动应用程序也早就开始使用MQTT，如Facebook Messenger和com等。

8、DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)协议简介
【1】简介
面向实时系统的数据分布服务，这是大名鼎鼎的OMG组织提出的协议，其权威性应该能证明该协议的未来应用前景。适用于：分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

【2】使用特点
《1》以数据为中心；
《2》使用无代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多；
《3》提供多大21种QoS服务质量策略。

9、AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)协议简介
【1】简介
先进消息队列协议，这是OASIS组织提出的，该组织曾提出OSLC(Open Source Lifecyle)标准，适用于：业务系统例如PLM，ERP，MES等进行数据交换。

【2】协议特点
《1》Wire级的协议，它描述了在网络上传输的数据的格式，以字节为流；
《2》面向消息、队列、路由(包括点对点和发布/订阅)、可靠性、安全；

【3】开源协议包括：
《1》Erlang中的实现有RabbitMQ
《2》AMQP的开源实现，用C语言编写OpenAMQ
《3》Apache Qpid
《3》stormMQ

10、XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)协议简介
【1】简介
可扩展通讯和表示协议，XMPP的前身是Jabber，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。适用于：即时通信的应用程序，还能用在网络管理、内容供稿、协同工具、档案共享、游戏、远端系统监控等。

【2】协议特点
《1》客户机/服务器通信模式；
《2》分布式网络；
《3》简单的客户端，将大多数工作放在服务器端进行；
《4》标准通用标记语言的子集XML的数据格式。

【3】注意事项
XMPP是基于XML的协议，由于其开放性和易用性，在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP，XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的，开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程，相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。

11、JMS(Java Message Service)协议简介
【1】简介
JAVA消息服务，这是JAVA平台中著名的消息队列协议。Java消息服务应用程序接口，是一个Java平台中关于面向消息中间件(MOM)的API，用于在两个应用程序之间，或分布式系统中发送消息，进行异步通信。Java消息服务是一个与具体平台无关的API，绝大多数MOM提供商都对JMS提供支持。JMS是一种与厂商无关的API，用来访问消息收发系统消息，它类似于JDBC(Java Database
Connectivity)。