物联网通信各类消息技术(应用层协议),各自特点、特定的物联网应用场景

这类协议都直接用于在无线或有线网络环境下的设备之间、人与设备之间的通信,物联网开发者都会与这些协议打交道

物联网联接问题空间

物联网通信环境

Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC, Zigbee, 6LoWPAN(IPV6 低速无线版本),Bluetooth, GSM, GPRS, GPS, 3G, 4G 等

每种通信应用协议都有一定适用范围

  • AMQP、JMS、REST/HTTP 工作在以太网
  • COAP为资源受限设备开发,DDS 和 MQTT 兼容性强
  • MQTT,IBM 开发的即时通讯协议,现 OASIS 建议标准

  • DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems),大名鼎鼎的 OMG 组织提出的协议

  • AMQP(Advanced Message Queuing Protocol),OASIS 提出,该组织曾提出 OSLC(Open Source Lifecyle) 标准,用于业务系统例如 PLM,ERP,MES 等进行数据交换

  • XMPP前身 Jabber,开源形式组织产生的网络即时通信协议。IETF 完成了标准化工作

  • JMS ,JAVA 平台中著名的消息队列协议

  • REST (Representational State Transfer), HTTP 协议通信风格

  • CoAP (Constrained Application Protocol),应用于无线传感网中协议

都被广泛应用,每种至少 10 种以上代码实现,都宣称支持实时的发布 / 订阅的物联网协议,但是在具体物联网系统架构设计时,需考虑实际场景的通信需求,选择合适的协议

智能家居的例子,说明下这些协议侧重应用方向

灯光控制,可以使用 XMPP 协议控制灯的开关

电力供给,发电厂的发动机组的监控可以使用 DDS 协议

当电力输送到千家万户时,电力线的巡查和维护,可以使用 MQTT 协议

家里的所有电器的电量消耗,可以使用 AMQP 协议,传输到云端或家庭网关中进行分析

最后用户想把自家的能耗查询服务公布到互联网上,那么可以使用 REST/HTTP 来开放 API 服务


MQTT

适用范围 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

特点

  • 基于代理的发布 / 订阅消息模式,提供一对多的消息发布
  • TCP
  • 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,降低网络流量
  • 三种QoS:至多一次、至少一次、只有一次

协议主要实现和应用

  • PHP,JAVA,Python,C,C# 等多个语言版本的协议框架

  • IBM Bluemix 重要部分 IoT Foundation 服务

  • Facebook Messenger

点评

一般适用于设备数据采集到端 (Device->Server,Device->Gateway),集中星型网络架构 (hub-and-spoke),不适用设备与设备之间通信,设备控制能力弱,另外实时性较差,一般都在秒级

DDS 协议 (高可靠性、实时)

适用范围:分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。广泛应用于国防、民航、工业控制等领域

特点

  • 以数据为中心
  • 使用无代理的发布 / 订阅消息模式,点对点、点对多、多对多
  • 21 种 QoS

协议主要实现

  • OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
  • OpenSplice DDS

点评

DDS 很好地支持设备之间的数据分发和设备控制,设备和云端的数据传输,同时 DDS 的数据分发的实时效率非常高,能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备

QoS上提供非常多的保障途径,是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因

但这些应用都工作在有线网络下,无线网络,特别是资源受限的情况下,没有见到过实施案例

AMQP

适用范围:最早应用于金融系统之间的交易消息传递,在物联网应用中,主要适用于移动手持设备与后台数据中心的通信和分析

特点

  • 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
  • 面向消息、队列、路由(包括点对点和发布 / 订阅)、可靠性、安全

协议实现

  • Erlang 实现有 RabbitMQ

  • C OpenAMQ

  • Apache Qpid

  • stormMQ

XMPP

适用范围:即时通信,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

特点

  • s/s通信模式
  • 分布式网络
  • 简单的客户端,大多数工作放在服务器端进行
  • 标准通用标记语言的子集 XML 的数据格式

点评 基于 XML 传输的即时通讯指令,原设计目的是im,在一些物联网应用中,它被用作发送比较复杂的操作命令到设备端来进行设备控制

REST/HTTP(松耦合服务调用)

适用范围:REST/HTTP 主要为简化互联网系统架构,快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合,降低客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联网的应用层面,通过 REST 开放物联网中资源,实现服务被其他应用所调用

特点

  • REST 指的是一组架构约束条件和原则。满足这些约束条件和原则的应用程序或设计就是 RESTful
  • 客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的
  • 在服务器端,应用程序状态和功能可以分为各种资源,它向客户端公开。资源的例子有:应用程序对象、数据库记录、算法等等。每个资源都使用 URI (Universal Resource Identifier) 得到一个惟一的地址。所有资源都共享统一的界面,以便在客户端和服务器之间传输状态
  • 使用的是标准的 HTTP 方法,比如 GET、PUT、POST 和 DELETE

点评

REST/HTTP 其实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

CoAP

适用范围:CoAP 是简化了 HTTP 协议的 RESTful API,CoAP 是 6LowPAN 协议栈中的应用层协议,它适用于在资源受限的通信的 IP 网络

特点

  • CoAP 用二进制报头,HTTP 是text header
  • CoAP 降低了头的内容类型选项数量,例如去掉了 text/html (UTF-8)、image/jpeg、video/raw 等

协议主要实现

  • libcoap(C )
  • Californium(java)

点评

CoAP 和 6LowPan 分别是应用层协议和网络适配层协议,目标是解决设备直接连接到 IP 网络,也就是 IP 技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求

因为 IPV6 技术带来巨大寻址空间,不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题,互联网上应用可以直接访问支持 IPV6 的设备,而不需要额外的网关

DDSMQTTAMQPXMPPJMSREST/HTTPCoAP
抽象Pub/SubPub/SubPub/SubNAPub/SubRequest/ReplyRequest/Reply
架构风格全局数据空间代理P2P 或代理NA代理P2PP2P
QoS22 种3 种3 种NA3 种通过 TCP 保证确认或非确认消息
互操作性部分NA
性能100000msg/s/sub1000msg/sub1000msg/s/subNA1000msg/s/sub100 req/s100req/s
硬实时
传输层缺省为 UDP,TCP 也支持TCPTCPTCP不指定,一般为 TCPTCPUDP
订阅控制消息过滤的主题订阅层级匹配的主题订阅队列和消息过滤NA消息过滤的主题和队列订阅N/A支持多播地址
编码二进制二进制二进制XML 文本二进制普通文本二进制
动态发现NA
安全性提供方支持,一般基于 SSL 和 TLS简单用户名 / 密码认证,SSL 数据加密SASL 认证,TLS 数据加密TLS 数据加密提供方支持,一般基于 SSL 和 TLS,JAAS API 支持一般基于 SSL 和 TLSDTLS

以上几种协议,有两个特征是物联网通信技术选择时需要考虑的:

  • 发布 / 订阅服务更适合物联网环境下通信

DDS、MQTT、AMQP 和 JMS 都是基于发布 / 订阅模式

具有服务自发现、动态扩展、事件过滤的特点,它解决了物联网系统在应用层的数据源快速获取、物的加入和退出、兴趣订阅、降低带宽流量等问题,实现物的联接在空间上松耦合 (双方无需知道通信地址)、时间上松耦合和同步松耦合

  • 服务质量 (QoS) 是物联网通信中的重要考虑因素

在服务策略的帮助下,DDS 能够有效地控制和管理网络带宽、内存空间等资源的使用,同时也能控制数据的可靠性、实时性和数据的生存时间,通过灵活使用这些服务质量策略,DDS 不仅能在窄带的无线环境上,也能在宽带的有线通信环境上开发出满足实时性需求的数据分发系统