物联网常见通信协议与通讯协议梳理【上】- 通讯协议

1 “通信”与“通讯”傻傻分得清

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。

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。

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。注:3GPP将5G技术标准制定分为两个阶段,原计划中第一阶段的标准将在2018年底作为R15的一部分公布,将仅针对NR。第二阶段的标准将在2019年底作为R16的一部分,包括整个5G架构(包括核心网络)。

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。

2 通讯协议

2.1 HTTP/HTTPS

一、HTTP

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。

HTTP协议的主要特点可概括如下:

(1)支持客户/服务器模式。

(2)简单快速。客户向服务器请求服务时,只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单,使得HTTP服务器的程序规模小,因而通信速度很快。

(3)灵活。HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。

(4)无连接。无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求,并收到客户的应答后,即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。

(5)无状态。HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息,则它必须重传,这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面,在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

二、HTTPS

HTTPS(Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer,基于SSL的HTTP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。

客户端在使用HTTPS方式与Web服务器通信时有以下几个步骤,如图所示。

(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。

2.2 WebService/REST

首先说明下,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。

一、WebService

WebService是一种跨编程语言和跨操作系统平台的远程调用技术。

XML+XSD,SOAP和WSDL就是构成WebService平台的三大技术。

(1)XML+XSD

WebService采用HTTP协议传输数据,采用XML格式封装数据(即XML中说明调用远程服务对象的哪个方法,传递的参数是什么,以及服务对象的返回结果是什么)。XML是WebService平台中表示数据的格式。除了易于建立和易于分析外,XML主要的优点在于它既是平台无关的,又是厂商无关的。无关性是比技术优越性更重要的:软件厂商是不会选择一个由竞争对手所发明的技术的。

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。例如,整形数到底代表什么?16位,32位,64位?这些细节对实现互操作性很重要。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。当你用某种语言(如VB.NET或C#)来构造一个Web service时,为了符合WebService标准,所有你使用的数据类型都必须被转换为XSD类型。你用的工具可能已经自动帮你完成了这个转换,但你很可能会根据你的需要修改一下转换过程。

(2)SOAP

WebService通过HTTP协议发送请求和接收结果时,发送的请求内容和结果内容都采用XML格式封装,并增加了一些特定的HTTP消息头,以说明HTTP消息的内容格式,这些特定的HTTP消息头和XML内容格式就是SOAP协议。SOAP提供了标准的RPC方法来调用Web Service。

SOAP协议 = HTTP协议 + XML数据格式

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。

(3)WSDL

好比我们去商店买东西,首先要知道商店里有什么东西可买,然后再来购买,商家的做法就是张贴广告海报。 WebService也一样,WebService客户端要调用一个WebService服务,首先要有知道这个服务的地址在哪,以及这个服务里有什么方法可以调用,所以,WebService务器端首先要通过一个WSDL文件来说明自己家里有啥服务可以对外调用,服务是什么(服务中有哪些方法,方法接受的参数是什么,返回值是什么),服务的网络地址用哪个url地址表示,服务通过什么方式来调用。

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。它是WebService客户端和服务器端都能理解的标准格式。因为是基于XML的,所以WSDL既是机器可阅读的,又是人可阅读的,这将是一个很大的好处。一些最新的开发工具既能根据你的Web service生成WSDL文档,又能导入WSDL文档,生成调用相应WebService的代理类代码。

WSDL文件保存在Web服务器上,通过一个url地址就可以访问到它。客户端要调用一个WebService服务之前,要知道该服务的WSDL文件的地址。WebService服务提供商可以通过两种方式来暴露它的WSDL文件地址:1.注册到UDDI服务器,以便被人查找;2.直接告诉给客户端调用者。

二、REST

REST (Representational State Transfer),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。

适用范围:REST/HTTP 主要为了简化互联网中的系统架构,快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合,降低了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。它有以下特点:

(1)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;

(2)客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的;

(3)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;

(4)使用的是标准的HTTP 方法,比如GET、PUT、POST 和DELETE。

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。

2.3 CoAP 协议

CoAP (Constrained Application Protocol),受限应用协议,应用于无线传感网中协议。

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。它有以下特点:

(1)报头压缩。CoAP 包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4B 的基本报头,基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10~20B。

(2)方法和URIs。为了实现客户端访问服务器上的资源,CoAP 支持GET、PUT、POST 和DELETE 等方法。CoAP 还支持URIs,这是Web 架构的主要特点。

(3)传输层使用UDP 协议。CoAP 协议是建立在UDP 协议之上,以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。

(4)支持异步通信。HTTP 对M2M(Machine-to-Machine)通信不适用,这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP 协议支持异步通信,这对M2M 通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。

(5)支持资源发现。为了自主的发现和使用资源,它支持内置的资源发现格式,用于发现设备上的资源列表,或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785 中的格式,在CoRE 中用/.well—known/core 的路径表示资源描述。

(6)支持缓存。CoAP 协议支持资源描述的缓存以优化其性能。

CoAP协议主要实现:

(1)libcoap(C 语言实现)

(2)Californium(java 语言实现)

另外,CoAP 和6LowPan,这分别是应用层协议和网络适配层协议,其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。

2.4 MQTT 协议(低带宽)

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport ),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。

MQTT 在协议设计时就考虑到不同设备的计算性能的差异,所以所有的协议都是采用二进制格式编解码,并且编解码格式都非常易于开发和实现。最小的数据包只有2个字节,对于低功耗低速网络也有很好的适应性。有非常完善的QOS 机制,根据业务场景可以选择最多一次、至少一次、刚好一次三种消息送达模式。运行在TCP 协议之上,同时支持TLS(TCP+SSL)协议,并且由于所有数据通信都经过云端,安全性得到了较好地保障。

适用范围: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。

它具有以下特点:

(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”。

协议主要实现和应用:

(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。

另外,MQTT 协议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。

2.5 DDS 协议(高可靠性、实时)

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems),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。

适用范围: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。

它具有以下特点:

(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。

协议主要实现:

(1)OpenDDS 是一个开源的C++ 实现;

(2)OpenSplice DDS;

另外,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。DDS在服务质量(QoS)上提供非常多的保障途径,这也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,在无线网络,特别是资源受限的情况下,没有见到过实施案例。

2.6 AMQP 协议(互操作性)

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol),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,用于业务系统例如PLM,ERP,MES等进行数据交换。

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。

它有以下特点:

(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;

协议实现:

(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

(4)stormMQ

2.7 XMPP 协议(即时通信)

XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)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。

适用范围: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。

它有以下特点:

(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。

另外,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。

2.8 JMS (Java Message Service)

JMS (Java Message Service),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(Java Message Service)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)。这里,JDBC 是可以用来访问许多不同关系数据库的API,而JMS则提供同样与厂商无关的访问方法,以访问消息收发服务。许多厂商都支持JMS,包括IBM的MQSeries、BEA 的Weblogic JMS service 和Progress 的SonicMQ。JMS 能够通过消息收发服务(有时称为消息中介程序或路由器)从一个JMS 客户机向另一个JMS 客户机发送消息。消息是JMS 中的一种类型对象,由两部分组成:报头和消息主体。报头由路由信息以及有关该消息的元数据组成。消息主体则携带着应用程序的数据或有效负载。根据有效负载的类型来划分,可以将消息分为几种类型,它们分别携带:简单文本(TextMessage)、可序列化的对象(ObjectMessage)、属性集合(MapMessage)、字节流(BytesMessage)、原始值流(StreamMessage),还有无有效负载的消息(Message)。

2.9 通讯协议比较

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