物联网8大协议介绍及对比

一.物联网主流协议介绍

1.MQTT 协议

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)即消息队列遥测传输。

MQTT 协议最初是在 1999 年由 IBM 公司开发的,用于将石油管道上的传感器与卫星相连接。2014 年正式成为 OASIS 开放标准。

MQTT 使用类似 MQ 常用的发布 / 订阅模式,起到应用程序解耦、异步消息、削峰填谷的作用。很多 MQ 中间件也支持 MQTT 协议,比如 ActiveMQ、RabbitMQ、Kafka 等。

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。

优势:

使用发布 / 订阅模式,提供一对多的消息发布,使消息发送者和接受者在时间和时空上解耦。

二进制协议,网络传输开销非常小(固定头部是2字节)。

灵活的 Topic 订阅、QoS 等特性。

缺点:

集中化部署,服务端压力大,需要考虑流程控制及高可用。

对于请求 / 响应模式的支持需要在应用层根据消息 ID 做发布主题和订阅主题之间的关联。

MQTT 缺少存储转发队列功能。

2.CoAP 协议

CoAP(Constrained Application Protocol)即受限的应用协议。CoAP 是为了让低功耗受限设备可以接入互联网,由 IETF 组织制定的,它借鉴了 HTTP 大量成功经验,同样使用请求 / 响应工作模式。

使用范围:适用于互联网环境下一对一 M2M 通讯。

优势:

采用和 HTTP 相似语义的请求和响应码,使用二进制报文,报文大小较小。

传输层基于 UDP 协议,比 TCP 数据包小,并不需要建立连接带来握手的开销。

资源发送支持,通过观察者模式实现类似发布 / 订阅效果。

缺点:

基于 UDP 的不可靠传输,但通过四种报文类型的组合及重传机制提高了传输的可靠性。

基于 UDP 的无连接传输,不利于不同网络间消息的回传。

3.HTTP 协议

HTTP 协议,即超文本传输协议(Hypertext Transfer Protocol),是一种详细规定了浏览器和万维网服务器之间互相通信的规则,通过因特网传送万维网文档得到数据传送协议。

目前 HTTP 协议作为 WEB 的标准协议已被广泛使用,它在一些物联网场景中同样可以使用,例如手机、PC等终端设备。但是作为适应浏览器场景的 HTTP 协议,并不适用于物联网的其他设备。

适用范围:开放物联网中的资源,实现服务被其他应用所调用。

优势:

简单的工作模式,请求 / 响应。

完整的方法定义。

合理的状态码设计。

友好的媒体类型支持,如文本、图片、视频等。

缺点:

单向传输,可以通过客户端轮询实现类似推送效果或者HTTP2.0

安全性不高,HTTP是明文协议,可以使用 HTTPS 传输。

HTTP 是文本协议,冗长的协议头部,对于运算、存储、带宽资源受限的设备来说开销大。

4.AMQP

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)高级消息队列协议,是一个进程间传递异步消息的网络协议。

(1)工作过程

发布者(Publisher)发布消息(Message),经由交换机(Exchange)。

交换机根据路由规则将收到的消息分发给与该交换机绑定的队列(Queue)。

最后 AMQP 代理会将消息投递给订阅了此队列的消费者,或者消费者按照需求自行获取。

AMQP 定义了四种类型的交换机:

直接(点对点):消息直接发送给绑定到交换机的指定队列。

扇出:消息发送给绑定到交换机的所有队列。

主题(发布-订阅):消息根据路由键和交换机绑定的模式发送到相应的队列。

头部(发布-订阅):消息根据消息头部的匹配规则发送到相应的队列。

(2)AMQP 传输和帧

AMQP 是一种基于 TCP/IP 的二进制协议,它在客户端和 Broker 之间建立可靠的、持久的、面向流的连接。一个单一的套接字连接上可以创建多个信道,实现多个数据流的同时传输。

AMQP 1.0 版本中的帧由一个 8 字节的固定头部、一个可选的扩展头部和一个长度可变的二进制有效载荷组成。固定头部包含了帧类型、信道号和有效载荷大小的信息。有效载荷包含了要传输的实际消息,以及相关的元数据。

(3)AMQP的优缺点

优点:

支持存储转发队列:AMQP 支持存储转发队列,但相对于 MQTT 而言,牺牲了一些效率并增加了一些复杂度。

活的消息路由:AMQP 提供多种消息路由方式,包括点对点、发布-订阅和扇出。

安全:AMQP 支持 TLS 和 SASL 等加密和认证安全机制。

成熟的生态系统:AMQP 生态系统拥有丰富而成熟的开源服务器实现和客户端库,覆盖多种编程语言。

缺点:

复杂:AMQP 的模型涉及了许多概念,可能不太容易理解、配置和管理。

重量级:AMQP 在传输层通过“信道”实现了多路复用。而且每个 AMQP 帧都有 8 字节的头部开销。

向后兼容性差:AMQP 的最大问题是 0.9.1 版本和 1.0 版本完全不兼容,增加了解决方案的复杂度。

可扩展性和性能受限:AMQP 在一些场景中可能受到可扩展性和性能的限制。这是由于其架构相对于轻量级协议如 MQTT 而言,引入了更多的复杂性和开销。

(4)MQTT 与 AMQP 的详细对比

(5)选择 MQTT 和 AMQP 时需要考虑的因素

基于用户场景的评估:

选择 MQTT 或 AMQP 主要取决于用户场景的需求。如果您要处理资源有限的设备或不稳定的网络,MQTT 凭借其轻量级的特性可能是更佳的选择。如果您的用户场景需要复杂的路由和高可靠性,那么 AMQP 会更适合。

基于系统架构的评估:

系统架构也会影响决策。MQTT 的简单性使其成为具有清晰简单通信模型的系统的理想选择。AMQP 凭借其灵活性和强大的功能集,更适合具有多样化通信需求的复杂系统。

基于网络条件的评估:

网络条件是另一个重要因素。MQTT 在低带宽、高延迟或不可靠的网络中表现优异。相反,AMQP 由于其较高的开销,需要稳定的网络连接。

基于所需服务质量的评估:

MQTT 提供了三个级别的服务质量,可灵活保证消息的传输。AMQP 通过其持久化消息功能,可确保消息传输的高可靠性。

5.websocket

(1)概述

WebSocket 是一种用于在单个 TCP 连接上进行全双工通信的网络协议。它使用类似于 HTTP 的握手来建立连接,然后使用单独的持久连接来进行通信。这种方式使得 WebSocket 可以在浏览器和服务器之间进行实时通信,

而不需要多次发送 HTTP 请求来获取数据。这意味着连接是持久的,它一直保持打开,直到有一方主动关闭连接。这使得 WebSocket 非常适合用于实时应用程序,因为它不需要不断地建立和关闭连接。

(2)WebSocket的实际用途

最常见的用途是在实时应用程序开发中,它有助于在客户端持续显示数据。由于后端服务器不断发回此数据,WebSocket 允许在已打开的连接中不间断地推送或传输此数据,使此类数据传输更快,并利用了应用程序的性能。

WebSocket 连接是可以加密的,可以使用 TLS(Transport Layer Security,传输层安全)协议来保护数据的安全。这种加密连接使用的是 wss:// 协议前缀,与不加密的连接使用的 ws:// 协议前缀相区别。除此之外,

WebSocket 还支持安全握手协议(Secure Handshake Protocol),这使得它可以在浏览器和服务器之间进行加密通信。总的来说,WebSocket 具有较高的安全性,可以保护数据的安全。

(3)WebSocket和HTTP区别。

连接方式:HTTP是一种无状态的协议,每次请求都需要建立一个新的连接,完成请求后立即关闭连接。而WebSocket是一种全双工的协议,它在客户端和服务器之间建立一条持久的连接,可以实现双向通信。

数据传输:HTTP协议是基于请求-响应模式的,客户端发送请求,服务器返回响应。而WebSocket允许服务器主动向客户端推送数据,实现了服务器和客户端之间的实时双向通信。

数据格式:HTTP协议传输的数据通常是文本或二进制数据,而WebSocket可以传输任意格式的数据,包括文本、二进制、JSON等。

端口:HTTP协议使用的默认端口是80(HTTP)或443(HTTPS),而WebSocket使用的默认端口是80(WS)或443(WSS)。

总结来说,HTTP协议适用于客户端向服务器发送请求并获取响应的场景,而WebSocket适用于需要实时双向通信的场景,例如在线聊天、实时数据更新等。

(4)应用场景

主要应用场景:

在线聊天应用:WebSocket可以实现即时消息传递,无需轮询服务器即可接收和发送消息。

视频会议和协作工具:WebSocket可以实时传输音频和视频数据,以及屏幕共享等功能。

多人游戏:WebSocket可以实时更新游戏状态,确保玩家之间的交互流畅无延迟。

实时对战游戏:WebSocket可以快速响应玩家的动作,提供流畅的游戏体验。

股票交易平台:WebSocket可以实时推送股票市场的最新价格和交易数据。

实时新闻和体育赛事更新:WebSocket可以即时向用户推送新闻更新和赛事比分。

物联网应用场景(相对较少):

工业自动化:WebSocket可以用于实时监控和控制生产线上的设备。

智能家居:WebSocket可以实时接收和发送指令,控制家中的智能设备。

设备监控和控制:WebSocket可以用于远程监控和控制连接到互联网的设备。

实时传感器数据传输:WebSocket可以实时收集和传输来自传感器的数据。

6.XMPP协议

  (1)概述

       该协议的前身是Jabber,我们采取XMPP协议主来实现IM主要是考虑XMPP协议是以XML为基础的,它继承了在XML环境中灵活的发展性。这表明XMPP是可扩展的,所以XMPP信息不仅可以是简单的文本,

而且可以携带复杂的数据和各种格式的文件,也就是说XMPP协议不仅可以用在人与人之间的交流,而且可以实现软件与软件或软件与人之间的交流,目前支持XMPP协议的即时通讯工具有Gtalk、FaceBook IM、Twitter、

网易POPO等等通讯工具,具有非常好的发展情景。由于XMPP是一种基于XML架构的开放式协议,在IM通讯中被广泛采用。

(2)Xmpp协议内容

XMPP中定义了三个角色,客户端,服务器,网关。通信能够在这三者的任意两个之间双向发生。服务器同时承担了客户端信息记录,连接管理和信息的路由功能。网关承担着与异构即时通信系统的互联互通,

异构系统可以包括SMS(短信),MSN,ICQ等。基本的网络形式是单客户端通过TCP/IP连接到单服务器,然后在之上传输XML。

(3)应用场景

     XMPP协议主要在互联网及时通讯应用中运用的比较多,在物联网中目前较少应用;

7.DDS协议

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems,实时系统数据分发服务)是一种由对象管理组(OMG)为实时系统设计的中间件和数据分发协议。它主要用于分布式实时系统中的数据传输,确保数据在多个节点之间高效、可靠地流动。

主要特点:

数据中心性:DDS 是一种数据中心协议,这意味着它以数据为中心,而不是以服务或接口为中心。这种设计使得应用程序可以直接操作和分发数据,而不需要关注底层的通信机制。

实时性:DDS 专为实时系统设计,支持低延迟和高吞吐量的数据传输,确保数据在严格的时限内得到处理和分发。

灵活性:DDS 提供了多种数据分发模式,如发布/订阅(publish/subscribe)和查询(query),这使得开发者可以根据应用需求选择合适的分发策略。

可扩展性:DDS 支持从几个到成千上万个节点的可扩展性,这使得它适用于从小型系统到大型分布式系统的各种应用场景。

容错性:DDS 提供容错机制,确保即使在部分网络或系统组件失败的情况下,也能保持数据的一致性和可用性。

DDS 应用领域(物联网领域应用较少):

金融服务:实时市场数据的分发和交易执行。

电信:网络状态信息和用户数据的实时更新。

交通管理系统:实时监控和管理交通流量。

智能电网:实时监控和管理电网状态和数据。

国防和航空:实时战术数据和态势感知信息的分发。

8.LwM2M协议

LWM2M全称lightweight Machine to Machine,是一种物联网协议,主要可以使用在资源受限(包括存储、功耗等)的嵌入式设备上。LwM2M是一种轻量级的M2M协议,旨在简化设备管理并降低带宽要求。

协议层次结构:

LWM2M属于应用层协议,位于CoAP协议之上,而CoAP可以进行DTLS加密处理,最后通过UDP或SMS方式传送。

二.总结

       从当前物联网应用发展趋势来分析,MQTT协议具有一定的优势,因为目前国内外主要的云计算服务商,比如阿里云、AWS、百度云、Azure以及腾讯云都一概支持MQTT协议。

       还有一个原因就是MQTT协议比CoAP成熟的要早,所以MQTT具有一定的先发优势,但随着物联网的智能化和多变化的发展,后续物联网应用平台肯定会兼容更多的物联网应用层协议。

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