本文羅列下市面上物聯網通信中的各類消息技術-即工作在網絡通信的應用層協議,總結下它們各自特點、特定的物聯網應用場景等。
這類協議都直接用于在無線或有線網絡環境下的設備之間、人與設備之間的通信,物聯網開發者都會與這些協議打交道。
上圖為物聯網聯接的問題空間,其中物聯網的通信環境有Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC(近距離無線通信), Zigbee, 6LoWPAN(IPV6低速無線版本),Bluetooth, GSM, GPRS, GPS, 3G, 4G等網絡,而每一種通信應用協議都有一定適用范圍。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太網,COAP協議是專門為資源受限設備開發的協議,而DDS和MQTT的兼容性則強很多。
以上這幾種協議都已被廣泛應用,并且每種協議都有至少10種以上的代碼實現,都宣稱支持實時的發布/訂閱的物聯網協議,但是在具體物聯網系統架構設計時,需考慮實際場景的通信需求,選擇合適的協議。
這兒舉個智能家居的例子,說明下這些協議側重應用方向。智能家居中智能燈光控制,可以使用XMPP協議控制燈的開關;智能家居的電力供給,發電廠的發動機組的監控可以使用DDS協議;當電力輸送到千家萬戶時,電力線的巡查和維護,可以使用MQTT協議;家里的所有電器的電量消耗,可以使用AMQP協議,傳輸到云端或家庭網關中進行分析;后用戶想把自家的能耗查詢服務公布到互聯網上,那么可以使用REST/HTTP來開放API服務。
下面我們將一一詳細介紹下這些協議:
適用范圍:在低帶寬、不可靠的網絡下提供基于云平臺的遠程設備的數據傳輸和監控。
特點:
協議主要實現和應用:
點評:
MQTT協議一般適用于設備數據采集到端(Device->Server,Device->Gateway),集中星型網絡架構(hub-and-spoke),不適用設備與設備之間通信,設備控制能力弱,另外實時性較差,一般都在秒級。
適用范圍:分布式高可靠性、實時傳輸設備數據通信。目前DDS已經廣泛應用于國防、民航、工業控制等領域。
特點:
協議主要實現:
點評:
DDS很好地支持設備之間的數據分發和設備控制,設備和云端的數據傳輸,同時DDS的數據分發的實時效率非常高,能做到秒級內同時分發百萬條消息到眾多設備。DDS在服務質量(QoS)上提供非常多的保障途徑,這也是它適用于國防軍事、工業控制這些高可靠性、可安全性應用領域的原因。但這些應用都工作在有線網絡下,在無線網絡,特別是資源受限的情況下,沒有見到過實施案例。
適用范圍:早應用于金融系統之間的交易消息傳遞,在物聯網應用中,主要適用于移動手持設備與后臺數據中心的通信和分析。
特點:
協議實現:
適用范圍:即時通信的應用程序,還能用在網絡管理、內容供稿、協同工具、檔案共享、游戲、遠端系統監控等。
特點:
點評:
XMPP協議基于XML文本來傳輸的即時通訊指令,它原來的設計目的是互聯互通即時通訊服務的,在一些物聯網應用中,它被用作發送比較復雜的操作命令到設備端來進行設備控制。
適用范圍: REST/HTTP主要為了簡化互聯網中的系統架構,快速實現客戶端和服務器之間交互的松耦合,降低了客戶端和服務器之間的交互延遲。因此適合在物聯網的應用層面,通過REST開放物聯網中資源,實現服務被其他應用所調用。
特點:
適用范圍: CoAP是簡化了HTTP協議的RESTful API,CoAP是6LowPAN協議棧中的應用層協議,它適用于在資源受限的通信的IP網絡。
特點:
協議主要實現:
點評:
CoAP和6LowPan,這分別是應用層協議和網絡適配層協議,其目標是解決設備直接連接到IP網絡,也就是IP技術應用到設備之間、互聯網與設備之間的通信需求。因為IPV6技術帶來巨大尋址空間,不光解決了未來巨量設備和資源的標識問題,互聯網上應用可以直接訪問支持IPV6的設備,而不需要額外的網關。
以上幾種協議,有兩個特征是物聯網通信技術選擇時需要考慮的:
DDS、MQTT、AMQP和JMS都是基于發布/訂閱模式,發布/訂閱框架具有服務自發現、動態擴展、事件過濾的特點,它解決了物聯網系統在應用層的數據源快速獲取、物的加入和退出、興趣訂閱、降低帶寬流量等問題,實現物的聯接在空間上松耦合(雙方無需知道通信地址)、時間上松耦合和同步松耦合。
在服務策略的幫助下,DDS能夠有效地控制和管理網絡帶寬、內存空間等資源的使用,同時也能控制數據的可靠性、實時性和數據的生存時間,通過靈活使用這些服務質量策略,DDS不僅能在窄帶的無線環境上,也能在寬帶的有線通信環境上開發出滿足實時性需求的數據分發系統。
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