深挖物联网大数据背后的六大通信协议,DDS/MQTT/CoAP谁更强

2017-09-14 16:15:40 来源:CIO时代网
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那么物联网都有哪些通信协议?
 
你都了解吗?
 
他们适用的环境又是如何?
 
与互联网时代TCP/IP,HTTP一统天下的局面不同,物联网的通信环境有Ethernet, Wi-Fi, RFID, NFC(近距离无线通信), Zigbee, 6LoWPAN(IPV6低速无线版本),Bluetooth, GSM, GPRS, GPS, 3G, 4G等网络,而每一种通信应用协议都有一定适用范围。AMQP、JMS、REST/HTTP都是工作在以太网,COAP协议是专门为资源受限设备开发的协议,而DDSMQTT的兼容性则强很多。
 
1.REST(松耦合服务调用)
REST即表述性状态传递(英文:Representational State Transfer,简称REST)是Roy Fielding博士在2000年他的博士论文中提出来的一种软件架构风格。它是一种针对网络应用的设计和开发方式,可以降低开发的复杂性,提高系统的可伸缩性。
 
而REST被应用于物联网主要是基于HTTP web服务的转化,因为REST模式的Web服务与复杂的SOAP和XML-RPC对比来讲明显的更加简洁,越来越多的web服务开始采用REST风格设计和实现。
 
特点:
 
1. 给一切物体一个ID
 
2.连接物体在一起
 
3.使用标准方法
 
4.资源多重表述
 
5.无状态通信
 
REST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,所以它非常利于服务平台与物联终端的独立开发,但它的通讯数据量与API内容密切相关,且是一种无状态通信,对安全机制需要重新设计。
 
由于物联网中的很多设备都是资源受限型的,即只有少量的内存空间和有限的计算能力,所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。 IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。
 
CoAP是一种应用层协议,它运行于UDP协议之上而不是像HTTP那样运行于TCP之上。CoAP协议非常的小巧,最小的数据包仅为4字节。
 
CoAP协议是否可以替换HTTP协议?
 
CoAP并不能替代HTTP协议,但是对于那些小设备(256KB Flash 32KB RAM 20MHz主频)而言CoAP的确是一个好的解决方案。
 
CoAP消息类型
 
CoAP采用和HTTP协议相同的请求响应工作模式。CoAP协议共有4中不同的消息类型。
 
CON——需要被确认的请求,如果CON请求被发送,那么对方必须做出响应。
 
NON——不需要被确认的请求,如果NON请求被发送,那么对方不必做出回应。
 
ACK——应答消息,如果接受到CON消息的响应。
 
RST——复位消息,当接收者接受到的消息包含一个错误,接受者解析消息或者不再关心发送者发送的内容,那么复位消息将会被发送。
 
CoAP消息结构
 
一个CoAP消息最小为4个字节,以下是CoAP协议不同部分的描述。
 
【版本Version】:类似于IPv6和IPv6,仅仅是一个版本号。
 
【消息类型Message Type】:CON,NON,ACK,RST。这些消息类型相当于HTTP协议的PUTGET等
 
【消息ID Message ID】:每个CoAP消息都有一个ID,在一次会话中ID总是保持不变。但是在这个会话之后该ID会被回收利用。
 
【标记 Token】:标记是ID的另一种表现、
 
【选项 Options】:CoAP选项类似于HTTP请求头,它包括CoAP消息本身,例如CoAP端口号,CoAP主机和CoAP查询字符串等。
 
【负载Payload】:真正有用的被交互的数据。
 
在当前由PC机组成的世界,信息交换是通过TCP和应用层协议HTTP实现的。但是对于小型设备而言,实现TCP和HTTP协议显然是一个过分的要求。为了让小设备可以接入互联网,CoAP协议被设计出来。
 
3.MQTT协议(低带宽)
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议),是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的“轻量级”通讯协议,该协议构建于TCP/IP协议上,由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于,可以以极少的代码和有限的带宽,为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。做为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议,使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
 
MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议,提供有序、无损、双向连接。其特点包括:
 
1)使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多消息分发,以实现与应用程序的解耦。
 
2)对负载内容屏蔽的消息传输机制。
 
3)对传输消息有三种服务质量(QoS):
 
最多一次,这一级别会发生消息丢失或重复,消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即:<=1
 
至多一次,这一级别会确保消息到达,但消息可能会重复。即:>=1
 
只有一次,确保消息只有一次到达。即:=1。在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别
 
4)数据传输和协议交换的最小化(协议头部只有2字节),以减少网络流量
 
5)通知机制,异常中断时通知传输双方
 
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。
 
协议实现方式:
 
实现MQTT协议需要:客户端和服务器端
 
MQTT协议中有三种身份:发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中,消息的发布者和订阅者都是客户端,消息代理是服务器,消息发布者可以同时是订阅者。
 
MQTT传输的消息分为:主题(Topic)和负载(payload)两部分
 
Topic,可以理解为消息的类型,订阅者订阅(Subscribe)后,就会收到该主题的消息内容(payload)
 
payload,可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容
 
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。
 
4.DDS协议(高可靠性、实时)
数据分发服务DDS(Data Distribution Service)是对象管理组织(OMG)在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范,DDS采用发布/订阅体系架构,强调以数据为中心,提供丰富的QoS服务质量策略,能保障数据进行实时、高效、灵活地分发,可满足各种分布式实时通信应用需求。DDS信息分发中间件是一种轻便的、能够提供实时信息传送的中间件技术。
 
特点:
 
1) 灵活的发布/订阅模式
 
2) 完整DDS规范QoS服务质量策略
 
3) 已扩展的QoS服务质量策略
 
4) 互操作
 
5) 强实时
 
6) 跨平台
 
7) 支持多种底层物理通信协议
 
8) 仿真→测试→实装的全生命周期支持
 
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。
 
5.AMQP协议(互操作性)
AMQP,即Advanced Message Queuing Protocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可传递消息,并不受客户端/中间件不同产品,不同的开发语言等条件的限制。Erlang中的实现有 RabbitMQ等。
 
AMQP协议是一个二进制协议,拥有一些现代特点:多信道、协商式、异步、安全、跨平台、中立、高效。
 
AMQP通常被划分为三层:
 
模型层定义了一套命令(按功能分类),客户端应用可以利用这些命令来实现它的业务功能。
 
会话层负责将命令从客户端应用传递给服务器,再将服务器的应答传递给客户端应用,会话层为这个传递过程提供可靠性、同步机制和错误处理。
 
传输层提供帧处理、信道复用、错误检测和数据表示。
 
实现者可以将传输层替换成任意传输协议,只要不改变AMQP协议中与客户端应用程序相关的功能。实现者还可以使用其他高层协议中的会话层。
 
AMQP协议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。
 
6.XMPP协议(即时通信)
XMPP是一种基于标准通用标记语言的子集XML的协议,它继承了在XML环境中灵活的发展性。因此,基于XMPP的应用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP可以通过发送扩展的信息来处理用户的需求,以及在XMPP的顶端建立如内容发布系统和基于地址的服务等应用程序。而且,XMPP包含了针对服务器端的软件协议,使之能与另一个进行通话,这使得开发者更容易建立客户应用程序或给一个配好系统添加功能。
 
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
 
XMPP协议是自由、开放、公开的,并且易于了解。而且在客户端、服务器、组件、源码库等方面,都已经各自有多种实现。但随着通常超过70%的XMPP协议的服务器的数据流量的存在和近60%的被重复转发,XMPP协议目前拥有一个大型架空中存在的数据提供给多个收件人。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。
 
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