一文读懂XMPP/DDS/MQTT/AMQP/REST/HTTP协议的区别

2017-10-10 14:45:48 来源: 公众账号
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序言

物联网终端的种类非常多,包括物联网网关、通信模块以及大量的行业终端,其中尤以行业终端的种类最为丰富。通信模块是物联网应用终端的基础。物联网的行业终端种类繁多,体积、处理能力、对外接口等各不相同,通信模块将成为物联网智能服务通道的统一承载体,嵌入各种行业终端,为各行各业提供物联网的智能通道服务。而在通信中,通信协议尤其重要,是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定,而且根据终端环境的不同对通信协议的要求完全不一致。
 
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 DDS 和 MQTT 的兼容性则强很多。
 
这儿举个智能家居的例子,说明下这些协议侧重应用方向。智能家居中智能灯光控制,可以使用 XMPP 协议控制灯的开关;智能家居的电力供给,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。
 
下面我们将一一详细介绍下这些协议:
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:
给一切物体一个 ID
 
连接物体在一起
 
使用标准方法
 
资源多重表述
 
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。
 
2.CoAP 协议
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:
灵活的发布 / 订阅模式
 
完整 DDS 规范 QoS 服务质量策略
 
已扩展的 QoS 服务质量策略
 
互操作
 
强实时
 
跨平台
 
支持多种底层物理通信协议
 
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:
客户机 / 服务器通信模式
 
分布式网络
 
简单的客户端,将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
 
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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