物联网标准和协议指南—物联网协议

在谈论物联网时，我们总是在考虑交流。传感器，设备，网关，服务器和用户应用程序之间的交互是使物联网成为现实的基本特征。但是，使所有这些聪明的东西都可以交谈和交互的是IoT协议，可以将其视为IoT设备用于通信的语言。

物联网协议概述

约束应用协议(CoAP)

现有的Internet基础架构可免费使用且可用于任何IoT设备，但对于大多数IoT用例而言，它通常被证明过于沉重且耗能。由IETF约束RESTful环境工作组创建并于2013年启动，约束应用协议(CoAP)旨在转换HTTP模型，以便可以在限制性设备和网络环境中使用。

CoAP旨在满足基于HTTP的IoT系统的需求，它依靠用户数据报协议(UDP)在端点之间建立安全通信。通过允许广播和多播，UDP能够将数据传输到多个主机，同时保持通信速度和低带宽使用率，这使其非常适合通常在资源受限的M2M环境中使用的无线网络。CoAP与HTTP共享的另一件事是RESTful体系结构，该体系结构支持应用程序端点之间的请求/响应交互模型。而且，CoAP采用基本的HTTP get，post，put和delete方法，因此在客户端之间进行交互时可以避免歧义。

CoAP具有服务质量，用于控制发送的消息并将消息相应地标记为“可确认”或“不可确认”，这表明收件人是否应返回“确认”。CoAP的其他有趣功能是它支持内容协商和资源发现机制。除了传输IoT数据外，CoAP还利用数据报传输层安全性(DTLS)在传输层中安全地交换消息。CoAP完全满足了极轻协议的需求，以满足电池供电或低能耗设备的需求。总而言之，CoAP与现有的基于Web服务的IoT系统非常匹配。

消息队列遥测传输(MQTT)

消息队列遥测传输可能是迄今为止工业物联网中最广泛采用的标准，是一种轻量级的发布/订阅类型(pub / sub)消息传递协议。MQTT专为电池供电的设备而设计，其架构简单轻巧，为设备提供了低功耗。它基于TCP / IP协议，特别为不可靠的通信网络而设计，以应对近年来出现在网络中的小型廉价低功耗对象数量日益增长的问题。

MQTT基于订户，发布者和代理模型。在模型中，发布者的任务是收集数据，并通过中介层(即代理)将信息发送给订户。另一方面，代理的作用是通过交叉检查发布者和订阅者的授权来确保安全。MQTT提供了三种实现此目的的方式(服务质量)，借助该方式，发布者可以定义其消息的质量：

• QoS0(最多一次)：可靠性最低的模式，但最快的模式。发送出版物，但未收到确认。
• QoS1(至少一次)：确保消息至少被传递一次，但是可能会收到重复消息。
• QoS2(恰好一次)：最可靠的模式，同时最消耗带宽。控制重复项以确保仅将邮件传递一次。

MQTT在电表，车辆，检测器以及工业或卫生设备等物联网设备中得到广泛应用，因此可以很好地满足以下需求：

• 最小带宽使用
• 通过无线网络操作
• 低能耗
• 必要时具有良好的可靠性
• 很少的处理和内存资源

尽管具有其特性，但是由于某些事实通过TCP传输消息并管理长主题名称，因此MQTT对于某些限制性很强的设备可能会出现问题。这可以通过使用UDP并支持主题名称索引的MQTT-SN变体解决。但是，尽管MQTT被广泛采用，但它不支持定义明确的数据表示和设备管理结构模型，这使其数据管理和设备管理功能的实现完全针对特定平台或特定于供应商。

WIFI

创建Wi-Fi网络要求设备能够发送无线信号，这意味着电话，计算机或路由器等设备。在家里，路由器用于将Internet连接从公共网络传输到私人家庭或办公室网络。WiFi提供Internet连接到一定范围内的附近设备。使用WiFi的另一种方法是创建WiFi热点，即电话或计算机可以通过广播信号与其他设备共享无线或有线Internet连接。

WiFi使用在特定频率(例如2.4 GHz或5 GHz信道)上广播信息的无线电波。两个频率范围均具有多个信道，不同的无线设备可以通过这些信道工作，这有助于分配负载，从而不会中断设备的各个连接。这在很大程度上防止了无线网络的溢出。

标准WiFi连接的典型范围是100米。但是，最常见的范围限于10-35米。有效的网络覆盖范围受到天线强度或传输频率的极大影响。WiFi Internet连接的范围和速度取决于环境以及它提供内部还是外部覆盖。因此，使用WiFi互联网连接的各种设备的速度随着计算机接近主信号源而增加，而速度随着计算机远离信号源而降低。

ZigBee

基于ZigBee的网络的特点是功耗低，吞吐量低(高达250 kbps)，节点之间的连接范围为100米。典型的应用包括传感器网络，个人网络(WPAN)，家庭自动化，警报系统和监视系统。

它的初始规范在2003年被确认为IEEE标准，并且与之兼容的首个OEM模块ZigBee于2006年初开始批量销售。

ZigBee被开发为自配置，短距离无线电网络的标准，旨在用于遥测系统，各种类型的传感器，监视设备之间的通信以及无线读取电能表和热量表的测量结果， ZigBee标准相对简单，可抵抗通信错误和未经授权的读取，分组数据交换协议，通常在要求相对较小的设备(例如微控制器，传感器等)中实现。

ZigBee基于自组装和自修复的网格拓扑，因此易于安装和维护。它还可以轻松扩展到数千个节点，如今，许多供应商提供了支持此开放标准的设备。

蓝牙

蓝牙是一项允许无线连接各种电子设备的技术，例如电话，键盘，计算机，笔记本电脑，鼠标，掌上电脑，打印机，耳机或免提电话等。如果您不希望使用类似Wiki的定义，那么这是IEEE 802.15.1规范中描述的开放标准，其技术规范包括三类ERP 1-3传输功率，分别为100、10和1米的开放空间。最常见的类是第二类(10m)，它使您可以连接位于不同房间甚至不同楼层的设备。

该标准使用2.4 GHz ISM频带中的无线电波，并且启用该标准的设备是蓝牙适配器。

在蓝牙技术中，数据以数据包的形式发送到带宽为1 Mhz的79个通道之一(对于最旧的Bluetooth 1.0标准而言)，这可确保最大传输速度为721 kbit / s。对于最新的蓝牙4.0标准，有40个通道的带宽为2 Mhz，这保证了最高3 Mb / s的最大数据传输速度。值得一提的是，保证更快的数据传输和更高安全性的新蓝牙标准也与旧版本兼容。

可扩展消息和状态协议(XMPP)

由Jabber开源社区于1999年开发，最初用于实时消息传递，该面向消息中间件的通信IoT协议基于XML语言。它允许在两个或多个网络客户端之间实时交换结构化但可扩展的数据。

自成立以来，XMPP已被广泛用作通信协议。随着时间的流逝以及轻量级XMPP规范的出现：XMPP-IoT，它已继续用于物联网环境。作为一个开放社区支持的标准，XMPP IoT的优势在于地址和可伸缩性功能，使其非常适合面向消费者的IoT部署。

在物联网通信中使用XMPP的缺点中，应注意的是它既不提供服务质量也不提供端到端加密。由于这些限制，除其他因素外，预计其在物联网中的应用将保持与业界的松散连接，因为该协议绝对不会成为日常数据交换和管理的标准。资源受限的设备，就像MQTT或LwM2M一样。

数据分发服务(DDS)

DDS协议是在发布-订阅方法的基础上开发的。由对象管理组(OMG)设计的DDS协议，用于实时M2M通信，可在独立于硬件和软件平台的连接设备之间实现可扩展，可靠，高性能和可互操作的数据交换。DDS支持无代理架构和多播，以提供高质量的QoS并确保互操作性。

DDS协议的体系结构基于以数据为中心的发布-订阅层(DCPS)和可选的数据本地重建层(DLRL)。尽管DCPS层负责向订户提供资源感知，可扩展和高效的数据分发，但DLRL提供了DCPS功能的接口，从而允许在IoT连接的对象之间传输数据。

尽管不是典型的物联网解决方案，但DDS仍然可以在某些工业物联网部署中找到其应用，例如：空中交通控制，智能电网管理，自动驾驶汽车，运输系统，机器人技术，发电和医疗保健服务。总体而言，DDS可用于管理轻型设备之间的数据交换以及大型高性能传感器网络的互连。它还可以从云发送和接收数据。

高级消息队列协议(AMQP)

AMQP是一种开放标准的发布/订阅类型协议，起源于2003年，其起源于金融服务行业。尽管它在信息通信技术中取得了一些进展，但在物联网行业中其使用仍然受到很大限制。AMQP规范描述了消息定向，排队，路由(包括点对点以及发布和订阅)，可靠性和安全性等功能。AMQP的最大好处可能是其强大的通信模型。AMQP可以保证完整的交易-尽管有用，但并不总是IoT应用程序需要的。

由于AMQP较重，因此不适合内存，功率或网络带宽有限的传感器设备使用，但对于单独的物联网用例，它可能是唯一适用于端到端应用程序的协议，包括工业重型机械等示例或SCADA系统，其中设备和网络通常具有更强大的功能。

轻量级M2M(LwM2M)

LwM2M与物联网中应用的其他协议的不同之处在于，LwM2M经过专门设计，可以满足资源受限设备的全面处理要求。它由开放移动联盟(现为OMA SpecWorks)于2014年推出，为IoT数据通信和设备管理提供了明确的标准。

为什么要关心物联网协议?

智能设备与普通设备的区别在于，后者在出现故障时保持静音，而前者能够在遇到任何问题时与其他设备(不仅是相同类型的设备)进行对话，并且需要，将故障传达给用户或自动寻求帮助。但是，只有在存在一种通信媒介(一种给定的IoT生态系统中的所有设备都可以共享并能够使用的通用“语言”)的情况下，每种此类交互实例才有可能。在物联网中，该介质由IoT协议提供：要么是已长期使用的Internet协议，要么是专门为连接的设备通信而开发的IoT协议。

这是物联网需要标准化物联网协议的原因之一。它们有助于避免进一步分散，从而最大程度地降低安全威胁的风险。

尽管这似乎是所有人都同意的肯定，但迄今为止，几乎没有人提出建议来统一所有物联网通信的全球标准。然而，在过去的几年中，物联网已经出现了旨在应对挑战并提供多功能性而又不牺牲安全性，部署速度和简便性的协议。OMA轻量级M2M是一种可满足各种设备管理用例在提供通用标准的同时提供适用解决方案的具体需求的物联网协议，本文稍后将对此进行讨论。

另一方面，物联网的碎片化是物联网本身的本质的结果：物联网内部以技术和标准的多样性代表的异质性与物联网旨在连接的世界上物联网的多样性相匹配。同样，物联网通信有很多方面，每种方面都有适合自己目的的协议类型。IoT协议可以根据它们在网络中扮演的角色进行划分。除其他外，在连接基础结构(例如6LowPAN)，通信(Wi-Fi，蓝牙)，数据传输(MQTT，CoAP，XMPP)，安全性(DTLS)，设备管理以及遥测(LwM2M)中使用协议。

结语

在过去的二十年中，物联网在全球范围内持续快速发展。它已遍及制造业，医疗保健，汽车，安全，运输等众多行业分支，极大地增强了企业的能力并为其带来了经济价值。

如今，物联网支持数十种不同的物联网协议。有鉴于此，许多物联网专家已经开始呼吁全球协议标准化。但是，由于内在的分散性，物联网市场可能永远不会真正需要包罗万象的标准。正如物联网行业中出现越来越多的应用程序和用例一样，适合其用途的物联网协议的部署也将一路走来。再次强调，安全有效的设备管理是全球物联网网络可持续发展的基石。这就是描述和理解各种物联网协议真正重要的原因之一。因此，真正需要的是了解自己的业务需求和要求