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IOT（34）---联⽹常见通信协议与通讯协议梳理-通讯协议 联⽹常见通信协议与通讯协议梳理【上】- 通讯协议
1 “通信”与“通讯”傻傻分得清
传统意义上的“通讯”主要指电话、电报、电传。通讯的“讯”指消息（Message），媒体讯息通过通讯⽹络从⼀端传递到另外⼀端。媒体讯息的内容主要是话⾳、⽂字、图⽚和视频图像。其⽹络的构成主要由电
⼦设备系统和⽆线电系统构成，传输和处理的信号是模拟的。所以，“通讯”⼀词应特指采⽤电报、电话、⽹络等媒体传输系统实现上述媒体信息传输的过程。“通讯”重在内容形式，因此通讯协议主要集中在ISO七层协议中的应⽤层。 “通信”仅指数据通信，即通过和数据通信系统实现数据的端到端传输。通信的“信”指的是信息（Information），信息的载体是⼆进制的数据，数据则是可以⽤来表达形式的信息，如声⾳、图像、动画等。“通信”重在传输⼿段或使⽤⽅式，从这个⾓度，“通信”的概念包括了信息“传输”。因此通信协议主要集中在ISO七层协议中的物理层、数据链路层、⽹络层和传输层。
在物联⽹应⽤中，通信技术包括Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、GSM、GPRS、3/4/5G⽹络、Ethernet、RS232、RS485、USB等。
相关的通信协议（协议栈、技术标准）包括Wi-Fi（IEEE 802.11b）、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、
CDMA/TDMA、TCP/IP、WCDMA、TD-SCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、TCP/IP、HTTP等。注：3GPP将5G技术标准制定分为两个阶段，原计划中第⼀阶段的标准将在2018年底作为R15的⼀部分公布，将仅针对NR。第⼆阶段的标准将在2019年底作为R16的⼀部分，包括整个5G架构（包括核⼼⽹络）。
物联⽹技术框架体系中所使⽤到的通讯协议主要有：AMQP、JMS、REST、HTTP/HTTPS、COAP、DDS 、MQTT等。
2 通讯协议
2.1 HTTP/HTTPS
⼀、HTTP
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HTTP是⼀个属于应⽤层的⾯向对象的协议，由于其简捷、快速的⽅式，适⽤于分布式超媒体信息系
统。它于1990年提出，经过⼏年的使⽤与发展，得到不断地完善和扩展。⽬前在WWW中使⽤的是HTTP/1.0的第六版，HTTP/1.1的规范化⼯作正在进⾏之中，⽽且HTTP-NG(Next Generation of HTTP)的建议已经提出。
HTTP协议的主要特点可概括如下：
（1）⽀持客户/服务器模式。
（2）简单快速。客户向服务器请求服务时，只需传送请求⽅法和路径。请求⽅法常⽤的有GET、HEAD、POST。每种⽅法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单，使得HTTP服务器的程序规模⼩，因⽽通信速度很快。
（3）灵活。HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
（4）⽆连接。⽆连接的含义是限制每次连接只处理⼀个请求。服务器处理完客户的请求，并收到客户的应答后，即断开连接。采⽤这种⽅式可以节省传输时间。
（5）⽆状态。HTTP协议是⽆状态协议。⽆状态是指协议对于事务处理没有记忆能⼒。缺少状态意味着如果后续处理需要前⾯的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增⼤。另⼀⽅⾯，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。
⼆、HTTPS
熔炼焊剂HTTPS（Hypertext TransferProtocol over Secure Socket Layer，基于SSL的HTTP协议）使⽤了HTTP协议，但HTTPS使⽤不同于HTTP协议的默认端⼝及⼀个加密、⾝份验证层（HTTP与TCP之间）。这个协议的最初研发由⽹景公司进⾏，提供了⾝份验证与加密通信⽅法，现在它被⼴泛⽤于互联⽹上安全敏感的通信。
客户端在使⽤HTTPS⽅式与Web服务器通信时有以下⼏个步骤，如图所⽰。 （1）客户使⽤https的URL访问Web服务器，要求与Web服务器建⽴SSL连接。
（2）Web服务器收到客户端请求后，会将⽹站的证书信息（证书中包含公钥）传送⼀份给客户端。
（3）客户端的浏览器与Web服务器开始协商SSL连接的安全等级，也就是信息加密的等级。
（4）客户端的浏览器根据双⽅同意的安全等级，建⽴会话密钥，然后利⽤⽹站的公钥将会话密钥加密，并传送给⽹站。
（5）Web服务器利⽤⾃⼰的私钥解密出会话密钥。
（6）Web服务器利⽤会话密钥加密与客户端之间的通信。
2.2 WebService/REST
⾸先说明下，WebService和REST都不是⼀种协议，他们是基于HTTP/HTTPS的⼀种技术⽅式或风格，之所以放在这⾥，是因为在物联⽹应⽤服务对外接⼝⽅式常采⽤WebService和RESTful API。
⼀、WebService无缝内衣
WebService是⼀种跨编程语⾔和跨平台的远程调⽤技术。
XML+XSD,SOAP和WSDL就是构成WebService平台的三⼤技术。
（1）XML+XSD
WebService采⽤HTTP协议传输数据，采⽤XML格式封装数据（即XML中说明调⽤远程服务对象的哪个⽅法，传递的参数是什么，以及服务对象的返回结果是什么）。XML是WebService平台中表⽰数据的格式。除了易于建⽴和易于分析外，XML主要的优点在于它既是平台⽆关的，⼜是⼚商⽆关的。⽆关性是⽐技术优越性更重要的：软件⼚商是不会选择⼀个由竞争对⼿所发明的技术的。
XML解决了数据表⽰的问题，但它没有定义⼀套标准的数据类型，更没有说怎么去扩展这套数据类型。例如，整形数到底代表什么？16位，32位，64位？这些细节对实现互操作性很重要。XML Schema(XSD)就是专门解决这个问题的⼀套标准。它定义了⼀套标准的数据类型，并给出了⼀种语⾔来扩展这套数据类型。WebService平台就是⽤XSD来作为其数据类型系统的。当你⽤某种语⾔(如VB或C#)来构造⼀个Web service时，为了符合WebService标准，所有你使⽤的数据类型都必须被转换为XSD类型。你⽤的⼯具可能已经⾃动帮你完成了这个转换，但你很可能会根据你的需要修改⼀下转换过程。
（2）SOAP
WebService通过HTTP协议发送请求和接收结果时，发送的请求内容和结果内容都采⽤XML格式封装，并增加了⼀些特定的HTTP消息头，以说明HTTP消息的内容格式，这些特定的HTTP消息头和XML内容格式就是SOAP协议。SOAP提供了标准的RPC⽅法来调⽤Web Service。氢氧焊接机
SOAP协议 = HTTP协议 + XML数据格式
SOAP协议定义了SOAP消息的格式，SOAP协议是基于HTTP协议的，SOAP也是基于XML和XSD的，XML是SOAP的数据编码⽅式。打个⽐喻：HTTP就是普通公路，XML就是中间的绿⾊隔离带和两边的防护栏，SOAP就是普通公路经过加隔离带和防护栏改造过的⾼速公路。
（3）WSDL
好⽐我们去商店买东西，⾸先要知道商店⾥有什么东西可买，然后再来购买，商家的做法就是张贴⼴告海报。 WebService也⼀
样，WebService客户端要调⽤⼀个WebService服务，⾸先要有知道这个服务的地址在哪，以及这个服务⾥有什么⽅法可以调⽤，所
以，WebService务器端⾸先要通过⼀个WSDL⽂件来说明⾃⼰家⾥有啥服务可以对外调⽤，服务是什么（服务中有哪些⽅法，⽅法接受的参数是什么，返回值是什么），服务的⽹络地址⽤哪个url地址表⽰，服务通过什么⽅式来调⽤。
WSDL(Web Services Description Language)就是这样⼀个基于XML的语⾔，⽤于描述Web Service及其函数、参数和返回值。它是WebService客户端和服务器端都能理解的标准格式。因为是基于XML的，所以WSDL既是机器可阅读的，⼜是⼈可阅读的，这将是⼀个很⼤的好处。⼀些最新的开发⼯具既能根据你的Web service⽣成WSDL⽂档，⼜能导⼊WSDL⽂档，⽣成调⽤相应WebService的代理类代码。
WSDL⽂件保存在Web服务器上，通过⼀个url地址就可以访问到它。客户端要调⽤⼀个WebService服务之前，要知道该服务的WSDL⽂件的地址。WebService服务提供商可以通过两种⽅式来暴露它的WSDL⽂件地址：1.注册到UDDI服务器，以便被⼈查；2.直接告诉给客户端调⽤者。
⼆、REST
REST (Representational State Transfer)，表征状态转换，是基于HTTP 协议开发的⼀种通信风格，⽬前还不是标准。
适⽤范围：REST/HTTP 主要为了简化互联⽹中的系统架构，快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合，降低了客户端和服务器之间的交互延迟。因此适合在物联⽹的应⽤层⾯，通过REST 开放物联⽹中资源，实现服务被其他应⽤所调⽤。它有以下特点： （1）REST 指的是⼀组架构约束条件和原则。满⾜这些约束条件和原则的应⽤程序或设计就是RESTful；
（2）客户端和服务器之间的交互在请求之间是⽆状态的；
（3）在服务器端，应⽤程序状态和功能可以分为各种资源，它向客户端公开。资源的例⼦有：应⽤程序对象、数据库记录、算法等等。每个资源都使⽤URI (Universal Resource Identifier) 得到⼀个惟⼀的地址。所有资源都共享统⼀的界⾯，以便在客户端和服务器之间传输状态；
（4）使⽤的是标准的HTTP⽅法，⽐如GET、PUT、POST 和DELETE。
REST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RESTAPI的⽅式，把数据服务开放出去，被互联⽹中其他应⽤所调⽤。
2.3 CoAP 协议
CoAP (Constrained Application Protocol)，受限应⽤协议，应⽤于⽆线传感⽹中协议。
适⽤范围：CoAP 是简化了HTTP 协议的RESTfulAPI，CoAP 是6LowPAN 协议栈中的应⽤层协议，它适⽤于在资源受限的通信的IP ⽹络。它有以下特点：
（1）报头压缩。CoAP 包含⼀个紧凑的⼆进制报头和扩展报头。它只有短短的4B 的基本报头，基本报头后⾯跟扩展选项。⼀个典型的请求报头为10～20B。
（2）⽅法和URIs。为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP ⽀持GET、PUT、POST 和DELETE 等⽅法。CoAP 还⽀持URIs，这是Web 架构的主要特点。
（3）传输层使⽤UDP 协议。CoAP 协议是建⽴在UDP 协议之上，以减少开销和⽀持组播功能。它也⽀持⼀个简单的停⽌和等待的可靠性传输机制。
（4）⽀持异步通信。HTTP 对M2M(Machine-to-Machine)通信不适⽤，这是由于事务总是由客户端发起。⽽CoAP 协议⽀持异步通信，这对M2M 通信应⽤来说是常见的休眠/唤醒机制。
（5）⽀持资源发现。为了⾃主的发现和使⽤资源，它⽀持内置的资源发现格式，⽤于发现设备上的资源列表，或者⽤于设备向服务⽬录公告⾃⼰的资源。它⽀持RFC5785 中的格式，在CoRE 中⽤/.well—known/core 的路径表⽰资源描述。
（6）⽀持缓存。CoAP 协议⽀持资源描述的缓存以优化其性能。
CoAP协议主要实现：
（1）libcoap(C 语⾔实现)
（2）Californium(java 语⾔实现)
另外，CoAP 和6LowPan，这分别是应⽤层协议和⽹络适配层协议，其⽬标是解决设备直接连接到IP ⽹络，也就是IP 技术应⽤到设备之间、互联⽹与设备之间的通信需求。因为IPV6 技术带来巨⼤寻址空间，不光解决了未来巨量设备和资源的标识问题，互联⽹上应⽤可以直接访问⽀持IPV6 的设备，⽽不需要额外的⽹关。
2.4 MQTT 协议(低带宽)
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )，消息队列遥测传输，由IBM 开发的即时通讯协议，相⽐来说⽐较适合物联⽹场景的通讯协议。MQTT 协议采⽤发布/订阅模式，所有的物联⽹终端都通过TCP 连接到云端，云端通过主题的⽅式管理各个设备关注的通讯内容，负责将设备与设备之间消息的转发。钢结硬质合金
MQTT 在协议设计时就考虑到不同设备的计算性能的差异，所以所有的协议都是采⽤⼆进制格式编解码，并且编解码格式都⾮常易于开发和实现。最⼩的数据包只有2个字节，对于低功耗低速⽹络也有
很好的适应性。有⾮常完善的QOS 机制，根据业务场景可以选择最多⼀次、⾄少⼀次、刚好⼀次三种消息送达模式。运⾏在TCP 协议之上，同时⽀持TLS(TCP+SSL)协议，并且由于所有数据通信都经过云端，安全性得到了较好地保障。
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。
它具有以下特点：
（1）使⽤基于代理的发布/订阅消息模式，提供⼀对多的消息发布；
（2）使⽤TCP/IP 提供⽹络连接；
（3）⼩型传输，开销很⼩(固定长度的头部是2 字节)，协议交换最⼩化，以降低⽹络流量；
（4）⽀持QoS，有三种消息发布服务质量：“⾄多⼀次”， “⾄少⼀次”， “只有⼀次”。
协议主要实现和应⽤：
（1）已经有PHP，JAVA，Python，C，C#等多个语⾔版本的协议框架；
（2）IBM Bluemix 的⼀个重要部分是其IoTFoundation 服务，这是⼀项基于云的MQTT实例；
（3）移动应⽤程序也早就开始使⽤MQTT，如Facebook Messenger 和com 等。
另外，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。
2.5 DDS 协议(⾼可靠性、实时)
DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)，⾯向实时系统的数据分布服务，这是⼤名⿍⿍的OMG 组织提出的协议，其权威性应该能证明该协议的未来应⽤前景。
适⽤范围：分布式⾼可靠性、实时传输设备数据通信。⽬前DDS 已经⼴泛应⽤于国防、民航、⼯业控制等领域。
它具有以下特点：
（1）以数据为中⼼；
（2）使⽤⽆代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多；
（3）提供多⼤21 种QoS服务质量策略。
协议主要实现：
（1）OpenDDS 是⼀个开源的C++ 实现；
（2）OpenSplice DDS；
另外，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。
2.6 AMQP 协议(互操作性)
AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)，先进消息队列协议，这是OASIS 组织提出的，该组织曾提出OSLC(Open Source Lifecyle)标准，⽤于业务系统例如PLM，ERP，MES等进⾏数据交换。
适⽤范围：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。
它有以下特点：
（1）Wire 级的协议，它描述了在⽹络上传输的数据的格式，以字节为流；
（2）⾯向消息、队列、路由(包括点对点和发布/订阅)、可靠性、安全；
协议实现：
（1）Erlang 中的实现有RabbitMQ
（2）AMQP 的开源实现，⽤C 语⾔编写OpenAMQ
（3）Apache Qpid
（4）stormMQ
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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