物联网架构各个层次通讯协议

如上图所示，本文从以下几个维度对物联网常见的几种协议进行阐述。

一、按网络四层协议分类：

NB-IoT，LORA，WIFI，蓝牙，zigbee，4G都是需要硬件支撑的。

MQTT，COAP，HTTP都是应用层协议，需要连接服务器，现在有很多物联网平台，比如阿里云，腾讯云，华为云等等。

所以(MQTT，COAP，HTTP)是居于(NB-IoT，LORA，WIFI，蓝牙，zigbee，4G)的上层协议物理层中。

二、按需要网关来分类：

• 不需要网关：NB-IoT，2G/4G/5G(芯片可以直接跟运营商：移动，联通，电信等运营商网络通信。)
• 需要网关：LORA，WIFI，zigbee(不能直接连上电信运营商，需要通过一个网关中转才能连接网络。)

蓝牙设备之间可以通信。

三、NB-IoT，4G对比：

NB-IoT低功耗，传输小数据，传输速度底，芯片模组和套餐便宜。目前NB基站还较少，不过华为在大力推这个通信方式，相信以后会普及。

2G/4G/5G：传输速度快和可以传输大的数据，但是功耗高，价格贵

WIFI和zigbee对比：

• wifi 功耗高，传输速率大11-54Mbps，功耗高10-50mA，距离短20-50m。一个路由只能加入较少设备。
• zigbee功耗低，传输数据慢100Kbps，功耗20mA，可以中继，距离远几百到几千米。一个zigbee网关可以加入成千上万的zigbee设备。

四、应用层协议：MQTT和COAP对比

1. MQTT

mqtt 是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。

是非常轻量化的通信协议，开销很小(固定头部2字节)，是订阅/发布通信方式，可以一对多，多对一。是TCP通信协议。有三种方式，至多一次：

• 最多一次：保证尽力交付，
• 至少一次：保证消息至少传送一次。但是消息也可以不止一次传递。
• 只有一次：保证每个消息只被对方接收一次。

在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)、卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

2. coap

• COAP协议网络传输层由TCP改为UDP。
• 基于REST，server的资源地址和互联网一样也有类似url的格式，客户端同样有POST，GET,PUT,DELETE方法来访问server，对HTTP做了简化。
• COAP是二进制格式的，HTTP是文本格式的，COAP比HTTP更加紧凑。
• 轻量化，COAP最小长度仅仅4B，一个HTTP的头都几十个B了
• 支持可靠传输，数据重传，块传输。 确保数据可靠到达。
• 支持IP多播, 即可以同时向多个设备发送请求。
• 非长连接通信，适用于低功耗物联网场景。

3. 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。

特点：

• 以数据为中心
• 使用无代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多
• 提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现：

• OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现
• OpenSplice DDS

4. XMPP

XMPP是基于XML的协议，由于其开放性和易用性，在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP，XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的，开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程，相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。在设计时都是根据互联网应用场景设计的，但是个协议的通病就是根本无法适用物联网设备的多样性，无法适用很多物联网设备对低功耗、低成本的需求，难以在极低资源的物联网设备中运用。

5. HTTP协议

HTTP协议是典型的CS通讯模式，由客户端主动发起连接，向服务器请求XML或JSON数据。该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景和设计的，目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛。

缺点是：

• 开销大，消息头大
• HTTP通信方式问题，HTTP的请求/应答方式的会话都是客户端发起的
• 安全性差