物联网主流通信协议解读

文章来源于华为云IoT ,作者我是卤蛋

【摘要】:当今物联网的主流通信协议是CoAP/LWM2M协议和MQTT协议,本文将分别解读这些协议的工作方式,了解它们的特点,助您选择最适合您的设备的通信协议。

通信协议又称为传输协议,用于定义多个设备之间传播信息时的系统标准。通信协议定义了设备通信中的语法、语义、同步规则和发生错误时的处理原则,可以理解为机器之间使用的语言。

在物联网场景中,通信主要发生在设备和物联网平台之间,由于大部分物联网设备都是资源受限型设备,它们的物理资源和网络资源都非常有限,直接使用现有的HTTP协议进行通信对它们来说要求实在是太高了。因此,物联网场景中主要使用的通信协议都是轻量级的,为资源受限环境而设计的通信协议,例如CoAP/LWM2M协议和MQTT协议。

本文将分别解读CoAP/LWM2M协议和MQTT协议,希望能帮助您了解这些协议,并选择最适合您的设备的通信协议。

CoAP/LWM2M协议

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CoAP(Constrained Application Protocol,受限制的应用协议)运行于UDP协议之上,设计上主要借鉴了HTTP协议的RESTful风格,简化了协议包格式,一个最小的CoAP数据包仅4字节。CoAP协议采用了和HTTP协议相同的请求/响应模型,客户端发出请求后,服务端处理请求并回复响应,是一种点对点的通信模型。CoAP和HTTP一样都是通过URI指定要访问的资源,但CoAP协议以“coap:”或"coaps:"开头,其中coaps的s是指消息通过DTLS协议加密。CoAP的每一条消息都是一条二进制的报文,由以下部分组成:

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VER:长度2位,用于表示CoAP协议的版本号。

T:长度2位,用于表示报文类型。CoAP协议定义了四种报文类型:

  • CON:需要应答的报文,接受者收到该消息后需要及时回复一个ACK报文。
  • NON:无需应答的报文。
  • ACK:应答报文。
  • RST:复位报文,当接受者无法解析收到的报文或收到的报文中含有错误时,可以回复RST报文。

TKL:长度4位,用于表示Token字段的长度。

Code:长度8位,在请求消息中用于表示请求方法(GET/POST/PUT/DELETE),在响应消息中表示响应码(与HTTP的响应码类似)。
Message ID:长度16位,用于标识报文。主要用途有两个,一个是服务端收到CON报文后,需要返回相同Message ID的ACK报文;另一个是重发场景下,用相同的Message ID表示这是同一条报文的重复发送。

Token:可选字段,长度由TKL决定,同样用来标识报文。例如,有时候服务端收到CON报文(携带了Token)后,请求的内容无法立刻处理完成,就只能先回复一个不带响应数据的ACK报文,待请求处理完成后再通过一个CON或者NON报文将实际响应数据带给客户端;此时这个报文就必须携带和之前的CON报文相同的Token,告诉客户端这个报文是之前的CON报文的响应。

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同理,若客户端发送NON报文进行请求,服务端也可同样使用NON报文进行响应,两个报文使用Token进行关联。除此之外,Token还可用于消息防伪造等场景,此处不再展开说明。
Options:可选字段,长度不定,作用类似于HTTP协议中的消息头。
1 1 1 1 1 1 1 1:隔离符,用于分隔Options和Payload。
Payload:实际负载数据,即HTTP协议中的消息体,用于携带这条消息实际的内容,可以为空。

LWM2M协议
LWM2M(Lightweight Machine-To-Machine,轻量级M2M)协议是由由OMA(Open Mobile Alliance)提出并定义的基于CoAP协议的物联网通信协议。LWM2M协议在CoAP协议的基础上定义了接口、对象等规范,使得物联网设备和物联网平台之间的通信更加简洁和规范。

LWM2M协议定义了三个逻辑实体:LWM2M Server(服务端),LWM2M Client(客户端),LWM2M Bootstrap Server(引导服务),其中LWM2M Server和LWM2M Bootstrap Server可以是同一个服务器。在这些实体间,LWM2M协议定义了四个接口:
Bootstrap:引导接口。客户端首次启动后,可以通过该接口访问引导服务(需要厂家提前把引导服务器的地址写入设备),获取服务端的地址。

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Device Discovery and Registration:设备发现与注册接口。客户端通过该接口将自己的基本信息写到服务端,包括自己支持哪些能力。该接口同时还可以用于升级注册信息和注销设备。

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Device Management and Service Enablement:设备管理和业务实现接口。服务端通过该接口给客户端下发指令,客户端处理指令并返回响应。该接口定义了7种操作,分别是:
“Create”、“Read”、“Write”、“Delete”、“Execute”、“Write Attributes”和“Discover”。

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Information Reporting:信息上报接口。LWM2M允许服务端向客户端订阅资源信息,客户端被订阅后按照接口约定的模式(事件触发或定期)向服务端主动上报信息。

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在上述接口中,服务端对客户端进行操作时都需要指定一个具体的操作目标,例如读某个属性,写某个属性。在HTTP协议中,这种目标的指定是通过URI或者消息体内携带的文本消息进行指定。而LWM2M协议为了使通信消息更加简洁,定义了对象和资源的概念。

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对象是资源的集合,LWM2M协议定义了8个标准对象,给它们分别分配了0~7的对象ID,例如对象ID为5的是固件对象。考虑到拓展性,LWM2M协议也允许使用者自定义新的对象并分配对象ID。

每个对象在被使用之前必须先被实例化,因为对象都是抽象的模型,一个对象可以有多个实例,每个实例为一个单独的逻辑实体。对象实例化时会被分配实例ID,从0开始递增。

资源则可以理解为对象的属性,是LWM2M协议中实际用于携带信息的实体。同一个对象的不同实例中的资源携带值可以是不同的。每个资源都需要被分配了一个资源ID,例如固件对象的固件包名称的资源ID为6。和对象一样,LWM2M协议也允许自定义资源。

至此,通过对象ID,实例ID和资源ID,我们就可以用三个数字指示一个具体的资源,例如5/0/6表示固件对象第一个实例的固件包名称。在注册阶段,客户端就会把自己支持的对象的示例写入服务端,用于通知服务端自己支持的能力。

MQTT协议
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)协议运行于TCP协议之上,是一种基于发布/订阅模型的通信协议。在发布/订阅模型模型中,我们需要一个代理服务器(通常称之为Broker),所有客户端都需要和服务器建立连接,然后进行订阅和发布。若某个客户端发布了其他客户端已订阅的主题(MQTT协议中称之为topic),服务器就会将这个主题转发给所有已订阅的客户端。例如有A、B、C三个客户端都连上了同一个服务器,B和C订阅了“test”主题,然后A发布了一个主题为“test”的消息,服务器就会把这条消息转发给B和C。

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在物联网场景中,物联网平台既是一个服务器又是一个客户端。平台制定一套主题规则(我们可以称之为MQTT接口),并订阅数据上报类接口的主题,然后只要设备使用该接口上报数据,平台就可以接收到数据。同理,设备若想要收到平台下发的数据,需要先订阅数据下发类接口的主题。

MQTT消息基于文本传输,主要有以下三类消息:

CONNECT:当客户端想要和服务器建立连接时,需要发送一条CONNECT消息给服务器,消息内包含自己的用户名、密码等信息,服务器鉴权通过后,和客户端建立连接。若双方想要断开连接,则需要遵循TCP协议的四次挥手规则,才能正常断开连接。客户端在发送CONNECT消息时,还可以指定“最后遗愿(last will)”消息,包括消息的主题和内容。当服务器检测到客户端异常断开连接时,就会自动发布这条“最后遗愿”消息。

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SUBSCRIBE:当客户端订阅主题时,需要发送一条SUBSCRIBE消息给服务器,指定要订阅的主题。MQTT协议的主题表示为层次结构,类似文件系统,例如“/huawei/v1/devices”这种格式。同理,客户端可以通过UNSUBSCRIBE消息取消订阅指定主题。

PUBLISH:当客户端发布消息时,需要发送一条PUBLISH消息给服务器,指定消息的主题和内容。MQTT对发布消息的内容格式不做限制,需要由各个服务提供商自行制定规范。客户端发布消息时可以指定该消息是否需要保留,一个主题只能保留一条消息,被保留的消息会被代理服务器记录,以后每个新订阅这个主题的客户端都会先接收到这条保留消息。

在可靠传输方面,MQTT协议提供三种QoS等级的实现:
QoS=0表示消息只会被发送一次,但该消息可能会丢失。
QoS=1表示确保消息会到达至少一次,但可能会造成订阅者收到多条重复消息。
QoS=2表示确保消息会到达且仅到达一次。

QoS等级越高,消息传输的可靠度越高,但实现也会越复杂,对网络和设备资源的占用也会变多,所以传输时选用哪个级别的QoS需要根据实际状况选择。

总结
在分别了解过CoAP/LWM2M协议和MQTT协议之后,我们可以得知,LWM2M协议是基于CoAP协议的一种具体规范,而MQTT协议是不同于CoAP协议的另一种传输协议。
CoAP/LWM2M协议基于UDP协议,服务器和客户端之间不保持连接;通信基于请求/响应模型,与互联网主流的HTTP协议相同,主要用于点对点的通信。CoAP/LWM2M协议针对物联网场景定义了各种类型和标签,支持内容协商与发现,允许设备相互探测以找到交换数据的方式;报文为极简的二进制报文,长度更短,对设备和网络的要求更低。

MQTT协议基于TCP协议,服务端和客户端之间保持连接;通信基于分布/订阅模型,可以简单实现多对多的通信场景。MQTT协议设计简单,易于理解和学习;报文消息基于文本,消息负载格式无限制,自由度更高,更便于调测和排障时查看和理解,但同时也需要服务提供商制定通信规范(接口文档),设备之间才可进行有效通信。

综上所述,CoAP/LWM2M协议和MQTT协议各有其特点,并不存在谁优谁劣,您需要根据自己的设备的应用场景选择最适合的协议。

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