物联网应用层协议选择和分析--MQTT、CoAP 、HTTP、XMPP、SoAP

作者:HFK_Frank

MQTT协议

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)最早是IBM开发的一个即时通讯协议,MQTT协议是为大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的一种协议。

MQTT协议的优势是可以支持所有平台,它几乎可以把所有的联网物品和互联网连接起来。

它具有以下主要的几项特性:

1、使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布和应用程序之间的解耦;

2、消息传输不需要知道负载内容;

3、使用 TCP/IP 提供网络连接;

4、有三种消息发布的服务质量:

QoS 0:“最多一次”,消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。分发的消息可能丢失或重复。例如,这个等级可用于环境传感器数据,单次的数据丢失没关系,因为不久后还会有第二次发送。

QoS 1:“至少一次”,确保消息可以到达,但消息可能会重复。

QoS 2:“只有一次”,确保消息只到达一次。例如,这个等级可用在一个计费系统中,这里如果消息重复或丢失会导致不正确的收费。

5、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;

6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制;

在MQTT协议中,一个MQTT数据包由:固定头(Fixed header)、 可变头(Variable header)、 消息体(payload)三部分构成。MQTT的传输格式非常精小,最小的数据包只有2个bit,且无应用消息头。

下图是MQTT为可靠传递消息的三种消息发布服务质量

MQTT为可靠传递消息的三种消息发布服务质量

发布/订阅模型允许MQTT客户端以一对一、一对多和多对一方式进行通讯。

下图是MQTT的发布/订阅消息模式

MQTT的发布/订阅消息模式

CoAP协议

CoAP是受限制的应用协议(Constrained Application Protocol)的代名词。由于目前物联网中的很多设备都是资源受限型的,所以只有少量的内存空间和有限的计算能力,传统的HTTP协议在物联网应用中就会显得过于庞大而不适用。因此,IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构、传输层为UDP、网络层为6LowPAN(面向低功耗无线局域网的IPv6)的CoAP协议。

CoAP采用与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,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消息格式使用简单的二进制格式,最小为4个字节。

一个消息=固定长度的头部header + 可选个数的option + 负载payload。Payload的长度根据数据报长度来计算。

主要是一对一的协议

举个例子: 

比如某个设备需要从服务器端查询当前温度信息。

a.请求消息(CON): GET /temperature , 请求内容会被包在CON消息里面

b.响应消息 (ACK): 2.05 Content “22.5 C” ,响应内容会被放在ACK消息里面

一对一的协议

CoAP与MQTT的区别

MQTT和CoAP都是行之有效的物联网协议,但两者还是有很大区别的,比如MQTT协议是基于TCP,而CoAP协议是基于UDP。从应用方向来分析,主要区别有以下几点:

1、MQTT协议不支持带有类型或者其它帮助Clients理解的标签信息,也就是说所有MQTT Clients必须要知道消息格式。而CoAP协议则相反,因为CoAP内置发现支持和内容协商,这样便能允许设备相互窥测以找到数据交换的方式。

2、MQTT是长连接而CoAP是无连接。MQTT Clients与Broker之间保持TCP长连接,这种情形在NAT环境中也不会产生问题。如果在NAT环境下使用CoAP的话,那就需要采取一些NAT穿透性手段。

3、MQTT是多个客户端通过中央代理进行消息传递的多对多协议。它主要通过让客户端发布消息、代理决定消息路由和复制来解耦消费者和生产者。MQTT就是相当于消息传递的实时通讯总线。CoAP基本上就是一个在Server和Client之间传递状态信息的单对单协议。

HTTP协议

http的全称是HyperText Transfer Protocol,超文本传输协议,这个协议的提出就是为了提供和接收HTML界面,通过这个协议在互联网上面传出web的界面信息。

HTTP协议

HTTP协议的两个过程,Request和Response,两个都有各自的语言格式,我们看下是什么。

请求报文格式:(注意这里有个换行)

<method> <request-URL> <version>

<headers>

<entity-body>

响应报文格式:(注意这里有个换行)

<version> <status> <reason-phrase>

<headers>

<entity-body>

方法method:

这个很重要,比如说GET和POST方法,这两个是很常用的,GET就是获取什么内容,而POST就是向服务器发送什么数据。当然还有其他的,比如HTTP 1.1中还有:DELETE、PUT、CONNECT、HEAD、OPTIONS、TRACE等一共8个方法(HTTP Method历史:HTTP 0.9 只有GET方法;HTTP 1.0 有GET、POST、HEAD三个方法)。

请求URL:

这里填写的URL是不包含IP地址或者域名的,是主机本地文件对应的目录地址,所以我们一般看到的就是“/”。

版本version:

格式是HTTP/<major>.<minor>这样的格式,比如说HTTP/1.1.这个版本代表的就是我们使用的HTTP协议的版本,现在使用的一般是HTTP/1.1

状态码status:

状态码是三个数字,代表的是请求过程中所发生的情况,比如说200代表的是成功,404代表的是找不到文件。

原因短语reason-phrase:

是状态码的可读版本,状态码就是一个数字,如果你事先不知道这个数字什么意思,可以先查看一下原因短语。

首部header:

注意这里的header我们不是叫做头,而是叫做首部。可能有零个首部也可能有多个首部,每个首部包含一个名字后面跟着一个冒号,然后是一个可选的空格,接着是一个值,然后换行。

实体的主体部分entity-body:

实体的主体部分包含一个任意数据组成的数据块,并不是所有的报文都包含实体的主体部分,有时候只是一个空行加换行就结束了。

下面我们举个简单的例子:

请求报文:

GET /index.html HTTP/1.1    

Accept: text/*

Host: www.myweb.com

响应报文:

HTTP/1.1 200 OK

Content-type: text/plain

Content-length: 3 


HTTP与CoAP的区别

CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议,基于REST(表述性状态传递)架构风格,支持与REST进行交互。通常用户可以像使用HTTP协议一样用CoAP协议来访问物联网设备。而且CoAP消息格式使用简单的二进制格式,最小为4个字节。HTTP使用报文格式对于嵌入式设备来说需要传输数据太多,太重,不够灵活。

HTTP与CoAP的区别

XMPP协议

XMPP(可扩展通讯和表示协议)是一种基于可扩展标记语言(XML)的协议,

它继承了在XML环境中灵活的发展性。可用于服务类实时通讯、表示和需求响应服务中的XML数据元流式传输。XMPP以Jabber协议为基础,而Jabber是即时通讯中常用的开放式协议。

基本网络结构

XMPP中定义了三个角色,客户端,服务器,网关。通信能够在这三者的任意两个之间双向发生。

服务器同时承担了客户端信息记录,连接管理和信息的路由功能。网关承担着与异构即时通信系统

的互联互通,异构系统可以包括SMS(短信),MSN,ICQ等。基本的网络形式是单客户端通过

TCP/IP连接到单服务器,然后在之上传输XML。


功能
传输的是与即时通讯相关的指令。在以前这些命令要么用2进制的形式发送(比如QQ),

要么用纯文本指令加空格加参数加换行符的方式发送(比如MSN)。而XMPP传输的即时通讯指令

的逻辑与以往相仿,只是协议的形式变成了XML格式的纯文本。


举个例子看看所谓的XML(标准通用标记语言的子集)流是什么样子的?

客户端:
<?xmlversion='1.0'?>
<stream:stream
to='example_com'
xmlns='jabber:client'
xmlns:stream='http_etherx_jabber_org/streams'
version='1.0'>

服务器:
<?xmlversion='1.0'?>
<stream:stream
from='example_com'
id='someid'
xmlns='jabber:client'
xmlns:stream='http_etherx_jabber_org/streams'
version='1.0'>

工作原理

XMPP核心协议通信的基本模式就是先建立一个stream,然后协商一堆安全之类的东西,

中间通信过程就是客户端发送XML Stanza,一个接一个的。服务器根据客户端发送的信息

以及程序的逻辑,发送XML Stanza给客户端。但是这个过程并不是一问一答的,任何时候

都有可能从一方发信给另外一方。通信的最后阶段是关闭流,关闭TCP/IP连接。 

工作原理

网络通信过程中数据冗余率非常高,网络流量中70% 都消耗在 XMPP 协议层了。对于物联网来说,大量计算能力有限且工作在低带宽、不可靠网络的远程传感器和控制设备,省电、省流量是所有底层服务的一个关键技术指标,XMPP协议看起来已经落后了。

SoAP协议

SoAP(简单对象访问协议)是交换数据的一种协议规范,是一种轻量的、简单的、

基于可扩展标记语言(XML)的协议,它被设计成在WEB上交换结构化的和固化的信息。

 SOAP 可以和现存的许多因特网协议和格式结合使用,包括超文本传输协议(HTTP),

简单邮件传输协议(SMTP),多用途网际邮件扩充协议(MIME)。它还支持从消息系统到

远程过程调用(RPC)等大量的应用程序。SOAP使用基于XML的数据结构和超文本传输协议

(HTTP)的组合定义了一个标准的方法来使用Internet上各种不同操作环境中的分布式对象。

总结:

从当前物联网应用发展趋势来分析,MQTT协议具有一定的优势。因为目前国内外主要的云计算服务商,比如阿里云、AWS、百度云、Azure以及腾讯云都一概支持MQTT协议。还有一个原因就是MQTT协议比CoAP成熟的要早,所以MQTT具有一定的先发优势。但随着物联网的智能化和多变化的发展,后续物联网应用平台肯定会兼容更多的物联网应用层协议。

文章转载自:CSDN

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