物联网IoT终端设备如何选择通信协议
  • 时间:2020-03-10
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  目前市面上大多数IoT模组都支持TCP、UDP、CoAP、LwM2M、MQTT等协议,这里面既有传输层的协议也有应用层的协议,协议众多,适用的场景也不同。但是设计产品时通常只需要运用一种协议,那么怎么来选择一种符合自己产品的应用场景的协议显得尤为重要。本文将介绍TCP、UDP、CoAP、LwM2M、MQTT这5个常用的协议的特点与区别,为设计产品时协议的选择提供参考。

  TCP(传输控制协议)定义了两台计算机之间进行可靠的传输而交换的数据和确认信息的格式,以及计算机为了确保数据的正确到达而采取的措施。协议规定了TCP软件怎样识别给定计算机上的多个目的进程如何对分组重复这类差错进行恢复。协议还规定了两台计算机如何初始化一个TCP数据流传输以及如何结束这一传输。TCP最大的特点就是提供的是面向连接、可靠的字节流服务。

  UDP(用户数据报协议)是一个简单的面向数据报的传输层协议。提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输。UDP不提供可靠性,也不提供报文到达确认、排序以及流量控制等功能。它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去,但是并不能保证它们能到达目的地。因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。但由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接,且没有超时重发等机制,故而传输速度很快

  TCP面向连接(如打电话要先拨号建立连接);UDP是无连接的,即发送数据之前不需要建立连接

  TCP提供可靠的服务。也就是说,通过TCP连接传送的数据,无差错,不丢失,不重复,且按序到达;UDP尽最大努力交付,即不保证可靠交付

  TCP面向字节流,实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的UDP没有拥塞控制,因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低(对实时应用很有用,如IP电话,实时视频会议等)

  TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小,只有8个字节 6、TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道,UDP则是不可靠信道

  传输层,顾名思义,他只负责传输数据,就好比是一辆运货的货车,但是想让货物完好无损地运到目的地,那就还需要做打包、装车、验货、入库、签回单等工作,这就需要做更多地工作,这些工作也就是应用层协议要做的工作。所以物联网设备终端要想对数据进行稳定、可靠地交互,就需要使用应用层的协议,而不能直接使用传输层的协议。以下将介绍MQTT、CoAP、LwM2M三种适合在物联网设备终端上运用的应用层协议。

  MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)是IBM开发的一个即时通讯协议,有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台,几乎可以把所有联网物品和外部连接起来,被用来当做传感器和制动器(比如通过Twitter让房屋联网)的通信协议。

  MQTT协议是为大量计算能力有限,且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议,它具有以下主要的几项特性:

  “至多一次”,消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况,环境传感器数据,丢失一次读记录无所谓,因为不久后还会有第二次发送。“至少一次”,确保消息到达,但消息重复可能会发生。“只有一次”,确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况,在计费系统中,消息重复或丢失会导致不正确的结果。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。

  由于物联网中的很多设备都是资源受限型的,即只有少量的内存空间和有限的计算能力,所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。CoAP是工作在UDP协议族,采用的是二进制格式,相比起HTTP采用的文本格式,CoAP比HTTP更加紧凑。

  MQTT和CoAP其实都比较适用于物联网设备上,但是还是要根据实际场景来选择使用。比如设备运行在一个不需要考虑功耗,但是需要实时被控制的场景,例如充电桩、快递柜等场景,则使用MQTT协议比较合适。如果设备通常只有上报数据,且对功耗很敏感的场景,例如水表、燃气表等场景,则使用CoAP协议比较合适。

  随着物联网兴起,万物互联的时代终将到来。但鉴于成本和性能的考虑,设备的资源往往受限,那么就需要一种专门为资源受限的物联网设备设计的协议来满足万物互联的需求,这就是LwM2M协议。

  OMA是一家国际组织,最初定义了一套 OMA-DM的协议,用来远程管理移动终端设备,比如手机开户,版本升级,等等。OMA-DM有着非常广泛的应用,很多运营商比如Verizon Wireless, Sprint都有自己的OMA-DM服务并要求手机/模块入网的时候通过自定义的OMA-DM入网测试。因为物联网的兴起,OMA在传统的OMA-DM协议基础之上,提出了LwM2M协议。2013年底,OMA发布了LwM2M规范。

  OMA Lightweight M2M 主要动机是定义一组轻量级的协议适用于各种物联网设备,因为M2M设备通常是资源非常有限的嵌入式终端,无UI,计算能力和网络通信能力都有限。同时也因为物联网终端的巨大数量,节约网络资源变得很重要。

  LwM2M的消息没有对称的反馈消息,由于LwM2M承载在CoAP协议上,使用CoAP的get、post、put、delete方式,对于相应消息成功或失败的反馈是通过CoAP协议本身的交互来实现的。LwM2M载荷支持四种格式 plain text、Opaque、TLV、JSON,这四种协议要求服务器端必须都要支持,而在客户端必须支持TLV格式。

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