TCP/IP、UDP、HTTP、MQTT、CoAP這五種協(xié)議的概述

對(duì)于軟件公司來(lái)說(shuō)，IoT 模式為其硬件設(shè)計(jì)以及所提供的服務(wù)帶來(lái)決定性的改變。其中影響最大的一個(gè)方面是通信協(xié)議。

通信協(xié)議

通信協(xié)議可以被認(rèn)為是一種語(yǔ)言，即兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的設(shè)備可以相互交流。同時(shí)無(wú)規(guī)矩不成方圓，通信協(xié)議也遵循一組規(guī)則，兩臺(tái)設(shè)備會(huì)將有意義的信息傳遞給對(duì)方。在分布式系統(tǒng)中通信協(xié)議極為重要，相同的協(xié)議不同的部分在多個(gè)位置獨(dú)立運(yùn)行。系統(tǒng)在運(yùn)行進(jìn)程時(shí)可能是多樣化的，因此在系統(tǒng)中需要保證一組通用的指令來(lái)通信。

IoT 之所以可以掀起熱潮，信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，簡(jiǎn)稱CPS）功不可沒(méi)。物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)和傳遞數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)的概念基于 IoT 解決方案的真正地實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，這也增加了現(xiàn)有的通信協(xié)議及互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性。

IoT 的發(fā)展歷程中帶來(lái)了很多可能性，但其中唯一可行的是機(jī)器與機(jī)器（M2M）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效連接。一臺(tái)設(shè)備被連接到互聯(lián)網(wǎng)僅被認(rèn)為是人際互動(dòng)間的產(chǎn)物，而不是一個(gè)順其自然的結(jié)果。因此，協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信總是在不可靠與緩慢的基礎(chǔ)上發(fā)展。
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TCP/IP 協(xié)議

除了通信協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的另一個(gè)方面是 TCP / IP 堆棧。它控制兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中采用三次握手建立一個(gè)連接，其中涉及客戶端確認(rèn)數(shù)據(jù)的接收且發(fā)送確認(rèn)消息給服務(wù)器。第二次握手是服務(wù)器端接收到客戶端的數(shù)據(jù)后，返回確認(rèn)回單，第三次是客戶端也返回一個(gè)確認(rèn)回單給服務(wù)器端，從而關(guān)閉通信通道。

這種通信方法的優(yōu)點(diǎn)具有可靠性，可共享所有被發(fā)送的數(shù)據(jù)，但因?yàn)槠溥^(guò)程都需要驗(yàn)證，所以消耗時(shí)間比較久。

UDP 協(xié)議

用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，簡(jiǎn)稱UDP）是一種比較快的通信方式，因?yàn)闇p少了確認(rèn)程序。它是面向非連接的協(xié)議，它不與對(duì)方建立連接，而是直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去。因此，與 TCP/IP 相比，UDP 的可靠性相對(duì)不高，但是比較快。對(duì)于M2M 項(xiàng)目的快速原型，一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案是使用 UDP，因?yàn)榫?UDP 頭包含很少的字節(jié)，比 TCP 負(fù)載消耗少。

HTTP 協(xié)議

在IoT 開發(fā)中協(xié)議最大的不同是在 OSI 模型的應(yīng)用程序?qū)?。這一層在通信網(wǎng)絡(luò)中指定了接口方法。系統(tǒng)如何連接服務(wù)器且數(shù)據(jù)如何發(fā)送都由這一層來(lái)決定。

其實(shí)最受歡迎的通信協(xié)議莫過(guò)于超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，簡(jiǎn)稱HTTP）。主要應(yīng)用于 web 瀏覽器。它運(yùn)行在一個(gè)客戶/服務(wù)器模型上，服務(wù)器響應(yīng)任何的客戶端需求。因 web 網(wǎng)頁(yè)可能會(huì)加載很多內(nèi)容，因此該協(xié)議有必要建立在 TCP/IP 堆棧之上。

MQTT 協(xié)議

MQ 遙測(cè)傳輸（MQ Telemetry Transport，簡(jiǎn)稱MQTT）是一個(gè)面向 IoT 應(yīng)用程序的輕量級(jí)連接協(xié)議。它基于 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接使用發(fā)布/訂閱方法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)思想是開放、簡(jiǎn)單、輕量、易于實(shí)現(xiàn)，這也使它成為 IoT 開發(fā)的理想平臺(tái)。

MQTT 很多有用的功能適用面向 IoT 應(yīng)用程序。簡(jiǎn)而言之，想象一個(gè)公告板，無(wú)論什么時(shí)候，你都可以在上面記錄或招貼。同時(shí)，對(duì)你所記錄的內(nèi)容感興趣的任何人都可以看到。

MQTT 差不多就是這樣的功能。

MQTT 包括代理和客戶端兩個(gè)部分?？蛻舳丝梢栽L問(wèn)或修改設(shè)備的數(shù)據(jù)，代理是持有并傳遞數(shù)據(jù)。

MQTT 使用發(fā)布/訂閱消息模式?？蛻舳丝梢栽谝粋€(gè)話題（Topic）下面發(fā)布特定參數(shù)數(shù)據(jù)給代理。另一個(gè)對(duì)此話題感興趣的客戶可以訂閱該話題，并定期收到更新的消息。

MQTT 提供一個(gè)有質(zhì)量的服務(wù)，從 IoT 角度來(lái)看，其本質(zhì)是消息的優(yōu)先級(jí)。在任何情況下一個(gè)重要的消息可以傳輸?shù)侥康牡?，因此有了服?wù)質(zhì)量（QoS），雖然傳輸速度會(huì)變慢但是交付有了保證。一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)源速度優(yōu)先于效率，然而分配一個(gè)較低的 QoS，更像是一個(gè)“fire-and-forget”事件，如 UDP。

在一個(gè)主題下，MQTT 可以保留最后一個(gè)已收到的消息，前提是它發(fā)送給訂閱者訂閱鏈已啟動(dòng)。這允許訂閱者在一個(gè)存在的客戶端和代理網(wǎng)絡(luò)中異步連接。這也為檢查冗余及數(shù)據(jù)丟失提供了一個(gè)工具。

MQTT 客戶端有一個(gè)屬性稱之為 Last Will a和 Testament。該屬性允許客戶端在異常中斷的情況下發(fā)送通知給代理。這個(gè)快速的反饋有利于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)再生，同時(shí)檢測(cè)并修復(fù)缺失節(jié)點(diǎn)和異常值，最終確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流完美循環(huán)。

CoAP 協(xié)議

CoAP 是一個(gè)基于 REST 模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。主要用于輕量級(jí) M2M 通信。由于物聯(lián)網(wǎng)中的很多設(shè)備都是資源受限型的，即只有少量的內(nèi)存空間和有限的計(jì)算能力，所以傳統(tǒng)的 HTTP 協(xié)議應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)上就顯得過(guò)于龐大而不適用，CoAP 應(yīng)運(yùn)而生。

就用戶可見性而言，CoAP 模擬了 HTTP 協(xié)議，并從這個(gè)角度來(lái)看，讀數(shù)傳感器數(shù)據(jù)本質(zhì)上是像做一個(gè) HTTP 請(qǐng)求。

CoAP 被認(rèn)為是一種不會(huì)過(guò)時(shí)的技術(shù)協(xié)議，根據(jù) Grtner 預(yù)測(cè)，500 億臺(tái)設(shè)備將會(huì)連接到互聯(lián)網(wǎng)，未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展將迫切需要低成本、低能耗的設(shè)備。CoAP協(xié)議被設(shè)計(jì)用于與 10 kb RAM 一樣的系統(tǒng)。

CoAP 更有趣的功能之一是能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。這對(duì)于低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自治和自我修復(fù)設(shè)計(jì)非常有用。關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問(wèn)題，可以使用 CoAP 協(xié)議來(lái)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)常規(guī)的冗余。

CoAP 是建立在 UDP 棧上，這是與 HTTP 或 MQTT 相比最主要的區(qū)別。它可以更加快速和更好的資源優(yōu)化，而非資源密集型。

然而，在 CoAP 協(xié)議下 QoS 因素保持不變情況下，CoAP 相比 HTTP/MQTT 更加不可靠。但是 4 字節(jié)的頭文件對(duì)于連續(xù)流系統(tǒng)如環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。