物联网数据传输协议说明

物联网（IoT）和机器对机器（M2M）技术需要使用消息传递和连接协议，以便从远程位置交换信息。

这种协议的一些可取的特点是：

·代码占用空间小（便于在小型设备中实现）

·低功耗

·低带宽消耗

·低延迟

使用发布/订阅（“发布/订阅”）模式

MQTT满足了所有这些要求，并拥有大型公共云亚马逊Web服务、Microsoft Azure和谷歌云平台的动力。在本文中，我们将探讨为什么MQTT是物联网产品最流行的消息传递协议选择。

什么是MQTT？

MQTT（消息队列遥测传输）是由IBM开发并于1999年首次发布的轻量级消息传递协议。它使用pub/sub模式并在设备、服务器和应用程序之间转换消息。

MQTT协议最初是为了将石油管道上的传感器与通信卫星连接起来，重点是将电池损耗和带宽消耗降至最低。

自成立以来，MQTT一直在进行开发，5.0版于2018年5月发布。版本3.1。1于2013年提交给OASIS财团，并被接受为ISO标准。

MQTT是如何工作的？

MQTT体系结构

MQTT协议中连接的设备称为“客户机”，它与称为“代理”的服务器通信代理处理客户端之间的数据传输任务。

每当客户机（称为“发布者”）想要发布信息时，它将发布到特定主题，然后代理将此信息发送给订阅该主题的任何客户机（称为“订阅者”）。

发布者不需要关于订阅者数量或位置的任何数据。反过来，订阅者不需要关于发布者的任何数据。任何客户端都可以是发布服务器、订阅服务器或两者兼有。客户通常不知道对方，只知道充当中介的经纪人。这种设置通常被称为“发布/订阅模型”

MQTT消息

当客户机希望向代理发送数据时，这称为“发布”当客户机希望从代理接收数据时，它将“订阅”一个或多个主题。当客户端订阅某个主题时，它将接收该主题上发布的所有消息。

除了消息本身，发布者还发送QoS（服务质量）级别。此级别定义消息的传递保证。这些QoS级别如下所示：

最多一次：消息发布时，代理将仅“最多一次”接收消息此级别不应用于任务关键型信息，因为它会带来订阅者无法接收消息的风险。

至少一次：发布者继续重新发送消息，直到收到代理关于特定消息的确认。换句话说，接收消息比确保只接收一次更重要。这可能是最常用的QoS级别。

恰好一次：发布者和代理一起工作，以确保代理只接收一次消息并对其执行操作。这需要一些额外的开销，如四部分握手。虽然这是最安全的QoS级别，但也是最慢的，因此仅在必要时使用。

MQTT如何在物联网项目中工作？

在本节中，我们将以我们最近的一个客户机为例，讨论如何在物联网项目中使用MQTT。

一家汽车电池公司希望向全国客户提供“更新鲜”的电池。这意味着实施“先进先出”战略，这样电池就不会在货架上放置太久。

当然，这要求公司跟踪货架上的存货到达日期。由于需要一个值得信赖的物联网合作伙伴，该公司与非常有影响力的客户进行了接触。

非常有帮助地将物联网传感器安装在公司的电池和货架上。这些传感器通过MQTT将信息传输到云中的Amazon Web服务（AWS）。每个电池都有一个信号发射装置，该装置发送蓝牙信号以传达其在机架上的状态。此外，单电池供电的集线器每天唤醒一次，以便使用MQTT（以及用于安全传输的TLS协议）向AWS传输信息。

MQTT的好处

MQTT的好处包括：

轻量级代码占用：设备只需要几行代码就可以启动并运行MQTT协议。

最小化数据包：MQTT非常节能。这是伟大的，如果一个设备是电池供电或有很少的CPU电源。

速度：MQTT实时运行，在QoS之外没有延迟。

易于实现：MQTT已经有了Elixir和Python等编程语言的库。

最后的遗嘱：如果客户端意外断开连接，您可以设置发送给所有订阅者的消息指令，以纠正这种情况。

保留消息：每个主题都可以有一条保留消息，客户端在订阅时会自动接收该消息（如社交媒体上的固定帖子）。

MQTT的常见替代方案

XMPP

XMPP（可扩展消息和状态协议）是一种基于XML语言的通信协议，用于存储和传输数据。它经常用于支持即时消息服务，如Jabber。

XMPP和MQTT之间的一些差异是：

XMPP代码占用的空间稍重一些，您需要一个XML解析器来编码和解码信息。

默认情况下，XMPP不支持发布/订阅模型（尽管可以使用扩展）。

XMPP比MQTT占用更多带宽。

HTTP（S）

HTTP（超文本传输协议）及其扩展HTTPS（超文本传输协议安全）是万维网的基础通信协议。但是，它们是无状态的，每次传输的开销比MQTT要大。此外，HTTPS的吞吐量低于MQTT，这意味着您无法在同一时间段内发送尽可能多的消息。

结论

MQTT在使物联网项目在技术规范方面更加“低提升”，同时实现设备、服务器和应用程序之间所需的连接方面起着至关重要的作用。

什么是CoAP协议？

CoAP受限应用协议是RFC 7252中定义的用于受限设备的专用互联网应用协议。它使设备能够通过Internet进行通信。它被定义为约束应用程序协议，是一种用于非常简单的硬件中的协议。该协议特别适用于受限硬件，如8位微控制器、低功耗传感器和无法在HTTP或TLS上运行的类似设备。它简化了UDP上运行的HTTP协议，有助于节省带宽。它设计用于同一受限网络（例如，低功耗、有损网络）上的设备之间、Internet上的设备和一般节点之间以及由Internet连接的不同受限网络上的设备之间。CoAP还通过其他机制使用，例如移动通信网络上的SMS。

Internet工程任务组受限RESTful环境（IETF核心）工作组为CoAP做了主要的标准化工作。协议的核心在RFC 7252中指定，这意味着CoAP仍然不是标准协议。

RFC 7252中规定了CoAP协议。它是一种用于受限节点或网络（如WSN、IoT、M2M等）的web传输协议，因此被称为受限应用协议。该协议的目标是物联网（IoT）设备具有较少的内存和功率规格。

由于它是为web应用程序设计的，因此也被称为“物联网协议”。它可以用于通过web应用程序将数据从几个字节传输到1000字节。它存在于UDP层和应用层之间。

以下是CoAP协议的特点：

?它是非常高效的RESTful协议。

?易于代理到/从HTTP。

?它是开放的IETF标准

?它是嵌入式web传输协议（coap://）

?它使用异步事务模型。

?UDP绑定具有可靠性和多播支持。

?使用GET、POST、PUT和DELETE方法。

?支持URI。

?它使用小而简单的4字节头。

?支持绑定到UDP、SMS和TCP。

?使用基于DTLS的PSK、RPK和证书安全性。

?使用MIME类型和HTTP响应代码的子集。

?使用内置的发现机制。

图1描述了CoAP体系结构。如图所示，它将普通HTTP客户端扩展到具有资源约束的客户端。这些客户机称为CoAP客户机。代理设备在固定环境和基于HTTP协议的典型internet环境之间架起了桥梁。同一台服务器负责HTTP和CoAP协议消息。

在CoAP客户端和CoAP服务器之间交换CoAP协议消息有两种模式，即。没有单独的响应和单独的响应。

通过单独的响应，服务器通知客户端收到请求消息。这将增加处理时间，但有助于避免不必要的重新传输。

由于使用UDP，CoAP IoT协议不可靠。因此，CoAP消息到达目的地时会无序或丢失。

为了使CoAP协议成为可靠的协议，协议中加入了具有指数退避重传特性的停止等待。本文还介绍了重复检测。

专为物联网和M2M设计的两项新功能是：

观察传感器或执行器上发生的新事件。

设备管理和外部设备的可发现性。

该协议的主要特点是：

需求受限的M2M中使用的Web协议

异步消息交换

低开销和非常简单的解析

URI和内容类型支持

代理和缓存功能

何时使用

CoAP有用的一些具体情况包括：

您的硬件无法运行HTTP或TLS：如果是这种情况，那么运行CoAP和DTLS实际上可以与HTTP做相同的事情。如果您是HTTP API方面的专家，那么迁移将很简单。您收到GET用于读取和发布，PUT和DELETE用于突变，安全性在DTL上运行。

您的硬件使用电池：如果这是一个问题，那么与TCP/IP上的HTTP相比，运行CoAP将提高电池性能。UDP节省了一些带宽，使协议更加高效。

订阅是必要的：如果不能运行MQTT并且HTTP轮询是不可能的，那么CoAP就是一个解决方案

CoAP Prtocols的某些功能与HTTP非常相似，即使CoAP不能被视为压缩HTTP协议，因为它是专为物联网设计的，更详细地说，是为M2M设计的，因此它非常适合此任务。

从抽象协议层来看，CoAP可以表示为：

在上图中，您可以看到构成CoAp协议的两个不同层：消息层和请求/响应层。消息层处理UDP和异步消息。请求/响应层基于请求/响应消息管理请求/响应交互。

CoAP协议支持四种不同的消息类型：

可证实

不可证实

致谢

重置

现在我们讨论一些术语相关的CoAP协议。

端点：参与CoAP协议的实体。通常，端点由主机标识

发送者：发送消息的实体

收件人：邮件的目的地

客户端：发送请求和响应目标的实体

服务器：从客户端接收请求并将响应发送回客户端的实体

CoAP消息模型

CoAP消息是最底层，处理端点之间的UDP交换消息。CoAP消息具有唯一ID和三个部分：

二进制报头

一个紧凑的选项

有效载荷

CoAP协议使用两种消息：

可证实消息

不可确认消息

CoAP可确认消息是可靠消息。在两个端点之间交换消息期间，这些消息可能是可靠的。在CoAP协议中，使用可确认消息（CON）获得可靠消息。使用这种消息，客户机可以确保消息将到达服务器。CoAP可确认消息会一次又一次地发送，直到另一方发送确认消息（ACK）。确认信息（确认信息的确认信息包含相同的确认信息）。

COAP与MQTT

MQTT和CoAP：

这些都是开放的标准

比HTTP更适合受约束的环境

提供异步通信机制

在IP上运行

有一系列的实现

HTTP是最流行和最广泛使用的协议。但在过去几年中，MQTT迅速获得了吸引力。当我们谈论物联网开发时，开发人员必须在两者之间进行选择。

设计和消息传递

MQTT以数据为中心，而HTTP以文档为中心。HTTP是用于客户端-服务器计算的请求-响应协议，并不总是针对移动设备进行优化。在这些方面，MQTT的主要优势是轻量级（MQTT将数据传输为字节数组）和发布/订阅模型，这使其非常适合资源受限的设备，并有助于节省电池。

此外，发布/订阅模式为客户端提供了相互独立的存在，提高了整个系统的可靠性。当一个客户端出现故障时，整个系统可以继续正常工作。

速度和交付

根据3G网络中的测量，MQTT的吞吐量是HTTP的93倍。

此外，与HTTP相比，MQTT协议确保了高交付保证。服务质量分为三个级别：

-最多一次：保证尽最大努力交付。

-至少一次：保证消息至少传递一次。但信息也可以传递不止一次。

-恰好一次：保证每个消息只被对方接收一次

MQTT还为用户提供了最后遗嘱和遗嘱以及保留消息的选项。第一种方法是，在客户端意外断开连接的情况下，所有订阅的客户端都将从代理收到一条消息。保留消息意味着新订阅的客户端将立即获得状态更新。

HTTP协议没有这些功能。

复杂性和消息大小

MQTT的规范非常简短。只有连接、发布、订阅、取消订阅和断开连接类型对开发人员非常重要。而HTTP规范要长得多。

MQTT有一个非常短的消息头，最小的数据包消息大小为2字节。通过HTTP协议使用文本消息格式，它可以编写冗长的标题和消息。它有助于消除麻烦，因为它可以被人类读取，但同时它对于资源受限的设备来说是不必要的。

结论

MQTT协议易于使用。当响应时间、吞吐量、较低的电池和带宽使用率成为未来解决方案的首要目标时，这一点至关重要。在间歇性连接的情况下，它也是完美的。

HTTP是值得扩展的。但当涉及物联网开发时，MQTT更合适。