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

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

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

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。

请求消息（CON）： GET /temperature , 请求内容会被包在CON消息里面
响应消息 (ACK)： 2.05 Content “22.5 C” ，响应内容会被放在ACK消息里面

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)

<entity-body>

响应报文格式：(注意这里有个换行)

<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。

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。

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。

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