物联网协议对比（HTTP、websocket、XMPP、COAP、MQTT和DDS协议）_mqtt dds

 对于物联网，最重要的是在互联网中设备与设备的通讯，现在物联网在internet通信中比较常见的通讯协议包括：HTTP、websocket、XMPP、COAP、MQTT

1、HTTP和websocket

在互联网时代，TCP/IP协议已经一统江湖，现在的物联网的通信架构也是构建在传统互联网基础架构之上。在当前的互联网通信协议中，HTTP协议由于开发成本低，开放程度高，几乎占据大半江山，所以很多厂商在构建物联网系统时也基于http协议进行开发。包括google主导的physic web项目，都是期望在传统web技术基础上构建物联网协议标准。

HTTP协议是典型的CS通讯模式，由客户端主动发起连接，向服务器请求XML或JSON数据。该协议最早是为了适用web浏览器的上网浏览场景和设计的，目前在PC、手机、pad等终端上都应用广泛，但并不适用于物联网场景。在物联网场景中其有三大弊端：

1. 由于必须由设备主动向服务器发送数据，难以主动向设备推送数据。对于单单的数据采集等场景还勉强适用，但是对于频繁的操控场景，只能推过设备定期主动拉取的的方式，实现成本和实时性都大打折扣。

2. 安全性不高。web的不安全都是妇孺皆知，HTTP是明文协议，在很多要求高安全性的物联网场景，如果不做很多安全准备工作（如采用https等），后果不堪设想…

3. 不同于用户交互终端如pc、手机，物联网场景中的设备多样化，对于运算和存储资源都十分受限的设备，http协议实现、XML/JSON数据格式的解析，都是“mission impossible”

HTTP的连接问题，HTTP客户端和服务器之间的交互是采用请求/应答模式，在客户端请求时，会建立一个HTTP连接，然后发送请求消息，服务端给出应答消息，然后连接就关闭了。（后来的HTTP1.1支持持久连接） 因为TCP连接的建立过程是有开销的，如果使用了SSL/TLS开销就更大。

在浏览器里，一个网页包含许多资源，包括HTML，CSS，JavaScript，图片等等，这样在加载一个网页时要同时打开连接到同一服务器的多个连接。

HTTP消息头问题，现在的客户端会发送大量的HTTP消息头，由于一个网页可能需要50-100个请求，就会有相当大的消息头的数据量。

HTTP通信方式问题，HTTP的请求/应答方式的会话都是客户端发起的，缺乏服务器通知客户端的机制，在需要通知的场景，如聊天室，游戏，客户端应用需要不断地轮询服务器。

当然，依然有不少厂商由于开发方便的原因，选择基于HTTP协议构架物联网系统，在设备资源允许的情况下，怎么避免上面提到的数据推送实时性低的问题呢？

websocket是一个可行的办法。websocket是HTML5提出的基于TCP之上的可支持全双工通信的协议标准，其在设计上基本遵循HTTP的思路，对于基于HTTP协议的物联网系统是一个很好的补充。

但是问题是：http+websocket的方式，协议开销代价太大。如果让一个单片机去实现这样的协议，性能会很吃力。

2、XMPP

由于物联网设备通信的模式和互联网中的即时通讯应用非常相似，互联网中常用的即时通讯协议也被大量运用于物联网系统构建中，这其中的典型是XMPP。

XMPP是基于XML的协议，由于其开放性和易用性，在互联网及时通讯应用中运用广泛。相对HTTP，XMPP在通讯的业务流程上是更适合物联网系统的，开发者不用花太多心思去解决设备通讯时的业务通讯流程，相对开发成本会更低。但是HTTP协议中的安全性以及计算资源消耗的硬伤并没有得到本质的解决。前段时间报出的黑客轻松破解的TCL洗衣机，正是采用XMPP协议。

无论是HTTP、websocket还是XMPP，在设计时都是根据互联网应用场景设计的，虽然很多厂商把他们应用在物联网系统中，但是必然会水土不服，这些协议的通病就是根本无法适用物联网设备的多样性，无法适用很多物联网设备对低功耗、低成本的需求，难以在极低资源的物联网设备中运用。能不能有协议既可以借用web技术的设计思想，同时又能适应恶劣的物联网设备运行环境呢？

3、COAP

COAP协议的设计目标就是在低功耗低速率的设备上实现物联网通信。coap和HTTP协议一样，采用URL标示需要发送的数据，在协议格式的设计上也基本是参考HTTP协议，非常容易理解。同时做了以下几点优化：

1. 采用UDP而不是TCP。这省去了TCP建立连接的成本及协议栈的开销。

2. 将数据包头部都采用二进制压缩，减小数据量以适应低网络速率场景。

3. 发送和接收数据可以异步进行，这样提升了设备响应速度。

COAP协议就像一个针对物联网场景的http移植品，很多设计保留了HTTP协议的影子，拥有web背景的开发者也能快速上手。但是由于很多物联网设备隐藏在局域网内部，coap设备作为服务器无法被外部设备寻址，在ipv6没有普及之前，coap只能适用于局域网内部（如wifi）通信，这也很大限制了它的发展。

4、MQTT协议

MQTT协议就很好的解决了coap存在的问题。MQTT协议是由IBM开发的即时通讯协议，相比来说比较适合物联网场景的通讯协议。MQTT协议采用发布/订阅模式，所有的物联网终端都通过TCP连接到云端，云端通过主题的方式管理各个设备关注的通讯内容，负责将设备与设备之间消息的转发。

1.使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

2.对负载内容屏蔽的消息传输。

3.使用 TCP/IP 提供网络连接。

4.有三种消息发布服务质量：

"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。

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。

MQTT在协议设计时就考虑到不同设备的计算性能的差异，所以所有的协议都是采用二进制格式编解码，并且编解码格式都非常易于开发和实现。最小的数据包只有2个字节，对于低功耗低速网络也有很好的适应性。有非常完善的QOS机制，根据业务场景可以选择最多一次、至少一次、刚好一次三种消息送达模式。运行在TCP协议之上，同时支持TLS（TCP+SSL）协议，并且由于所有数据通信都经过云端，安全性得到了较好地保障。

当前的物联网通信协议真的是百花齐放，没有任何协议能够在市场上占有统治地位。但要实现物联网设备互联互通（不同厂商、不同平台、不同架构），关键点并不在上述接入协议或通讯协议的统一，而在于上层业务应用层协议的统一。无论是wifi、蓝牙、亦或是mqtt、http都是设备进行数据通讯和交换的通道，规定的是通讯的格式；而通讯的内容的统一才是实现互联互通的关键。

5、DDS

DDS（Data Distribution Service for Real-Time Systems），面向实时系统的数据分布服务，这是大名鼎鼎的OMG组织提出的协议，其权威性应该能证明该协议的未来应用前景。

适用范围：分布式高可靠性、实时传输设备数据通信。目前DDS已经广泛应用于国防、民航、工业控制等领域。

特点： • 以数据为中心 • 使用无代理的发布/订阅消息模式，点对点、点对多、多对多 • 提供多大21种QoS服务质量策略

协议主要实现： • OpenDDS 是一个开源的 C++ 实现 • OpenSplice DDS

DDS很好地支持设备之间的数据分发和设备控制，设备和云端的数据传输，同时DDS的数据分发的实时效率非常高，能做到秒级内同时分发百万条消息到众多设备。DDS在服务质量（QoS）上提供非常多的保障途径，这也是它适用于国防军事、工业控制这些高可靠性、可安全性应用领域的原因。但这些应用都工作在有线网络下，在无线网络，特别是资源受限的情况下，没有见到过实施案例。

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