物联网相关协议MQTT,AMQP,Modbus,CoAp

因为最近项目涉及到与外部设备交互,所以有必要了解一下目前市面上的物联网相关协议。

一、MQTT

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)消息队列遥测传输,是一种发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的轻量级、可扩展的物联网传输协议。

MQTT是基于二进制消息的发布/订阅编程模式的消息协议,最早由IBM提出的,如今已经成为OASIS规范。由于规范很简单,非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT场景,比如:遥感数据,汽车,智能家居,智慧城市,医疗医护等。

 MQTT它有三个主要特点。

1.采用二进制的消息内容编码格式,所有二进制数据、JSON 和图片等负载内容都可以方便传输。

2.协议头很紧凑,协议交互也简单,保证了网络传输流量很小。
3.支持 3 种 QoS(Quality of Service,服务质量)级别,便于应用根据不同的场景需求灵活选择。

这三个特点,让 MQTT 协议非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备,所以它成为了物联网系统事实上的网络协议标准。

所以MQTT遵循以下设计原则:

  1. 精简,不添加可有可无的功能。
  2. 发布/订阅(Pub/Sub)模式,方便消息在传感器之间传递。
  3. 允许用户动态创建主题,零运维成本。
  4. 把传输量降到最低以提高传输效率。
  5. 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。
  6. 支持连续的会话控制。
  7. 理解客户端计算能力可能很低。
  8. 提供服务质量管理。
  9. 假设数据不可知,不强求传输数据的类型与格式,保持灵活性。

运用MQTT协议,设备可以很方便地连接到物联网云服务,管理设备并处理数据,最后应用到各种业务场景。

发布/订阅模式

与请求/回答这种同步模式不同,发布/定义模式解耦了发布消息的客户(发布者)与订阅消息的客户(订阅者)之间的关系,这意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。打个比方,你打电话给朋友,一直要等到朋友接电话了才能够开始交流,是一个典型的同步请求/回答的场景;而给一个好友邮件列表发电子邮件就不一样,你发好电子邮件该干嘛干嘛,好友们到有空了去查看邮件就是了,是一个典型的异步发布/订阅的场景。它带来了这些好处:

  • 发布者与订阅者不比了解彼此,只要认识同一个消息代理即可。
  • 发布者和订阅者不需要交互,发布者无需等待订阅者确认而导致锁定。
  • 发布者和订阅者不需要同时在线,可以自由选择时间来消费消息。

 服务质量

为了满足不同的场景,MQTT支持三种不同级别的服务质量(Quality of Service,QoS)为不同场景提供消息可靠性:

  • 级别0:尽力而为。消息发送者会想尽办法发送消息,但是遇到意外并不会重试。
  • 级别1:至少一次。消息接收者如果没有知会或者知会本身丢失,消息发送者会再次发送以保证消息接收者至少会收到一次,当然可能造成重复消息。
  • 级别2:恰好一次。保证这种语义肯待会减少并发或者增加延时,不过丢失或者重复消息是不可接受的时候,级别2是最合适的。

服务质量是个老话题了。级别2所提供的不重不丢很多情况下是最理想的,不过往返多次的确认一定对并发和延迟带来影响。级别1提供的至少一次语义在日志处理这种场景下是完全OK的,所以像Kafka这类的系统利用这一特点减少确认从而大大提高了并发。级别0适合鸡肋数据场景,食之无味弃之可惜,就这么着吧。

消息类型

MQTT拥有14种不同的消息类型:

    1. CONNECT:客户端连接到MQTT代理
    2. CONNACK:连接确认
    3. PUBLISH:新发布消息
    4. PUBACK:新发布消息确认,是QoS 1给PUBLISH消息的回复
    5. PUBREC:QoS 2消息流的第一部分,表示消息发布已记录
    6. PUBREL:QoS 2消息流的第二部分,表示消息发布已释放
    7. PUBCOMP:QoS 2消息流的第三部分,表示消息发布完成
    8. SUBSCRIBE:客户端订阅某个主题
    9. SUBACK:对于SUBSCRIBE消息的确认
    10. UNSUBSCRIBE:客户端终止订阅的消息
    11. UNSUBACK:对于UNSUBSCRIBE消息的确认
    12. PINGREQ:心跳
    13. PINGRESP:确认心跳
    14. DISCONNECT:客户端终止连接前优雅地通知MQTT代理

 二、AMQP

除了 MQTT 协议外,还有其他采用发布 - 订阅模式的网络协议,比如 AMQP 协议。AMQP的全称为:Advanced Message Queuing Protocol(高级消息队列协议)

虽然 AMQP 协议拥有庞大的特性集,比较重,不适合计算资源有限、对功耗要求严苛的物联网设备,但是它可以满足后台系统对于可靠性和可扩展性的要求。因此,它在物联网的平台系统中应用广泛。

MQTT的发布 - 订阅模式的很多好处,但是凡事都有例外,也有一些物联网应用场景,并不适合使用这种模式。比如,现在小区里面都有智能快递柜,当你输入取件码后,服务器会向对应的柜门发送开门指令。在发布 - 订阅模式下,服务器知道指令发送成功了,但是它无法知道柜门是否真的打开了。这时,你就需要让柜门能够向服务器反馈一下命令的执行结果。当然,你也可以让服务器订阅一个“柜门关闭”的主题消息,然后等待柜门发布这个消息。但是这样的话就非常繁琐、不够直接。在这种场景下,另一种通信模式就能派上用场了,那就是请求 - 响应模式

请求 - 响应模式有两个角色,一个是客户端,另一个是服务器。
客户端是请求数据或者服务的一方。服务器则用来接收客户端的请求,并提供相应的数据或者服务。服务器在收到请求后,会获取数据,对资源数据(比如数据库)进行加工处理,准备好响应,然后返回给客户端。
请求 - 响应模式是无状态的通信方式,每个完整的请求 - 响应都是相互独立的。进一步细分的话,它还可以分为同步和异步两种。

三、Modbus

什么是Modbus

Modbus是MODICON公司最先倡导的一种软的通讯规约,经过大多数公司 的实际应用,逐渐被认可,成为一种标准的通讯规约,只要按照这种规约进行数据通讯或传输,不同的系统就可以通讯。目前,在RS232/RS485通讯过程中,更是广泛采用这种规约。    常用的Modbus通讯规约有两种,一种是ModbusASCII,一种是Modbus RTU
 一般来说,通讯数据量少而且主要是文本的通讯则采用Modbus ASCII规约,通讯数据数据量大而且是二进制数值时,多采用Modbus RTU规约。

在实际的应用过程中,为了解决某一个特殊问题,人们喜欢自己修改Modbus规约来满足自己的需要(事实上,人们经常使用自己定义的规约来通讯,这样能解决问题,但不太规范)。更为普通的用法是,少量修改规约,但将规约格式附在软件说明书一起,或直接放在帮助中,这样就方便了用户的通讯。Modbus-TCP主要应用于基于以太网TCP/IP通信的控制网络中。

 

通过此协议,控制器相互之间、或控制器经由网络(如以太网)可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术,即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master,从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等;典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口(包括RS232和RS485),也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程:

 

● 主设备向从设备发送请求

 

● 从设备分析并处理主设备的请求,然后向主设备发送结果

 

● 如果出现任何差错,从设备将返回一个异常功能码

Modbus协议具有以下几个特点:

(1)标准、开放,用户可以免费、放心地使用Modbus协议,不需要交纳许可证费,也不会侵犯知识产权。

(2)Modbus可以支持多种电气接口,如RS-232、RS-485等,还可以在各种介质上传送,如双绞线、光纤、无线等。

(3)Modbus的帧格式简单、紧凑,通俗易懂。用户使用容易,厂商开发简单。

 

四、CoAp

CoAP(Constrained Application Protocol)约束应用协议。跟 HTTP 协议类似,但是设计轻量,可以用于资源受限的物联网设备的协议。跟 HTTP 协议一样,CoAP 协议同样有 GET、POST、PUT、DELETE 等方法和响应状态码,同样使用 URI 而不是 Topic 来标识资源。比如我们需要访问服务器 test.com 下面的 abc/temp 这个资源,那完整的资源地址是:test.com/abc/temp。

CoAP 的消息采用二进制格式,支持可确认消息和不可确认消息两种 QoS 级别。可确认消息(Confirmable Message)与 MQTT 协议的 QoS 1 类似,不可确认消息(Non-confirmable Message)对应 MQTT 协议的 QoS 0 级别。

另外,CoAP 协议基于的传输层协议是 UDP,而不是 HTTP 、 MQTT 协议的 TCP 协议,所以对于设备的计算资源要求更低。传感器设备一般只需要上传数据,不用随时接收服务器的控制命令,这都说明 CoAP 协议适合电池供电的传感器设备。

posted @ 2021-03-31 18:13  dongfp  阅读(1636)  评论(0编辑  收藏  举报