物联网协议有哪些？（新手必看）
本节将简单介绍一些常见的物联网协议，包括物理层协议、数据链路层协议和应用层协议。
为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下几个特点：
此后，IBM 一直将 MQTT 协议作为一个内部协议用于其产品中。直到 2010 年，IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。2014 年，MQTT 协议正式成为 OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。随着多年的发展，MQTT 协议的应用重点不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网世界。
简单来说，MQTT 协议有以下特性：
MQTT 协议的架构由 Broker 和连接到 Broker 的多个 Client 组成，如下图所示。
图 1 MQTT 协议的架构
MQTT 协议可以说是目前应用最广的协议。MQTT 协议可以为大量低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。
MQTT 协议在移动互联网领域也大有作为，很多 Android App 的推送功能都是基于 MQTT 协议实现的，一些 IM 也是基于 MQTT 协议实现的。
MQTT-SN 协议运行在 UDP 上，同时保留了 MQTT 协议的大部分信令和特性，如订阅和发布等。
MQTT-SN 协议引入了 MQTT-SN 网关这一角色，网关负责把 MQTT-SN 协议转换为 MQTT 协议，并和远端的 MQTT Broker 进行通信。MQTT-SN 协议支持网关的自动发现。
MQTT-SN 协议的通信模型如下图所示。
图 2 MQTT-SN协议的通信模型
CoAP 设计得非常小巧，最小的数据包只有 4 个字节。CoAP 采用 C/S 架构，使用类似于 HTTP 的请求-响应交互模式。设备可以通过类似于 coap://192.168.1.150:5683/2ndf loor/temperature 的 URL 来标识一个实体，并使用类似于 HTTP 的 PUT、GET、POST、DELET 请求指令来获取或者修改这个实体的状态。
同时，CoAP 提供一种观察模式，使得观察者可以通过 OBSERVE 指令向 CoAP 服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时，观察者就可以收到实体对象的最新状态，类似于 MQTT 协议中的订阅功能。
CoAP 的通信模型如下图所示：
图 3 CoAP的通信模型
LwM2M 协议的架构如下图所示：
图 4 LwM2M 协议的架构
LwM2M 协议底层使用 CoAP 传输数据和信令。在 LwM2M 协议的架构中，CoAP 可以运行在 UDP 或者 SMS（短信）之上，通过 DTLS（数据包传输层安全）来实现数据的安全传输。
在没有移动数据网络覆盖的地区，比如偏远地区的水电站，用短信作为信息传输的载体已经有比较长的历史了。
LwM2M 协议的架构主要包含 3 种实体，分别是 LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server 和 LwM2M Client。LwM2M Bootstrap Server 负责引导 LwM2M Client 注册并接入 LwM2M Server，之后 LwM2M Server 和 LwM2M Client 就可以通过协议指定的接口进行交互了。
在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上，比如运行安卓操作系统的设备，完全可以使用 HTTP 上传和下载数据，就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在 HTTP 上的 WebSocket 主动接收来自服务器的数据。
LoRaWAN 协议则是物理层/数据链路层协议，它解决的是设备如何接入互联网的问题，并不运行在 IP 网络上。
说到设备如何接入互联网，我们很自然地想到 4G、Wi-Fi，如果设备上有 4G/Wi-Fi 模块，或者支持以太网的网卡，就可以和其他联网终端，比如手机，以同样的方式接入互联网。
但是在某些情况下，4G 或者 Wi-Fi 网络的覆盖非常困难，比如用于隧道施工的工程设备往往处于隧道几千米深处，不可能用 Wi-Fi 或者 4G 络覆盖。而工程设备经常在移动，使用有线网络与现场环境也不匹配。
LoRa（Long Range）是一种无线通信技术，它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下，用户可以使用 LoRaWAN 技术进行组网，在工程设备上安装支持 LoRA 的模块。
通过 LoRa 的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的 LoRa 网关，由 LoRa 网关将数据封装成可以在 IP 网络中通过 TCP 或者 UDP 传输的数据协议包（比如 MQTT 协议），然后发往云端的数据中心。
和 LoRAWAN 协议不同的是，NB-IoT 协议构建和运行在蜂窝网络上，消耗的带宽较低，可以直接部署到现有的 GSM 网络或者 LTE 网络。设备安装支持 NB-IoT 的芯片和相应的物联网卡，连接到 NB-IoT 基站就可以接入互联网。而且 NB-IoT 协议不像 LoRaWAN 协议那样需要网关进行协议转换，接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。
相比传统的基站，NB-IoT 协议增益提高了约 20dB，可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。
MQTT协议
MQTT（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是 IBM 的 Andy Stanford-Clark 和 Arcom 的 Arlen Nipper 于 1999 年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT 协议在设计之初就包含了以下几个特点：
- 实现简单；
- 提供数据传输的 QoS（Quality of Service，服务质量）；
- 轻量、占用带宽低；
- 可传输任意类型的数据；
- 可保持的会话（Session）。
此后，IBM 一直将 MQTT 协议作为一个内部协议用于其产品中。直到 2010 年，IBM 公开发布了 MQTT 3.1 版本。2014 年，MQTT 协议正式成为 OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。随着多年的发展，MQTT 协议的应用重点不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网世界。
简单来说，MQTT 协议有以下特性：
- 基于 TCP 的应用层协议；
- 采用 C/S 架构；
- 使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接收方解耦；
- 提供 3 种消息的 QoS：至多一次、最少一次、只有一次；
- 收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。
MQTT 协议的架构由 Broker 和连接到 Broker 的多个 Client 组成，如下图所示。
图 1 MQTT 协议的架构
MQTT 协议可以说是目前应用最广的协议。MQTT 协议可以为大量低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。
MQTT 协议在移动互联网领域也大有作为，很多 Android App 的推送功能都是基于 MQTT 协议实现的，一些 IM 也是基于 MQTT 协议实现的。
MQTT-SN协议
MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）协议是 MQTT 协议的传感器版本。MQTT 协议虽然是轻量的应用层协议，但是它是运行于 TCP 协议栈之上的，TCP 对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说，比如传感器，就不太适用了。MQTT-SN 协议运行在 UDP 上，同时保留了 MQTT 协议的大部分信令和特性，如订阅和发布等。
MQTT-SN 协议引入了 MQTT-SN 网关这一角色，网关负责把 MQTT-SN 协议转换为 MQTT 协议，并和远端的 MQTT Broker 进行通信。MQTT-SN 协议支持网关的自动发现。
MQTT-SN 协议的通信模型如下图所示。
图 2 MQTT-SN协议的通信模型
CoAP协议
CoAP（Constrained Application Protocol）是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。和 MQTT-SN 协议一样，CoAP 通常也是运行在 UDP 上的。CoAP 设计得非常小巧，最小的数据包只有 4 个字节。CoAP 采用 C/S 架构，使用类似于 HTTP 的请求-响应交互模式。设备可以通过类似于 coap://192.168.1.150:5683/2ndf loor/temperature 的 URL 来标识一个实体，并使用类似于 HTTP 的 PUT、GET、POST、DELET 请求指令来获取或者修改这个实体的状态。
同时，CoAP 提供一种观察模式，使得观察者可以通过 OBSERVE 指令向 CoAP 服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时，观察者就可以收到实体对象的最新状态，类似于 MQTT 协议中的订阅功能。
CoAP 的通信模型如下图所示：
图 3 CoAP的通信模型
LwM2M协议
LwM2M（Lightweight Machine-To-Machine）协议是由 Open Mobile Alliance（OMA）定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用 RESTful 接口，提供设备的接入、管理和通信功能，也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M 协议的架构如下图所示：
图 4 LwM2M 协议的架构
LwM2M 协议底层使用 CoAP 传输数据和信令。在 LwM2M 协议的架构中，CoAP 可以运行在 UDP 或者 SMS（短信）之上，通过 DTLS（数据包传输层安全）来实现数据的安全传输。
在没有移动数据网络覆盖的地区，比如偏远地区的水电站，用短信作为信息传输的载体已经有比较长的历史了。
LwM2M 协议的架构主要包含 3 种实体，分别是 LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server 和 LwM2M Client。LwM2M Bootstrap Server 负责引导 LwM2M Client 注册并接入 LwM2M Server，之后 LwM2M Server 和 LwM2M Client 就可以通过协议指定的接口进行交互了。
HTTP协议
物联网也是互联网，HTTP 这个在互联网中广泛应用的协议，在合适的环境下也可以应用到物联网中。在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上，比如运行安卓操作系统的设备，完全可以使用 HTTP 上传和下载数据，就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在 HTTP 上的 WebSocket 主动接收来自服务器的数据。
LoRaWAN协议
LoRaWAN 协议是由 LoRa 联盟提出并推动的一种低功率广域网协议，它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT 协议、CoAP 都是运行在应用层，底层使用 TCP 或者 UDP 进行数据传输，整个协议栈运行在 IP 网络上。LoRaWAN 协议则是物理层/数据链路层协议，它解决的是设备如何接入互联网的问题，并不运行在 IP 网络上。
说到设备如何接入互联网，我们很自然地想到 4G、Wi-Fi，如果设备上有 4G/Wi-Fi 模块，或者支持以太网的网卡，就可以和其他联网终端，比如手机，以同样的方式接入互联网。
但是在某些情况下，4G 或者 Wi-Fi 网络的覆盖非常困难，比如用于隧道施工的工程设备往往处于隧道几千米深处，不可能用 Wi-Fi 或者 4G 络覆盖。而工程设备经常在移动，使用有线网络与现场环境也不匹配。
LoRa（Long Range）是一种无线通信技术，它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下，用户可以使用 LoRaWAN 技术进行组网，在工程设备上安装支持 LoRA 的模块。
通过 LoRa 的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的 LoRa 网关，由 LoRa 网关将数据封装成可以在 IP 网络中通过 TCP 或者 UDP 传输的数据协议包（比如 MQTT 协议），然后发往云端的数据中心。
NB-IoT协议
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）协议和 LoRaWAN 协议一样，是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。和 LoRAWAN 协议不同的是，NB-IoT 协议构建和运行在蜂窝网络上，消耗的带宽较低，可以直接部署到现有的 GSM 网络或者 LTE 网络。设备安装支持 NB-IoT 的芯片和相应的物联网卡，连接到 NB-IoT 基站就可以接入互联网。而且 NB-IoT 协议不像 LoRaWAN 协议那样需要网关进行协议转换，接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。
相比传统的基站，NB-IoT 协议增益提高了约 20dB，可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。
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