物联网主流通信协议的详细介绍

背景

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。这个规则就是通信协议。

在物联网场景中，通信主要发生在设备和物联网平台之间，由于大部分物联网设备都是资源受限型设备，它们的物理资源和网络资源都非常有限，直接使用现有的HTTP协议进行通信对它们来说要求实在是太高了。因此，物联网场景中主要使用的通信协议都是轻量级的，为资源受限环境而设计的通信协议，例如CoAP/LWM2M协议和MQTT协议。

本文将会为您分别解读CoAP/LWM2M协议和MQTT协议，希望能帮助您了解这些协议，并选择最适合您的设备的通信协议。

----------CoAP/LWM2M协议----------

CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的应用协议）运行于UDP协议之上，设计上主要借鉴了HTTP协议的RESTful风格，简化了协议包格式，一个最小的CoAP数据包仅4字节。CoAP协议采用了和HTTP协议相同的请求/响应模型，客户端发出请求后，服务端处理请求并回复响应，是一种点对点的通信模型。CoAP和HTTP一样都是通过URI指定要访问的资源，但CoAP协议以“coap:\”或"coaps:\"开头，其中coaps的s是指消息通过DTLS协议加密。CoAP的每一条消息都是一条二进制的报文，由以下部分组成：

VER：长度2位，用于表示CoAP协议的版本号。

T：长度2位，用于表示报文类型。CoAP协议定义了四种报文类型：

CON：需要应答的报文，接受者收到该消息后需要及时回复一个ACK报文。

NON：无需应答的报文。

ACK：应答报文。

RST：复位报文，当接受者无法解析收到的报文或收到的报文中含有错误时，可以回复RST报文。

TKL：长度4位，用于表示Token字段的长度。

Code：长度8位，在请求消息中用于表示请求方法（GET/POST/PUT/DELETE），在响应消息中表示响应码（与HTTP的响应码类似）。

Message ID：长度16位，用于标识报文。主要用途有两个，一个是服务端收到CON报文后，需要返回相同Message ID的ACK报文；另一个是重发场景下，用相同的Message ID表示这是同一条报文的重复发送。

Token：可选字段，长度由TKL决定，同样用来标识报文。例如，有时候服务端收到CON报文（携带了Token）后，请求的内容无法立刻处理完成，就只能先回复一个不带响应数据的ACK报文，待请求处理完成后再通过一个CON或者NON报文将实际响应数据带给客户端；此时这个报文就必须携带和之前的CON报文相同的Token，告诉客户端这个报文是之前的CON报文的响应。

同理，若客户端发送NON报文进行请求，服务端也可同样使用NON报文进行响应，两个报文使用Token进行关联。除此之外，Token还可用于消息防伪造等场景，此处不再展开说明。

Options：可选字段，长度不定，作用类似于HTTP协议中的消息头。

1 1 1 1 1 1 1 1：隔离符，用于分隔Options和Payload。

Payload：实际负载数据，即HTTP协议中的消息体，用于携带这条消息实际的内容，可以为空。

若您希望了解更多CoAP协议的内容，可访问IETF的网站查看详细协议。

点击查看CoAP协议规范

了解过CoAP协议后，接下来我们再了解下LWM2M协议。

LWM2M（Lightweight Machine-To-Machine，轻量级M2M）协议是由由OMA（Open Mobile Alliance）提出并定义的基于CoAP协议的物联网通信协议。LWM2M协议在CoAP协议的基础上定义了接口、对象等规范，使得物联网设备和物联网平台之间的通信更加简洁和规范。

LWM2M协议定义了三个逻辑实体：LWM2M Server（服务端），LWM2M Client（客户端），LWM2M Bootstrap Server（引导服务），其中LWM2M Server和LWM2M Bootstrap Server可以是同一个服务器。在这些实体间，LWM2M协议定义了四个接口：

Bootstrap：引导接口。客户端首次启动后，可以通过该接口访问引导服务（需要厂家提前把引导服务器的地址写入设备），获取服务端的地址。

Device Discovery and Registration：设备发现与注册接口。客户端通过该接口将自己的基本信息写到服务端，包括自己支持哪些能力。该接口同时还可以用于升级注册信息和注销设备。

Device Management and Service Enablement：设备管理和业务实现接口。服务端通过该接口给客户端下发指令，客户端处理指令并返回响应。该接口定义了7种操作，分别是：“Create”、“Read”、“Write”、“Delete”、“Execute”、“Write Attributes”和“Discover”。

Information Reporting：信息上报接口。LWM2M允许服务端向客户端订阅资源信息，客户端被订阅后按照接口约定的模式（事件触发或定期）向服务端主动上报信息。

在上述接口中，服务端对客户端进行操作时都需要指定一个具体的操作目标，例如读某个属性，写某个属性。在HTTP协议中，这种目标的指定是通过URI或者消息体内携带的文本消息进行指定。而LWM2M协议为了使通信消息更加简洁，定义了对象和资源的概念。

对象是资源的集合，LWM2M协议定义了8个标准对象，给它们分别分配了0~7的对象ID，例如对象ID为5的是固件对象。考虑到拓展性，LWM2M协议也允许使用者自定义新的对象并分配对象ID。

每个对象在被使用之前必须先被实例化，因为对象都是抽象的模型，一个对象可以有多个实例，每个实例为一个单独的逻辑实体。对象实例化时会被分配实例ID，从0开始递增。

资源则可以理解为对象的属性，是LWM2M协议中实际用于携带信息的实体。同一个对象的不同实例中的资源携带值可以是不同的。每个资源都需要被分配了一个资源ID，例如固件对象的固件包名称的资源ID为6。和对象一样，LWM2M协议也允许自定义资源。

至此，通过对象ID，实例ID和资源ID，我们就可以用三个数字指示一个具体的资源，例如5/0/6表示固件对象第一个实例的固件包名称。在注册阶段，客户端就会把自己支持的对象的示例写入服务端，用于通知服务端自己支持的能力。

----------MQTT协议----------

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议运行于TCP协议之上，是一种基于发布/订阅模型的通信协议。在发布/订阅模型模型中，我们需要一个代理服务器（通常称之为Broker），所有客户端都需要和服务器建立连接，然后进行订阅和发布。若某个客户端发布了其他客户端已订阅的主题（MQTT协议中称之为topic），服务器就会将这个主题转发给所有已订阅的客户端。例如有A、B、C三个客户端都连上了同一个服务器，B和C订阅了“test”主题，然后A发布了一个主题为“test”的消息，服务器就会把这条消息转发给B和C。

在物联网场景中，物联网平台既是一个服务器又是一个客户端。平台制定一套主题规则（我们可以称之为MQTT接口），并订阅数据上报类接口的主题，然后只要设备使用该接口上报数据，平台就可以接收到数据。同理，设备若想要收到平台下发的数据，需要先订阅数据下发类接口的主题。

MQTT消息基于文本传输，主要有以下三类消息：

CONNECT：当客户端想要和服务器建立连接时，需要发送一条CONNECT消息给服务器，消息内包含自己的用户名、密码等信息，服务器鉴权通过后，和客户端建立连接。若双方想要断开连接，则需要遵循TCP协议的四次挥手规则，才能正常断开连接。客户端在发送CONNECT消息时，还可以指定“最后遗愿（last will）”消息，包括消息的主题和内容。当服务器检测到客户端异常断开连接时，就会自动发布这条“最后遗愿”消息。

SUBSCRIBE：当客户端订阅主题时，需要发送一条SUBSCRIBE消息给服务器，指定要订阅的主题。MQTT协议的主题表示为层次结构，类似文件系统，例如“/huawei/v1/devices”这种格式。同理，客户端可以通过UNSUBSCRIBE消息取消订阅指定主题。

PUBLISH：当客户端发布消息时，需要发送一条PUBLISH消息给服务器，指定消息的主题和内容。MQTT对发布消息的内容格式不做限制，需要由各个服务提供商自行制定规范。客户端发布消息时可以指定该消息是否需要保留，一个主题只能保留一条消息，被保留的消息会被代理服务器记录，以后每个新订阅这个主题的客户端都会先接收到这条保留消息。

在可靠传输方面，MQTT协议提供三种QoS等级的实现：

QoS=0表示消息只会被发送一次，但该消息可能会丢失。

QoS=1表示确保消息会到达至少一次，但可能会造成订阅者收到多条重复消息。

QoS=2表示确保消息会到达且仅到达一次。

QoS等级越高，消息传输的可靠度越高，但实现也会越复杂，对网络和设备资源的占用也会变多，所以传输时选用哪个级别的QoS需要根据实际状况选择。

----------总结----------

在分别了解过CoAP/LWM2M协议和MQTT协议之后，我们可以得知，LWM2M协议是基于CoAP协议的一种具体规范，而MQTT协议是不同于CoAP协议的另一种传输协议。

CoAP/LWM2M协议基于UDP协议，服务器和客户端之间不保持连接；通信基于请求/响应模型，与互联网主流的HTTP协议相同，主要用于点对点的通信。CoAP/LWM2M协议针对物联网场景定义了各种类型和标签，支持内容协商与发现，允许设备相互探测以找到交换数据的方式；报文为极简的二进制报文，长度更短，对设备和网络的要求更低。

MQTT协议基于TCP协议，服务端和客户端之间保持连接；通信基于分布/订阅模型，可以简单实现多对多的通信场景。MQTT协议设计简单，易于理解和学习；报文消息基于文本，消息负载格式无限制，自由度更高，更便于调测和排障时查看和理解，但同时也需要服务提供商制定通信规范（接口文档），设备之间才可进行有效通信。

综上所述，CoAP/LWM2M协议和MQTT协议各有其特点，并不存在谁优谁劣，您需要根据自己的设备的应用场景选择最适合的协议。