物联网基础之MQTT CoAP简介

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物联网基础之MQTT、CoAP简介


目录

CoAP

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常用消息传输协议

MQTT


消息传递

1.同步消息传递2.异步消息传递

• TCP\UDP

• HTTP

• Java消息传递服务（Java Messaging Service (JMS)）• 高级消息队列协议（Advanced Message Queueing Protocol (AMQP)）• 消息队列遥测传输（Message Queueing Telemetry Transport (MQTT)）• 受限制的应用协议（Constrained Application Protocol( CoAP) ）


CoAP

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MQTT


MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是IBM主导开发的一个即时通讯协议，其发展历史大致如下：• 1999年，IBM和Arcom共同发明了MQTT协议。• 2004年，MQTT.org开放了论坛，供大家广泛参与。• 2011年，IBM建立了Eclipse开源项目Paho，并贡献了代码。Eclipse

Paho是MQTT的Java实现版本。• 2013年，OASIS MQTT技术规范委员会成立• 2014年，MQTT正式成为推荐的物联网传输协议标准。


MQTT特性

（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（Quality of Service，QoS）（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

发布者代理订阅者发布消息

订阅消息

推送消息

• 发布者（Publish）• 订阅者（Subscribe）• 代理（Broker）（服务器）


MQTT

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）（1）Topic，可以理解为消息的类型，本质上就是一个UTF-8的字符串，不过可以通过反斜杠表示多个层级关系。主题并不需要创建，直接使用；主题还可以通过通配符进行过滤。其中，+可以过滤一个层级，而#只能出现在主题最后表示过滤任意级别的层级。订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

例：building-b/floor-5：代表B楼5层的设备。+/floor-5：代表任何一个楼的5层的设备。building-b/#：代表B楼所有的设备。注:MQTT允许使用通配符订阅主题，但是并不允许使用通配符广播。


MQTT-消息类型

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


MQTT-QoS

QoS Level 0：至多一次QoS Level 1：至少一次，有可能重复QoS Level 2：只有一次，确保消息只到达一次


MQTT


MQTT-安全

MQTT提供了多个层次的安全特性：

网络层：有条件可以通过拉专线或者使用VPN来连接设备与MQTT代理，以提高网络传输的安全性。传输层：传输层使用TLS加密是确保安全的一个好手段，可以防止中间人攻击（Man-In-The-Middle Attack）。客户端证书不但可以作为设备的身份凭证，还可以用来验证设备。应用层：MQTT还提供客户标识（Client Identifier）以及用户名密码，在应用层验证设备。


MQTT-软件实现

代理：

Mosquitto —— 这是最早在生产环境中可用的消息代理之一，以 C 语言编写，提供多种配置与高性能。Mosca —— 以 Node.js 编写，可嵌入 Node 应用或以独立可执行文件的形

式运行。由于配置简单并具有可扩展性，它也是我们最喜欢的消息代理，具有高性能的优点。RSMB —— IBM 对 MQTT 协议的实现，也是最不常用的选项之一，不过它是一个用C语言编写的成熟系统。HiveMQ —— HiveMQ 是一种相对较新的消息代理，面向企业环境，在博客上有很多关于 MQTT 不错的信息。

客户端：

Eclipse-Paho ——包含以C、Java、Python、Javascript等语言编写的可用客户端


CoAP

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MQTT


CoAP协议背景

CoAP（Constrained Application Protocol，受限制的应用协议）物联网应用中，设备与设备之间互相联通，它们需要互相进行网络通信。但由于通常物联网设备都是资源限制型的，有限的CPU能力，有限RAM,

有限的flash，有限的网络带宽，针对此类特殊场景， CoAP协议借鉴了HTTP协议机制并简化了协议包格式。简洁地实现了物联网设备之间通信。


CoAP协议特点

• 消息模型，以消息为数据通信载体，通过交换网络消息来实现设备间数据通信

• 对云端设备资源操作都是通过请求与响应机制来完成，类似HTTP，REST式交互，设备端可通过4个请求方法（GET, PUT, POST, DELETE）对服务器端资源进行操作

• 协议包轻量级，最小长度仅为4B

• 支持可靠传输，数据重传，块传输，确保数据可靠到达• 支持IP多播, 即可以同时向多个设备发送请求• 非长连接通信，适用于低功耗物联网场景• 支持DTLS保证传输层安全


CoAP消息类型

CoAP采用与HTTP协议相同的请求响应工作模式，CoAP协议共有4种不同的消息类型：

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消息结构

Version：类似于IPv4和IPv6，仅仅是一个版本号。Message Type：CON，NON，ACK，RST。Message ID：每个CoAP消息都有一个ID，在一次会话中ID总是保持不变。但在这个会话之后该ID会被回收利用。Token：标记是ID的另一种表现。Options：CoAP选项类似于HTTP请求头，它包括CoAP消息本身，例如CoAP

端口号，CoAP主机和CoAP查询字符串等。负载Payload：真正有用的被交互的数据。


CoAP观察模式

• CoAP提供观察模式，来减化客户端从服务器侧获取信息的流程，类似MQTT 订阅模式


CoAP块传输

CoAP为传输较大的数据提供了分块传输的的方式，服务器客户端均可支持，可利用与版本下载等场景，通过block1/block2 option字段实现


CoAP URI

• RESTFul协议由于其简单性和适用性，在WEB应用中越来越受欢迎• CoAP支持REST式交互，一个CoAP资源可以被一个URI所描述

例：一个设备可以测量温度，那么这个温度传感器的URI被描述为：CoAP://machine.address:5683/sensors/temperature。注：CoAP的默认UDP端口号为5683。


CoAP开源实现

libcoap（C语言实现） https://libcoap.net/

Californium（java语言实现） http://www.eclipse.org/californium/


学习完本课程，您应该能够：

了解几种常见的物联网应用协议


课程总结

介绍两种常见的物联网应用协议，包括MQTT、CoAP


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Date post:	12-Apr-2022
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