关于物联网:主流物联网协议选择MQTTCoAP-还是-LwM2M

随着物联网技术的倒退与遍及，越来越多的智能设施具备了网络连接与数据传输能力。因为物联网场景简单多样，设施端硬件条件、网络稳定性、流量限度、设施功耗以及设施连贯数量等多方面因素造成物联网设施的消息传递与传统互联网场景有着很大不同，也因而产生了多种物联网通信协定。

本文将选取几种支流的物联网协定，从协定的技术个性、实用场景、绝对劣势以及市场状况等方面一一进行介绍，为物联网从业者提供参考，帮忙大家在理论我的项目中抉择适合的物联网协定。

协定分类

在介绍之前，咱们对物联网协定进行一个简略分类，不便读者了解其利用场景。

从性能角度

从性能角度来划分，咱们能够将其分为两大类，一类是 物理层 / 数据链路层协定 ，一类是 应用层协定。

物理层 / 数据链路层协定个别负责设施间的组网及通信，比方 2G/3G/4G/5G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRa 这些远距离通信，也有近距离的比方 RFID、NFC、蓝牙协定无线协定和 RS232、USB 等有线协定。

应用层协定则次要是运行在传统互联网 TCP/IP 协定之上的设施通信协定，这类协定通过互联网，撑持设施到云端平台的数据交换及通信，常见的有 HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M 以及 XMPP 等协定。

从利用角度

从协定在物联网零碎中的利用角度来看，咱们能够将协定划分为云端协定和网关协定。

云端协定是建设在 TCP/IP 上的协定，传感器、管制设施等物联网数据通常都须要传输上云，通过云端连通用户并与企业零碎进行集成。

反对 TCP/IP 的物联网设施，能够通过 WIFI、蜂窝网络以及以太网，应用 HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M 以及 XMPP 等应用层协定协定接入云端。

网关协定是实用于短距通信无奈间接上云的协定，比方蓝牙、ZigBee、LoRa 等。此类设施须要接入网关转换之后，通过 TCP/IP 协定进行上云。

ZigBee

Zigbee 是一种网状网络无线协定，专为修建和家庭自动化利用而设计，是物联网环境中最风行的网状协定之一。目前次要用于局域网内连贯，在设施侧以网关的身份接入管制各类设施。

协定个性

• 低功耗：发射功率仅为 1mW，在低耗电待机模式下，两节 5 号干电池可应用长达 2 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
• 低成本：因为简略而紧凑的协定大大降低了其对通信管制的要求从而升高硬件老本，同时免收协定专利费。
• 低速率：ZigBee 工作在 20～250kbps 的速率，别离提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz) 和 20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的利用需要。
• 近距离：相邻节点传输范畴在 10～100m 之间，根本笼罩普通家庭和办公环境；减少发射功率后可减少到 1～3km，通过路由和节点间通信的接力，传输间隔将能够更远。
• 低时延：ZigBee 的响应速度较快，个别从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连贯进入网络只需 30ms，进一步节俭了电能。相比拟，蓝牙须要 3～10s、WiFi 须要 3s。
• 高容量：ZigBee 可采纳星状、片状和网状网络结构，由一个主节点治理若干子节点，最多一个主节点可治理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点治理，最多可组成 65000 个节点的大网。
• 高平安：ZigBee 提供了 CRC 数据包完整性检查性能，反对鉴权和认证，采纳了 AES-128 的加密算法，各个利用都能够灵便确定其平安属性。
• 免许可证频段：间接序列扩频用于工业迷信医学（ISM）频段：2.4GHz（寰球），915MHz（北美），868MHz（欧洲）。

市场情况

Zigbee 技术具备低功耗、大节点容量、短时延、安全可靠等突出长处，可满足智能家居利用需要，是智能家居外围无线组网连贯技术。得益于中国智能家居市场疾速倒退，利用 Zigbee 技术的智能家居设施数量一直增长，Zigbee 技术利用推广步调日益放慢。

相比同为无线局域网技术体系的 WiFi、蓝牙技术，Zigbee 技术在功耗、节点容量、自组网能力、安全性方面具备突出劣势，利用规模不断扩大。

参考资料：对于 ZigBee 技术，你理解多少？

NB-IoT

NB-IoT 是由 3GPP 标准化组织制订的一种新型蜂窝技术，属于低功率广域（LPWA）物联网连贯的一种，次要用于连贯带宽资源受限的终端，容许终端以比 GRPS、3G、LTE 等技术更少的资源收集和替换数据。

NB-IoT 在 2017-2018 年倒退迅速，寰球泛滥运营商陆续实现了商用部署。NB-IoT 的低成本、低功耗和广覆盖使得用户可能实现传统蜂窝网络无奈反对的新场景新利用。

2020 年 7 月 9 日，3GPP 发表 5G R16 规范解冻，NB-IoT 正式纳入 5G 规范，成为 5G mMTC 海量物联网连贯场景核心技术。

协定个性

• 引入了低功耗的「睡眠」模式（PSM、eDRX）。
• 升高了对通信品质要求，简化了终端设计（半双工模式、协定栈简化等）。
• 通过两种性能优化模式（CP 模式、UP 模式）简化流程，缩小了终端和网络的交互量。
• 超低笼罩，在 GPRS 的根底上笼罩加强 20dB，覆盖范围是 GPRS 的三倍。

市场情况

以后，NB-IoT 已进入亿级连贯时代，后续随着寰球运营商对商用 NB-IoT 5G 网络的全笼罩建设，NB-IoT 将在智能家居、智慧农业、工业制作、能源表计、消防烟感、物流跟踪、金融领取等各畛域中继续暴发。

以中国电信物联网开放平台为例，该平台实现了对中国电信 NB-IoT 以及其余网络物联网设施的集中接入，并为政企用户提供物联网设施治理、数据接口以及利用使能等服务。

EMQ 从该平台建设之初即已参加，配合天翼物联为该平台研发 NB-IoT 设施接入与音讯路由能力，并同时反对电信 TLINK、MQTT 等协定设施的接入，平台整体设计接入能力达亿级。

参考资料：一文理解 NB- IoT 四大要害个性以及实现技术

LoRa

LoRa 协定是一个低功耗、远距离、无线广域网的标准协议，其名称来自于「远距离（Long Range）」的简称。

LoRa 相比其余无线流传协定如 ZigBee、蓝牙、WIFI 最大的特点是同功耗下流传间隔更远，实现了低功耗和远距离的对立，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信间隔扩充 3-5 倍。

LoRa 在物联网利用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网。LoRa 网络次要由终端（可内置 LoRa 模块）、网关（或称基站）、Server 和云四局部组成。

LoRaWAN 的数据传输速率范畴为 0.3 kbps 至 37.5 kbps，为了最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量，LoRaWAN 网络服务器通过一种速率自适应（Adaptive Data Rate , ADR）计划来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。

协定个性

• 覆盖面：LoRa 繁多网关的遮蔽间距个别在 3-5km 的领域，宽敞地区乃至达到 15km 之上。
• 低功耗：充电电池供电系统可能 支撑点多年乃至十余年。
• 高容量：得益于终端无联接状况的特点，能够保障大量终端的接入。
• 低成本：通信网络成本费极低，另外实用窄带传输数据。
• 安全系数：采纳 AES128 加密，安全系数高。

市场情况

对于智慧农业、智慧城市、工业物联网 (IIoT)、智能环境、智能家居和楼宇、智能公用事业和计量以及智能供应链和物流中的农村或室内利用场景，LoRa 具备极高的灵活性。

LoRa 组网不便，利用 LoRa 极强的穿透力，能够低成本实现对较大范畴内的设施连贯，相比通过 NB-IoT 和运营商 SIM 卡接入，LoRa 不须要每年换卡或缴费，长期应用领有较低的老本。

参考资料：用 LoRa 实现的物联网利用，到底好在哪里？

MQTT

MQTT 协定是基于公布 / 订阅模式的物联网通信协议，凭借简略易实现、反对 QoS、报文小等特点，占据了物联网协定的半壁江山。

MQTT 协定广泛应用于物联网、挪动互联网、智能硬件、车联网、电力、能源等畛域，既能作为网关在设施侧接入通信，也能作为设施 - 云端的通信协议。ZigBee、LoRa 等绝大多数网关协定最终都转换为 MQTT 协定接入上云。

协定个性

• 轻量牢靠：MQTT 报文紧凑，可在重大受限的硬件设施和低带宽、高提早的网络上实现稳固传输。
• 公布 / 订阅模式：基于公布 / 订阅模式，公布订阅模式的长处在于发布者与订阅者的解耦：订阅者与发布者不须要建设间接连贯、也不须要同时在线。
• 为物联网而生：提供心跳机制、遗嘱音讯、QoS 品质等级 + 离线音讯、主题和平安治理等全面的物联网利用个性。
• 生态更欠缺：笼罩全语言平台的客户端和 SDK，有成熟的 Broker 服务端软件，可能反对海量 Topic，千万级设施接入量，提供丰盛的企业集成能力。

通信模式

MQTT 采纳公布订阅模式通信，公布订阅模式区别于传统的客户端 - 服务器模式，它使发送音讯的客户端（发布者）与接管音讯的客户端（订阅者）拆散，发布者与订阅者不须要建设间接分割。咱们既能够让多个发布者向一个订阅者公布音讯，也能够让多个订阅者同时接管一个发布者的音讯。

市场情况

MQTT 是 IoT 畛域的最重要的标准协议之一，宽泛用于物联网、车联网、工业物联网、智能家居、智慧城市、电力石油能源等行业。

MQTT 是 AWS IoT Core、Azure IoT Hub、阿里云物联网平台等顶级云厂商物联网平台规范通信协议，是工业互联网、车联网、智能家居等各个行业以及诸多网关协定上云的首选协定。

EMQX 作为寰球最热门、最成熟的 MQTT Broker 之一，提供了「随处运行，有限连贯，任意集成」云原生分布式物联网接入平台，一体化的分布式 MQTT 音讯服务和弱小的 IoT 规定引擎，为高牢靠、高性能的物联网实时数据挪动、解决和集成提供能源，助力企业疾速构建要害业务的 IoT 平台与利用。

参考资料：MQTT 协定入门与进阶

CoAP

CoAP 是一种在物联网世界的类 HTTP 的协定，应用在资源受限的物联网设施上，它的具体标准定义在 RFC 7252。

因为物联网设施大多都是资源限制型的，比方 CPU、RAM、Flash、网络宽带等。对于这类设施来说，想要间接应用现有网络的 TCP 和 HTTP 来实现设施实现信息替换是不事实的。为了让这部分设施可能顺利接入网络，CoAP 协定应运而生。

协定个性

CoAP 参考了很多 HTTP 的设计思路，同时也依据受限资源限度设施的具体情况改进了诸多的设计细节，减少了很多实用的性能。

• 基于音讯模型
• 传输层基于 UDP 协定，反对受限设施
• 应用相似 HTTP 申请的申请 / 响应模型，HTTP 是文本格式，CoAP 为二进制格局，且比 HTTP 更加紧凑
• 反对双向通信
• 轻量、低功耗
• 反对牢靠传输，数据重传，块传输，确保数据牢靠达到
• 反对 IP 多播
• 反对察看模式
• 反对异步通信

市场情况

相比于 MQTT，CoAP 更加轻量、开销更低，在某些特定的设施和网络环境下更为适合。EMQX 以及局部私有云物联网平台都提供提供了 CoAP 接入能力，请参考 MQTT 和 CoAP 在 EMQX 世界的一次「约会」。

LwM2M

LwM2M 是实用于资源无限的终端设备治理的轻量级物联网协定。LwM2M 协定诞生于 2013 年底，由 OMA（Open Mobile Alliance）提出并定义。目前的成熟版本号仍然是 1.0，OMA 的专家们正为 1.1 版而致力。

协定个性

LwM2M 协定最次要的实体包含 LwM2M Server 和 LwM2M Client。

• LwM2M Server 作为服务器，部署在 M2M 服务供应商处或网络服务供应商处。
• LwM2M Client 作为客户端，部署在各个 LwM2M 设施上。

此外，依据须要还能够退出 LwM2M 疏导服务器（Bootstrap Server）或智能卡（SmartCard），对客户端实现初始的疏导。

LwM2M 协定有以下几个突出特点：

• 协定基于 REST 架构。
• 协定的消息传递是通过 CoAP 协定来达成的。
• 协定定义了一个紧凑高效又不乏扩展性的数据模型。

思考到与时俱进，实现简洁易懂的格调，LwM2M 协定采纳了 REST。

但因为协定的服务对象是资源无限的终端设备，传统的 HTTP 数据传输方式显得过分轻便，难以反对受限资源，因而抉择了具备 REST 格调的 CoAP 来实现音讯和数据传递。一方面 CoAP 基于 UDP，与 TCP 相比，在网络资源无限及无奈确保设施始终在线的环境里更加熟能生巧（出于安全性思考，应用了基于 UDP 的 DTLS 平安传输协定）。另一方面 CoAP 自身的音讯构造非常简单，报文压缩，次要局部能够做到特地玲珑，无需占用过多资源。

出于相似的思考，协定的数据结构必须足够简略。LwM2M 协定定义了一个以资源（Resource）为根本单位的模型，每个资源能够携带数值，能够指向地址，以示意 LwM2M 客户端中每一项可用的信息。资源都存在于对象实例中（Object Instance），即对象（Object）的实例化。LwM2M 协定预约义了 8 种对象（Object）来满足根本的需要，别离是：

思考到扩展性，协定也容许依据理论须要自定义更多的对象。在这样的数据模型中，资源、对象实例以及对象都是用数字对应的 ID 来示意的，以实现最大水平的压缩，因而任何资源都能够用最多 3 级的简洁形式示意，例如 /1/0/1 示意服务器对象（Server Object）第 1 个实例中的服务器短 ID 资源。在注册阶段，LwM2M 客户端把携带了资源信息的对象实例传递给 LwM2M 服务器，以告诉服务器本身设施所具备的能力。

EMQ 也实现了 EMQX 服务器上的 LwM2M 接入能力，实现了 LwM2M 协定的大部分性能，LwM2M 设施能够注册至 EMQX-LWM2M 上，从而通过 EMQX-LWM2M 拜访并治理设施，设施也能够向 EMQX-LWM2M 上报信息，并应用 EMQ 后端的服务来采集数据。

XMPP

XMPP 可拓展音讯解决现场协定是基于 XML 的即时通讯协定，协定将通信上下文信息嵌入到 XML 结构化数据中，使得人与人之间、利用零碎之间以及人与利用零碎之间能即时通讯。

协定个性

• 所有 XMPP 信息都是以 XML 为根底的，信息替换的事实标准，扩展性强。
• XMPP 零碎是一个分布式系统，每台服务器管制本人的资源。
• XMPP 协定是公开开源的，应用 XML 定义了客户端和服务器端的交互。

市场情况

XMPP 特点在于协定和扩大协定成熟，功能完善，专门为即时聊天 (IM) 场景设计。XMPP 是老牌的即时聊天协定，像 Google Hangouts, WhatsApp Messenger 等即时聊天程序都是基于 XMPP 的。

但因为 XMPP 依赖 XML 协定，放在 IoT 场景里过重，因而根本不适宜物联网传输应用。

结语

横向来看，物联网在简直所有行业都有宽泛的利用场景，每个行业有不同的工况和组网模式；从纵向来看，物联网零碎涵盖了传感器 / 管制设施，数据接入、传输、路由替换组件以及数据的存储解决整个软硬件链条，每个环节都有须要正当、高效的技术计划。

以后物联网协定出现多元化倒退，不同行业和场景实用不同的协定，在雷同的场景下也可能有多个协定可供选择，没有任何协定可能在市场上占有统治位置，各种协定之间存在肯定的互补效应。因而，要实现物联网设施和数据的互联互通，关键点并不在与协定的对立，而在于不同协定之间的互联互通、下层业务应用层协定的对立。

EMQ 致力于解决物联网设施数据连贯问题。外围产品 EMQX 物联网音讯服务器能够通过凋谢规范的 MQTT、CoAP 和 LwM2M 协定连贯任何设施，对于诸如工业场景中工业协定简单多样的状况，也可通过边缘工业协定网关软件转换成对立的 MQTT 协定接入，满足绝大多数物联网场景下的数据采集需要，为企业的物联网业务提供高效牢靠的数据接入层。

版权申明：本文为 EMQ 原创，转载请注明出处。

原文链接：https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m