關於物聯網通訊協定(通訊協議)

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一、區分通訊與通訊協定：
1、傳統意義上的“通訊”主要指電話、電報、電傳。通訊的“訊”指訊息（Message）,媒體訊息通過通訊網路從一端傳遞到另外一端。媒體訊息的內容主要是話音、文字、圖片和視頻映像。其網路的構成主要由電子裝置系統和無線電系統構成，傳輸和處理的訊號是類比的。所以，“通訊”一詞應特指採用電報、電話、網路等媒體傳輸系統實現上述媒體資訊傳輸的過程。“通訊”重在內容形式，因此通訊協議主要集中在ISO七層協議中的應用程式層。通訊協議主要是運行在傳統互連網TCP/IP協議之上的裝置通訊協議，負責裝置通過互連網進行資料交換及通訊。

2、通訊”僅指資料通訊，即通過電腦網路系統和資料通訊系統實現資料的端到端傳輸。通訊的“信”指的是資訊（Information）,資訊的載體是二進位的資料，資料則是可以用來表達傳統媒體形式的資訊，如聲音、映像、動畫等。“通訊”重在傳輸手段或使用方式，從這個角度，“通訊”的概念包括了資訊“傳輸”。因此通訊協定主要集中在ISO七層協議中的物理層、資料連結層、網路層和傳輸層。

3、在物聯網應用中，通訊技術包括Wi-Fi、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、GSM、GPRS、3/4/5G網路、Ethernet、RS232、RS485、USB等。

4、相關的通訊協定（協議棧、技術標準）包括：Wi-Fi（IEEE 802.11b）、RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、LoRa、NB-IoT、CDMA/TDMA、TCP/IP、WCDMA、TD-SCDMA、TD-LTE、FDD-LTE、TCP/IP、HTTP等。

5、物聯網技術架構體系中所使用到的通訊協議主要有：AMQP、JMS、REST、HTTP/HTTPS、COAP、DDS、MQTT等。

二、通訊協議：
1、HTTP協議簡介
HTTP是一個屬於應用程式層的物件導向的協議，由於其簡捷、快速的方式，適用於分布式超媒體資訊系統。它於1990年提出，經過幾年的使用與發展，得到不斷地完善和擴充。目前在WWW中使用的是HTTP/1.0的第六版，HTTP/1.1的正常化工作進行中之中，而且HTTP-NG(Next Generation of HTTP)的建議已經提出。

2、HTTP協議特點
【1】支援客戶/伺服器模式
【2】簡單快速
【3】靈活
【4】無串連
【5】無狀態

3、HTTPS協議簡介
該協議使用了HTTP協議，但HTTPS使用不同於HTTP協議的預設連接埠及一個加密、身分識別驗證層（HTTP與TCP之間）。這個協議的最初研發由網景公司進行，提供了身分識別驗證與加密通訊方法，現在它被廣泛用於互連網上安全敏感的通訊。

4、用戶端雲web伺服器通訊時的步驟如下：
【1】客戶使用https的URL訪問Web伺服器，要求與Web伺服器建立SSL串連。
【2】Web伺服器收到用戶端請求後，會將網站的認證資訊（認證中包含公開金鑰）傳送一份給用戶端。
【3】用戶端的瀏覽器與Web伺服器開始協商SSL串連的安全等級，也就是資訊加密的等級。
【4】用戶端的瀏覽器根據雙方同意的安全等級，建立工作階段金鑰，然後利用網站的公開金鑰將工作階段金鑰加密，並傳送給網站。
【5】Web伺服器利用自己的私密金鑰解密出工作階段金鑰。
【6】Web伺服器利用工作階段金鑰加密與用戶端之間的通訊。

5、WebSerivce/REST協議簡介
WebService和REST都不是一種協議，他們是基於HTTP/HTTPS的一種技術方式或風格，之所以放在這裡，是因為在物聯網應用服務對外介面方式常採用WebService和RESTful API。

5.1、WebSerivce介紹
【1】WebService是一種跨程式設計語言和跨作業系統平台的遠程調用技術。
【2】XML+XSD(XML Schema),SOAP和WSDL就是構成WebService平台的三大技術。
【3】XML解決了資料表示的問題，但它沒有定義一套標準的資料類型，更沒有說怎麼去擴充這套資料類型。XML Schema(XSD)就是專門解決這個問題的一套標準。它定義了一套標準的資料類型，並給出了一種語言來擴充這套資料類型。WebService平台就是用XSD來作為其資料類型系統的。
【3】SOAP協議定義了SOAP訊息的格式，SOAP協議是基於HTTP協議的，SOAP也是基於XML和XSD的，XML是SOAP的資料編碼方式。打個比喻：HTTP就是普通公路，XML就是中間的綠色隔離帶和兩邊的防護欄，SOAP就是普通公路經過加隔離帶和防護欄改造過的高速公路。公式是：SOAP協議= HTTP協議+ XML資料格式
【4】WSDL(Web Services Description Language)就是這樣一個基於XML的語言，用於描述Web Service及其函數、參數和傳回值。

5.2、REST介紹
REST是表徵狀態轉換，是基於HTTP協議開發的一種通訊風格，目前還不是標準。REST是互連網中服務調用API封裝風格，物聯網中資料擷取到物聯網應用系統中，在物聯網應用系統中，可以通過開放REST API的方式，把資料服務開放出去，被互連網中其他應用所調用。

6、CoAP (Constrained Application Protocol)協議簡介
CoAP協議簡稱：受限應用協議，應用於無線感測網中協議。CoAP是簡化了HTTP協議的RESTful API，CoAP是6LowPAN協議棧中的應用程式層協議，適用於：在資源受限的通訊的IP網路。
【1】前序壓縮
【2】方法和URIs
【3】傳輸層使用UDP協議
【4】支援非同步通訊
【5】支援資摘要搜索
【6】支援緩衝

7、MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )協議簡介
【1】簡介
訊息佇列遙測傳輸，由IBM開發的即時通訊協議，相比來說比較適合物聯網情境的通訊協議。MQTT協議採用發布/訂閱模式，所有的物聯網終端都通過TCP串連到雲端，雲端通過主題的方式管理各個裝置關注的通訊內容，負責將裝置與裝置之間訊息的轉寄。適用於：在低頻寬、不可靠的網路下提供雲端式平台的遠程裝置的資料轉送和監控。

【2】使用特點
《1》使用基於代理的發布/訂閱訊息模式，提供一對多的訊息發布；
《2》使用TCP/IP提供網路連接；
《3》小型傳輸，開銷很小(固定長度的頭部是2位元組)，協議交換最小化，以降低網路流量；
《4》支援QoS，有三種訊息發布服務品質：“至多一次”，“至少一次”，“只有一次”。

【3】應用情境
《1》已經有PHP，JAVA，Python，C，C#等多個語言版本的協議架構；
《2》IBM Bluemix的一個重要部分是其IoT，Foundation服務，這是一項雲端式的MQTT執行個體；
《3》行動裝置 App程式也早就開始使用MQTT，如Facebook Messenger和com等。

8、DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)協議簡介
【1】簡介
面向即時系統的資料分布服務，這是大名鼎鼎的OMG組織提出的協議，其權威性應該能證明該協議的未來應用前景。適用於：分布式高可靠性、即時傳輸裝置資料通訊。目前DDS已經廣泛應用於國防、民航、工業控制等領域。

【2】使用特點
《1》以資料為中心；
《2》使用無代理的發布/訂閱訊息模式，點對點、點對多、多對多；
《3》提供多大21種QoS服務品質策略。

9、AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)協議簡介
【1】簡介
先進訊息佇列協議，這是OASIS組織提出的，該組織曾提出OSLC(Open Source Lifecyle)標準，適用於：業務系統例如PLM，ERP，MES等進行資料交換。

【2】協議特點
《1》Wire級的協議，它描述了在網路上傳輸的資料的格式，以位元組為流；
《2》面向訊息、隊列、路由(包括點對點和發布/訂閱)、可靠性、安全；

【3】開源協議包括：
《1》Erlang中的實現有RabbitMQ
《2》AMQP的開源實現，用C語言編寫OpenAMQ
《3》Apache Qpid
《3》stormMQ

10、XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)協議簡介
【1】簡介
可擴充通訊和表示協議，XMPP的前身是Jabber，一個開源形式組織產生的網路即時通訊協定。XMPP目前被IETF國際標準組織完成了標準化工作。適用於：即時通訊的應用程式，還能用在網路管理、內容供稿、協同工具、檔案共用、遊戲、遠端系統監控等。

【2】協議特點
《1》客戶機/伺服器通訊模式；
《2》分布式網路；
《3》簡單的用戶端，將大多數工作放在伺服器端進行；
《4》標準通用標記語言 (SGML)的子集XML的資料格式。

【3】注意事項
XMPP是基於XML的協議，由於其開放性和易用性，在互連網及時通訊應用中運用廣泛。相對HTTP，XMPP在通訊的商務程序上是更適合物聯網系統的，開發人員不用花太多心思去解決裝置通訊時的業務通訊流程，相對開發成本會更低。但是HTTP協議中的安全性以及計算資源消耗的硬傷並沒有得到本質的解決。

11、JMS(Java Message Service)協議簡介
【1】簡介
JAVAMessage Service，這是JAVA平台中著名的訊息佇列協議。JavaMessage Service應用程式介面，是一個Java平台中關於面向訊息中介軟體(MOM)的API，用於在兩個應用程式之間，或分布式系統中發送訊息，進行非同步通訊。JavaMessage Service是一個與具體平台無關的API，絕大多數MOM供應商都對JMS提供支援。JMS是一種與廠商無關的API，用來訪問訊息收發系統訊息，它類似於JDBC(Java Database
Connectivity)。

 

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