1.7　IoT通信协议

IoT通信协议分为网络接入协议、网络应用协议和GPS协议三大类，如图1-28所示。其中，网络接入协议用于设备组网和接入，支持数据传输，以无线协议为主，包括无线近场协议和无线远程协议；网络应用协议主要以IP为基础，用于设备接入后的业务应用通信，包括常规的HTTP/HTTPS和定制应用协议；GPS协议用于对智能设备（移动设备为主）的实时定位。

图1-28　IoT通信协议分类

1.7.1　无线近场协议

无线近场协议是网络接入协议的重要组成部分之一，支持相对近距离的设备连接与通信。目前，IoT中使用较广泛的无线近场协议包括Wi-Fi协议（IEEE 802.11）、蓝牙或蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）、ZigBee（IEEE 802.15.4）、NFC等。表1-20所示为常见无线近场协议的特点比较，关于这些协议的更多细节信息，读者可查看相关标准进一步学习。

表1-20　常见无线近场协议的特点比较

1.7.2　无线远程协议

无线远程协议主要是指2G、3G、4G和5G等通信协议。这些协议借助移动通信技术连接互联网，也可以称为移动通信协议。NB-IoT、LoRa等低功耗广域网协议不属于本书介绍范围。

（1）2G通信协议。第二代移动通信协议，主要分为两类：一类是基于时分多路访问（Time Division Multiple Access，TDMA）所发展出的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）规格；另一类是码分多路访问（Code Division Multiple Access，CDMA）规格。2G通信速率一般在32kbit/s。

（2）GPRS通信协议。通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）是基于GSM的无线分组交换协议，介于2G和3G之间，由中国移动开发并运营，也被称为2.5G。

（3）3G通信协议。第三代移动通信协议，支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，下行速率一般为2M～3Mbit/s。目前3G存在3种标准：CDMA2000（美国版）、WCDMA（欧洲版）和TD-SCDMA（中国版）。

（4）4G通信协议。第四代移动通信协议，集3G与无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）于一体，能够快速传输高质量音频、视频和图像数据等。4G传输速率可达100Mbit/s，目前包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。

（5）5G通信。第五代移动通信协议于2019年陆续推出，已广泛应用于IoT领域。

1.7.3　网络应用协议

网络应用协议是支持IoT业务应用的网络协议。传统应用协议是HTTP和HTTPS，二者的主要区别在于HTTPS增加了认证和加密，将HTTP和HTTPS直接应用到IoT中存在以下局限性。

（1）设备主动向服务器发送数据，难以实现服务器主动向设备发送数据。

（2）HTTP采用明文数据传输，安全性不高。

（3）资源占用率高，一些资源受限的设备处理速度跟不上。

因此，一些基于消息推送的定制应用协议更受关注，部分如下。

（1）MQTT协议。消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议是IBM公司开发的一个即时通信协议，比较适用于智能设备通信应用场景。MQTT协议构建于TCP/IP上，采用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，可以解除应用程序耦合；MQTT协议头部固定长度为2字节，可适用于低功耗低网速的设备；MQTT协议支持服务质量（Quality of Service，QoS），有“至多一次”“至少一次”和“只有一次”3种消息服务模式。

MQTT协议的上述特点使其在卫星链路通信传感器、医疗设备、智能家居、受限环境小型化设备中广泛应用。小米、华为、三星、苹果等公司的IoT设备重点支持MQTT协议，一般同时集成两种协议，MQTT协议为主，外加一个常规的其他协议。

（2）XMPP。可扩展通信和表示协议（Extensible Messaging and Presence Protocol，XMPP）是一种基于标准通用标记语言的子集可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）的协议，可用于服务类实时通信、表示和需求响应服务中的XML数据元流式传输。XMPP采用客户端/服务器（C/S）通信模式，使用简单的客户端，将多数工作放在服务器进行。

XMPP是基于XML的协议，得益于开放性、易用性等特点，在即时通信、网络管理、内容供稿、协同工具、游戏等方面得到了广泛应用。

（3）REST协议。表述性状态传递（Representational State Transfer，REST）协议是一种针对网络应用的设计和开发协议，可以降低开发的复杂性，提升系统的可伸缩性，可快速实现客户端和服务器之间交互的松耦合，降低客户端和服务器之间的交互延迟。采用REST协议的客户端和服务器之间的交互在请求时是无状态的，并且使用标准的HTTP方法（如GET、PUT、POST和DELETE）。

REST/HTTP主要为了简化互联网中的系统架构，因此适合应用在IoT中。在IoT应用中，REST协议可以通过开放REST API的方式被互联网中其他应用所调用。

（4）CoAP。受限制的应用协议（Constrained Application Protocol，CoAP）基于REST架构，应用于无线传感网中。CoAP是一种应用层协议，它运行于用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）之上，包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。CoAP基本报头只有4字节，基本报头后面跟扩展选项，一个典型的请求报头为10～20字节。为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP支持异步通信，适用于机对机（Machine-to-Machine，M2M）通信。CoAP支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表。

CoAP的设计目标是为了让小设备可以接入互联网，解决设备直接连接到IP网络的问题，满足将IP技术应用到设备之间、互联网与设备之间的通信需求。

1.7.4　GPS

GPS是一种以空中卫星为基础的高精确无线导航定位系统。作为移动感知技术，它是IoT中用于采集移动设备位置信息的重要技术。目前，GPS协议在智能穿戴、智能汽车和共享单车、智能物流、智能交通等许多领域均有应用。