第7章：通信协议

设备接入网络后，如何高效地交换数据？这就需要统一的“语言”，即应用层通信协议。

7.1 MQTT 协议 (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT 是物联网领域最重要的协议，由 IBM 在 1999 年发布。

• 设计理念：轻量级、低带宽、不可靠网络。
• 通信模型：发布/订阅 (Publish/Subscribe) 模式。
  • **Broker (代理)**：服务器，负责转发消息（如 Mosquitto, EMQ X）。
  • **Publisher (发布者)**：发送数据的设备（如温度传感器）。
  • **Subscriber (订阅者)**：接收数据的应用（如手机 APP）。
  • **Topic (主题)**：消息的分类标签（如 home/livingroom/temp）。
• **QoS (服务质量)**：
  • QoS 0：最多一次 (At most once)。发完即忘，不保证到达。
  • QoS 1：至少一次 (At least once)。保证到达，但可能重复。
  • QoS 2：只有一次 (Exactly once)。保证到达且不重复，开销最大。
• 适用场景：弱网环境、低功耗设备、多对多通信。

7.2 CoAP 协议 (Constrained Application Protocol)

CoAP 专为受限设备设计，被称为“物联网版的 HTTP”。

• 底层协议：基于 UDP，而非 TCP。
• 通信模型：请求/响应 (Request/Response) 模式，类似 HTTP (GET, POST, PUT, DELETE)。
• 特点：
  • 报文极小：二进制头部只有 4 字节。
  • 支持观察者模式：类似订阅功能，服务器可主动推送状态变更。
  • 重传机制：在应用层实现了可靠传输（弥补 UDP 的不足）。
• 适用场景：极低功耗设备（如 NB-IoT 水表）、资源受限的微控制器。

7.3 HTTP/HTTPS 协议

虽然 HTTP 很臃肿，但在物联网中依然有一席之地。

• 特点：
  • 通用性强：无需额外适配，Web 开发人员无缝接入。
  • 开销大：文本协议，头部冗长，基于 TCP 三次握手。
• RESTful API：常用于云平台对外的接口，或设备进行一次性配置、固件下载。
• WebSocket：解决了 HTTP 只能由客户端发起的限制，实现全双工通信，常用于网页端实时监控。

7.4 协议对比与选型

选型建议：

• 如果设备需要实时控制或持续上报数据，首选 MQTT。
• 如果设备是NB-IoT/LoRa等窄带网络，且资源极少，考虑 CoAP。
• 如果设备需要上传图片/视频，或进行OTA升级，使用 HTTP。

协议解决了“怎么说”的问题，而网络技术解决了“怎么传”的问题。下一章我们将探讨网络技术。