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本章将简单介绍一些常见的物联网协议，包括物理层协议、数据链路层协议和应用层协议。
MQTT（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点：
●实现简单。
●提供数据传输的QoS（Quality of Service，服务质量）。
●轻量、占用带宽低。
●可传输任意类型的数据。
●可保持的会话（Session）。
此后，IBM一直将MQTT协议作为一个内部协议用于其产品中。直到2010年，IBM公开发布了MQTT 3.1版本。2014年，MQTT协议正式成为OASIS（结构化信息标准促进组织）的标准协议。随着多年的发展，MQTT协议的应用重点不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网世界。
简单来说，MQTT协议有以下特性：
●基于TCP的应用层协议。
●采用C/S架构。
●使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接收方解耦。
●提供3种消息的QoS：至多一次、最少一次、只有一次。
●收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答。
MQTT协议的架构由Broker和连接到Broker的多个Client组成，如图2-1所示。
图2-1 MQTT协议的架构
MQTT协议可以为大量低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。而它在移动互联网领域也大有作为，很多Android App的推送功能都是基于MQTT协议实现的，一些IM也是基于MQTT协议实现的。
MQTT协议可以说是目前应用最广的协议。下面的章节将对MQTT协议及其特性进行详细的讲解。
MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议，但是它是运行于TCP协议栈之上的，TCP对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说，比如传感器，就不太适用了。
MQTT-SN协议运行在UDP上，同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性，如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色，网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议，并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如图2-2所示。
图2-2 MQTT-SN协议的通信模型
CoAP（Constrained Application Protocol）是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。和MQTT-SN协议一样，CoAP通常也是运行在UDP上的。
CoAP设计得非常小巧，最小的数据包只有4个字节。CoAP采用C/S架构，使用类似于HTTP的请求-响应交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndf loor/temperature的URL来标识一个实体，并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。
同时，CoAP提供一种观察模式，使得观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时，观察者就可以收到实体对象的最新状态，类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP的通信模型如图2-3所示。
图2-3 CoAP的通信模型
我们会在第13章中对CoAP进行详细讲解。
LwM2M（Lightweight Machine-To-Machine）协议是由Open Mobile Alliance（OMA）定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful接口，提供设备的接入、管理和通信功能，也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如图2-4所示。
图2-4 LwM2M协议的架构
LwM2M协议底层使用CoAP传输数据和信令。在LwM2M协议的架构中，CoAP可以运行在UDP或者SMS（短信）之上，通过DTLS（数据包传输层安全）来实现数据的安全传输。
在没有移动数据网络覆盖的地区，比如偏远地区的水电站，用短信作为信息传输的载体已经有比较长的历史了。
LwM2M协议的架构主要包含3种实体——LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。
LwM2M Bootstrap Server负责引导LwM2M Client注册并接入LwM2M Server，之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通过协议指定的接口进行交互了。
正如我们之前所讲，物联网也是互联网，HTTP这个在互联网中广泛应用的协议，在合适的环境下也可以应用到物联网中。在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上，比如运行安卓操作系统的设备，完全可以使用HTTP上传和下载数据，就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。
我们会在第三部分讲解如何在物联网平台中使用HTTP。
LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议，它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP都是运行在应用层，底层使用TCP或者UDP进行数据传输，整个协议栈运行在IP网络上。LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议，它解决的是设备如何接入互联网的问题，并不运行在IP网络上。
说到设备如何接入互联网，我们很自然地想到4G、Wi-Fi，如果设备上有4G/Wi-Fi模块，或者支持以太网的网卡，就可以和其他联网终端，比如手机，以同样的方式接入互联网。
但是在某些情况下，4G或者Wi-Fi网络的覆盖非常困难，比如用于隧道施工的工程设备往往处于隧道几千米深处，不可能用Wi-Fi或者4G网络覆盖。而工程设备经常在移动，使用有线网络与现场环境也不匹配。
LoRa（Long Range）是一种无线通信技术，它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下，用户可以使用LoRaWAN技术进行组网，在工程设备上安装支持LoRA的模块。通过LoRa的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的LoRa网关，由LoRa网关将数据封装成可以在IP网络中通过TCP或者UDP传输的数据协议包（比如MQTT协议），然后发往云端的数据中心。
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）协议和LoRaWAN协议一样，是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。
和LoRAWAN协议不同的是，NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上，消耗的带宽较低，可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡，连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换，接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。
相比传统的基站，NB-IoT协议增益提高了约20dB，可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。
本章简单介绍了一些常见的物联网协议，接下来进入实战的第一步，即MQTT协议详解与实战。