隨著物聯網技術的發展與普及，越來越多的智慧裝置具備了網路連線與資料傳輸能力。由於物聯網場景複雜多樣，裝置端硬體條件、網路穩定性、流量限制、裝置功耗以及裝置連線數量等多方面因素造成物聯網裝置的訊息傳遞與傳統網際網路場景有著很大不同，也因此產生了多種物聯網通訊協議。

本文將選取幾種主流的物聯網協議，從協議的技術特性、適用場景、相對優勢以及市場情況等方面一一進行介紹，為物聯網從業者提供參考，幫助大家在實際專案中選擇合適的物聯網協議。

## 協議分類

在介紹之前，我們對物聯網協議進行一個簡單分類，方便讀者理解其應用場景。

### 從功能角度

從功能角度來劃分，我們可以將其分為兩大類，一類是**物理層/資料鏈路層協議**，一類是**應用層協議**。

物理層/資料鏈路層協議一般負責裝置間的組網及通訊，比如 2G/3G/4G/5G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRa 這些遠距離通訊，也有近距離的比如 RFID、NFC、藍芽協議無線協議和 RS232、USB 等有線協議。

應用層協議則主要是執行在傳統網際網路 TCP/IP 協議之上的裝置通訊協議，這類協議透過網際網路，支撐裝置到雲端平臺的資料交換及通訊，常見的有 HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M 以及 XMPP 等協議。

### 從應用角度

從協議在物聯網系統中的應用角度來看，我們可以將協議劃分為雲端協議和閘道器協議。

雲端協議是建立在 TCP/IP 上的協議，感測器、控制裝置等物聯網資料通常都需要傳輸上雲，透過雲端連通使用者並與企業系統進行整合。

支援 TCP/IP 的物聯網裝置，可以透過 WIFI、蜂窩網路以及乙太網，使用 HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M 以及 XMPP 等應用層協議協議接入雲端。

[![裝置聯網](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/03/15/c73d1edbf6bb3e66.png?x-oss-process=style/bb "裝置聯網")](https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m)

閘道器協議是適用於短距通訊無法直接上雲的協議，比如藍芽、ZigBee、LoRa 等。此類裝置需要接入閘道器轉換之後，透過 TCP/IP 協議進行上雲。

[![藍芽、ZigBee、LoRa 閘道器](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/03/15/ee0f09163b760f99.png?x-oss-process=style/bb "藍芽、ZigBee、LoRa 閘道器")](https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m)

## ZigBee

Zigbee 是一種網狀網路無線協議，專為建築和家庭自動化應用而設計，是物聯網環境中最流行的網狀協議之一。目前主要用於區域網內連線，在裝置側以閘道器的身份接入控制各類裝置。

### 協議特性

- 低功耗：發射功率僅為 1mW，在低耗電待機模式下，兩節 5 號乾電池可使用長達 2 年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
- 低成本：由於簡單而緊湊的協議大大降低了其對通訊控制的要求從而降低硬體成本，同時免收協議專利費。
- 低速率：ZigBee 工作在 20～250kbps 的速率，分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz) 和 20kbps(868 MHz) 的原始資料吞吐率，滿足低速率傳輸資料的應用需求。
- 近距離：相鄰節點傳輸範圍在 10～100m 之間，基本覆蓋普通家庭和辦公環境；增加發射功率後可增加到 1～3km，透過路由和節點間通訊的接力，傳輸距離將可以更遠。
- 低時延：ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需 15ms，節點連線進入網路只需 30ms，進一步節省了電能。相比較，藍芽需要 3～10s、WiFi 需要 3s。
- 高容量：ZigBee 可採用星狀、片狀和網狀網路結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理 254 個子節點；同時主節點還可由上一層網路節點管理，最多可組成 65000 個節點的大網。
- 高安全： ZigBee 提供了 CRC 資料包完整性檢查功能，支援鑑權和認證，採用了 AES-128 的加密演算法，各個應用都可以靈活確定其安全屬性。
- 免許可證頻段：直接序列擴頻用於工業科學醫學（ISM）頻段：2.4GHz（全球），915MHz（北美），868MHz（歐洲）。

### 市場狀況

Zigbee 技術具有低功耗、大節點容量、短時延、安全可靠等突出優點，可滿足智慧家居應用需求，是智慧家居核心無線組網連線技術。得益於中國智慧家居市場快速發展，應用 Zigbee 技術的智慧家居裝置數量不斷增長，Zigbee 技術應用推廣步伐日益加快。

相比同為無線區域網技術體系的 WiFi、藍芽技術，Zigbee 技術在功耗、節點容量、自組網能力、安全性方面具有突出優勢，應用規模不斷擴大。

> 參考資料：[對於ZigBee技術，你瞭解多少？](http://m.gongkong.com/News/detail?id=406029)

## NB-IoT

[NB-IoT](https://www.emqx.com/zh/blog/emqx-nb-iot-access-solution) 是由 3GPP 標準化組織制定的一種新型蜂窩技術，屬於低功率廣域 （LPWA） 物聯網連線的一種，主要用於連線頻寬資源受限的終端，允許終端以比 GRPS、3G、LTE 等技術更少的資源收集和交換資料。

NB-IoT 在 2017-2018 年發展迅速，全球眾多運營商陸續實現了商用部署。NB-IoT 的低成本、低功耗和廣覆蓋使得使用者能夠實現傳統蜂窩網路無法支援的新場景新應用。

2020 年 7 月 9 日，3GPP 宣佈 5G R16 標準凍結，NB-IoT 正式納入 5G 標準，成為 5G mMTC 海量物聯網連線場景核心技術。

### 協議特性

- 引入了低功耗的「睡眠」模式（PSM、eDRX）。
- 降低了對通訊品質要求，簡化了終端設計（半雙工模式、協議棧簡化等）。
- 透過兩種功能最佳化模式（CP 模式、UP 模式）簡化流程，減少了終端和網路的互動量。
- 超低覆蓋，在 GPRS 的基礎上覆蓋增強 20dB，覆蓋範圍是 GPRS 的三倍。

### 市場狀況

當前，NB-IoT 已進入億級連線時代，後續隨著全球運營商對商用 NB-IoT 5G 網路的全覆蓋建設，NB-IoT 將在智慧家居、智慧農業、工業製造、能源表計、消防煙感、物流跟蹤、金融支付等各領域中持續爆發。

以中國電信物聯網開放平臺為例，該平臺實現了對中國電信 NB-IoT 以及其他網路物聯網裝置的集中接入，併為政企使用者提供物聯網裝置管理、資料介面以及應用使能等服務。

EMQ 從該平臺建設之初即已參與，配合天翼物聯為該平臺研發 NB-IoT 裝置接入與訊息路由能力，並同時支援電信 TLINK、MQTT 等協議裝置的接入，平臺整體設計接入能力達億級。

> 參考資料：[一文了解NB- IoT四大關鍵特性以及實現技術](https://bbs.huaweicloud.com/blogs/296686)

## LoRa

LoRa 協議是一個低功耗、遠距離、無線廣域網的標準協議，其名稱來自於「遠距離（Long Range）」的簡稱。

LoRa 相比其他無線傳播協議如 ZigBee、藍芽、WIFI 最大的特點是同功耗下傳播距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通訊距離擴大 3-5 倍。

LoRa 在物聯網應用中的無線技術有多種，可組成區域網或廣域網。LoRa 網路主要由終端（可內建 LoRa 模組）、閘道器（或稱基站）、Server 和雲四部分組成。

LoRaWAN 的資料傳輸速率範圍為 0.3 kbps 至 37.5 kbps，為了最大化終端裝置電池的壽命和整個網路容量，LoRaWAN 網路伺服器透過一種速率自適應（Adaptive Data Rate , ADR）方案來控制資料傳輸速率和每一終端裝置的射頻輸出功率。

### 協議特性

- 覆蓋面：LoRa 單一閘道器的遮蓋間距一般在 3-5km 的範疇，寬闊地區乃至達到 15km 之上。
- 低功耗：充電電池供電系統能夠 支撐點多年乃至十餘年。
- 高容量：得益於終端無聯接情況的特點，可以保證大量終端的接入。
- 低成本：通訊網路成本費極低，另外適用窄帶傳輸資料。
- 安全係數：採用 AES128 加密，安全係數高。

### 市場狀況

對於智慧農業、智慧城市、工業物聯網 (IIoT)、智慧環境、智慧家居和樓宇、智慧公用事業和計量以及智慧供應鏈和物流中的農村或室內應用場景，LoRa 具有極高的靈活性。

LoRa 組網方便，利用 LoRa 極強的穿透力，可以低成本實現對較大範圍內的裝置連線，相比透過 NB-IoT 和運營商 SIM 卡接入，LoRa 不需要每年換卡或繳費，長期使用擁有較低的成本。

> 參考資料：[用LoRa實現的物聯網應用，到底好在哪裡？](https://zhuanlan.zhihu.com/p/139251178)

## MQTT

MQTT 協議是基於釋出/訂閱模式的物聯網通訊協議，憑藉簡單易實現、支援 QoS、報文小等特點，佔據了物聯網協議的半壁江山。

MQTT 協議廣泛應用於物聯網、移動網際網路、智慧硬體、車聯網、電力、能源等領域，既能作為閘道器在裝置側接入通訊，也能作為裝置-雲端的通訊協議。ZigBee、LoRa 等絕大多數閘道器協議最終都轉換為 MQTT 協議接入上雲。

![MQTT 協議應用領域](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/03/15/ca77e1a926e42ea1.png?x-oss-process=style/bb "MQTT 協議應用領域")

### 協議特性

- 輕量可靠：MQTT 報文緊湊，可在嚴重受限的硬體裝置和低頻寬、高延遲的網路上實現穩定傳輸。
- 釋出/訂閱模式：基於釋出/訂閱模式，釋出訂閱模式的優點在於釋出者與訂閱者的解耦：訂閱者與釋出者不需要建立直接連線、也不需要同時線上。
- 為物聯網而生：提供心跳機制、遺囑訊息、QoS 質量等級+離線訊息、主題和安全管理等全面的物聯網應用特性。
- 生態更完善：覆蓋全語言平臺的客戶端和 SDK，有成熟的 Broker 服務端軟體，能夠支援海量 Topic ，千萬級裝置接入量，提供豐富的企業整合能力。

### 通訊模式

MQTT 採用釋出訂閱模式通訊，釋出訂閱模式區別於傳統的客戶端-伺服器模式，它使傳送訊息的客戶端（釋出者）與接收訊息的客戶端（訂閱者）分離，釋出者與訂閱者不需要建立直接聯絡。我們既可以讓多個釋出者向一個訂閱者釋出訊息，也可以讓多個訂閱者同時接收一個釋出者的訊息。

[![MQTT 釋出訂閱](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/03/15/a6068d5e7712542a.png?x-oss-process=style/bb "MQTT 釋出訂閱")](https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m)

### 市場狀況

MQTT 是 IoT 領域的最重要的標準協議之一，廣泛用於物聯網、車聯網、工業物聯網、智慧家居、智慧城市、電力石油能源等行業。

MQTT 是 AWS IoT Core、 Azure IoT Hub、阿里雲物聯網平臺等頂級雲廠商物聯網平臺標準通訊協議，是工業網際網路、車聯網、智慧家居等各個行業以及諸多閘道器協議上雲的首選協議。

[EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 作為全球最熱門、最成熟的 MQTT Broker 之一，提供了「隨處執行，無限連線，任意整合」雲原生分散式物聯網接入平臺，一體化的分散式 MQTT 訊息服務和強大的 IoT 規則引擎，為高可靠、高效能的物聯網實時資料移動、處理和整合提供動力，助力企業快速構建關鍵業務的 IoT 平臺與應用。

> 參考資料：[MQTT 協議入門與進階](https://www.emqx.com/zh/mqtt)

## CoAP

CoAP 是一種在物聯網世界的類 HTTP 的協議，使用在資源受限的物聯網裝置上，它的詳細規範定義在 RFC 7252。

由於物聯網裝置大多都是資源限制型的，比如 CPU、RAM、Flash、網路寬頻等。對於這類裝置來說，想要直接使用現有網路的TCP和HTTP來實現裝置實現資訊交換是不現實的。為了讓這部分裝置能夠順利接入網路，CoAP 協議應運而生。

### 協議特性

CoAP 參考了很多 HTTP 的設計思路，同時也根據受限資源限制裝置的具體情況改良了諸多的設計細節，增加了很多實用的功能。

- 基於訊息模型
- 傳輸層基於 UDP 協議，支援受限裝置
- 使用類似 HTTP 請求的請求/響應模型，HTTP 是文字格式，CoAP 為二進位制格式，且比 HTTP 更加緊湊
- 支援雙向通訊
- 輕量、低功耗
- 支援可靠傳輸，資料重傳，塊傳輸，確保資料可靠到達
- 支援 IP 多播
- 支援觀察模式
- 支援非同步通訊

### 市場狀況

相比於 MQTT，CoAP 更加輕量、開銷更低，在某些特定的裝置和網路環境下更為合適。EMQX 以及部分公有云物聯網平臺都提供提供了 CoAP 接入能力，請參考 [MQTT 和 CoAP 在 EMQX 世界的一次「約會」](https://www.emqx.com/zh/blog/url-mqtt-and-coap) 。

## LwM2M

LwM2M 是適用於資源有限的終端裝置管理的輕量級物聯網協議。LwM2M 協議誕生於 2013 年底，由 OMA（Open Mobile Alliance）提出並定義。目前的成熟版本號依然是 1.0，OMA 的專家們正為 1.1 版而努力。

### 協議特性

LwM2M 協議最主要的實體包括 LwM2M Server 和 LwM2M Client。

- LwM2M Server 作為伺服器，部署在 M2M 服務供應商處或網路服務供應商處。
- LwM2M Client 作為客戶端，部署在各個 LwM2M 裝置上。

此外，根據需要還可以加入LwM2M引導伺服器（Bootstrap Server）或智慧卡（SmartCard），對客戶端完成初始的引導。

LwM2M 協議有以下幾個突出特點：

- 協議基於 REST 架構。
- 協議的訊息傳遞是透過 CoAP 協議來達成的。
- 協議定義了一個緊湊高效又不乏擴充套件性的資料模型。

考慮到與時俱進，實現簡潔易懂的風格，LwM2M 協議採用了 REST。

但由於協議的服務物件是資源有限的終端裝置，傳統的 HTTP 資料傳輸方式顯得過分笨重，難以支援受限資源，因此選擇了具備 REST 風格的 CoAP 來完成訊息和資料傳遞。一方面 CoAP 基於 UDP，與 TCP 相比，在網路資源有限及無法確保裝置始終線上的環境裡更加遊刃有餘（出於安全性考慮，使用了基於 UDP 的 DTLS 安全傳輸協議）。另一方面 CoAP 本身的訊息結構非常簡單，報文壓縮，主要部分可以做到特別小巧，無需佔用過多資源。

出於類似的考慮，協議的資料結構必須足夠簡單。LwM2M 協議定義了一個以資源（Resource）為基本單位的模型，每個資源可以攜帶數值，可以指向地址，以表示 LwM2M 客戶端中每一項可用的資訊。資源都存在於物件例項中（Object Instance），即物件（Object）的例項化。LwM2M 協議預定義了 8 種物件（Object）來滿足基本的需求，分別是：

| Object                                    | Object ID |
| :---------------------------------------- | :-------- |
| Security（安全物件）                      | 0         |
| Server（伺服器物件）                      | 1         |
| Access Control（訪問控制物件）            | 2         |
| Device（裝置物件）                        | 3         |
| Connectivity Monitoring（連通性監控物件） | 4         |
| Firmware（韌體物件）                      | 5         |
| Location（位置物件）                      | 6         |
| Connectivity Statistics（連通性統計物件） | 7         |

考慮到擴充套件性，協議也允許根據實際需要自定義更多的物件。在這樣的資料模型中，資源、物件例項以及物件都是用數字對應的ID來表示的，以實現最大程度的壓縮，因此任何資源都可以用最多 3 級的簡潔方式表示，例如 /1/0/1 表示伺服器物件（Server Object）第 1 個例項中的伺服器短 ID 資源。 在註冊階段，LwM2M 客戶端把攜帶了資源資訊的物件例項傳遞給 LwM2M 伺服器，以通知伺服器自身裝置所具備的能力。

[EMQ](https://www.emqx.com/zh) 也實現了 [EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 伺服器上的 LwM2M 接入能力，實現了 LwM2M 協議的大部分功能，LwM2M 裝置可以註冊至 EMQX-LWM2M 上，從而透過 EMQX-LWM2M 訪問並管理裝置，裝置也可以向 EMQX-LWM2M 上報資訊，並使用 EMQ 後端的服務來採集資料。

## XMPP

**XMPP** 可擴充訊息處理現場協議是基於 XML 的即時通訊協議，協議將通訊上下文資訊嵌入到 XML 結構化資料中，使得人與人之間、應用系統之間以及人與應用系統之間能即時通訊。

### 協議特性

- 所有 XMPP 資訊都是以 XML 為基礎的，資訊交換的事實標準，擴充套件性強。
- XMPP 系統是一個分散式系統，每臺伺服器控制自己的資源。
- XMPP 協議是公開開源的，使用 XML 定義了客戶端和伺服器端的互動。

### 市場狀況

XMPP 特點在於協議和擴充套件協議成熟，功能完善，專門為即時聊天(IM)場景設計。XMPP 是老牌的即時聊天協議，像 [Google Hangouts](https://searchmobilecomputing.techtarget.com/definition/Google-Hangouts), [WhatsApp Messenger](https://searchmobilecomputing.techtarget.com/definition/WhatsApp) 等即時聊天程式都是基於 XMPP 的。

但由於 XMPP 依賴 XML 協議，放在 IoT 場景裡過重，因此基本不適合物聯網傳輸使用。

## 結語

橫向來看，物聯網在幾乎所有行業都有廣泛的應用場景，每個行業有不同的工況和組網模式；從縱向來看，物聯網系統涵蓋了感測器/控制裝置，資料接入、傳輸、路由交換元件以及資料的儲存處理整個軟硬體鏈條，每個環節都有需要合理、高效的技術方案。

當前物聯網協議呈現多元化發展，不同行業和場景適用不同的協議，在相同的場景下也能夠有多個協議可供選擇，沒有任何協議能夠在市場上佔有統治地位，各種協議之間存在一定的互補效應。因此，要實現物聯網裝置和資料的互聯互通，關鍵點並不在與協議的統一，而在於不同協議之間的互聯互通、上層業務應用層協議的統一。

EMQ 致力於解決物聯網裝置資料連線問題。核心產品 EMQX 物聯網訊息伺服器可以透過開放標準的 MQTT、CoAP 和 LwM2M 協議連線任何裝置，對於諸如工業場景中工業協議複雜多樣的情況，也可透過邊緣[工業協議閘道器軟體 Neuron](https://www.emqx.com/zh/products/neuron) 轉換成統一的 MQTT 協議接入，滿足絕大多數物聯網場景下的資料採集需求，為企業的物聯網業務提供高效可靠的資料接入層。

>版權宣告： 本文為 EMQ 原創，轉載請註明出處。
>
>原文連結：[https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m](https://www.emqx.com/zh/blog/iot-protocols-mqtt-coap-lwm2m)

主流物聯網協議選擇：MQTT、CoAP 還是 LwM2M？

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