物联网IoT协议
mqtt
什么是mqtt
mqtt是IBM 公司在1999年开发的即时通讯协议，它是一个轻量级的，基于发布/订阅模式的消息传输协议，专门为资源（如内存，网络等）受限的设备而设计，即使设备运行在低带宽、高延时、不稳定的网络中，通过mqtt依旧可以获得一定程度的、可靠的通信服务。
为什么物联网IoT需要mqtt
物联网的首要任务是完成设备与设备的通信，而且不仅是一对一的通信，还包括多对多的通信，mqtt基于发布/订阅模式，原生支持多对多的通信，非常符合物联网的通信要求
mqtt是轻量级协议，相比HTTP，mqtt协议层占用的通信数据非常少，非常适合低带宽、资源受限的IoT设备
无论是国外的AWS、Azure，还是国内的阿里云、腾讯云，都使用mqtt作为接入IoT设备的首选协议，mqtt已经成为物联网上云第一大协议
mqtt之Hello World
按照惯例，如果不懂mqtt，来个Hello World想必是极好的。mqtt是即时通信协议，和QQ/微信/手机短信非常像，这里就以小明和丽丽互发短信为例，作为mqtt的Hello World。开始Hello World前，需要先了解mqtt中的几个名词。
消息主题(topic)
可以类比为手机号，发短信前得先知道目标手机号，mqtt中发消息前得先知道目标topic。
topic是一个字符串，比如xiaoming，mqtt中常使用/作为分隔符，如/lanxiang/wajueji/xiaoming这样的格式，可以方便的看出这是蓝翔-挖掘机班-小明同学的topic。
消息发布(publish)
publish用来发布一条消息，伪代码为
publish('topic', 'payload')
其中topic为要发布消息的主题，payload为要发布消息的内容。
消息订阅(subscribe)
subscribe用来订阅一个消息主题，伪代码为
subscribe("topic")
其中topic为要订阅的消息的主题，订阅成功后，应用程序还需要注册一个回调函数，当有消息发送过来，回调函数会被调用，伪代码如
client.on("message", function (topic, payload) {
alert([topic, payload].join(": "))
})
其中on(“message”)为监控消息达到事件，function为回调函数，topic为收到的消息来自哪个主题，payload为收到消息的内容。
mqtt服务器(broker)
设备通过发布/订阅模式通信，设备需要先连接到mqtt服务器，多个设备之间的消息需要通过mqtt服务器中转，如下图
发布方(publisher)即发送消息的设备
订阅方(subscriber)即订阅消息的设备
mqtt服务器类似消息的中转站，所以mqtt服务器有一个更形象的名词，即消息代理服务器(Broker)。
客户端(client)
发布方和订阅方统称为客户端(client)，一个设备可以即是发布方，也可以同时是订阅方，一个设备可以向多个topic发布消息，也可以订阅多个topic。
OPC UA
什么是OPC UA
OPC UA是一套通信协议标准，完成设备与设备，设备与应用之间的数据交互。源码先生的物联网IoT协议之mqtt快速入门教程中的mqtt也是一套数据交互的协议标准，两者虽然协议内容不同，但最终目的一致，都是为了实现不同系统的数据交互。
OPC UA前身是OPC，第一个OPC规范在1996年发布，包括一整套接口、属性和方法的标准集；OPC基于Windows操作系统的COM技术，所以只能运行在Windows上。
OPC UA是OPC的重大升级，在平台独立性、安全性，可靠性等方面做出了升级，更能适应现代工业通信的需求，虽然升级内容很多，但OPC UA 对比OPC并无革命性的变化。
OPC UA用在什么场景
OPC主要用在自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统，具有很明显的工业基因，而且OPC发展这么多年，也很少扩展到非工业领域。
随着近年物联网、工业4.0、工业互联网、IT和OT(Operational Technology)融合等需求的出现，人们希望把工业设备融入到物联网中，深耕工业领域的OPC UA，自然成为大家关注的重点对象！
LoRaWAN
什么是LoRa
LoRa是一种应用在无线通信的调频技术，其他调频技术还有FSK/GSK、QEM/BPSK等，2009年法国公司Cycleo设计出一种优异的扩频通信算法，后来该公司被美国Semtech公司收购，于2013年推出LoRa芯片。大众熟知的蓝牙、WiFi、ZigBee等都是无线通信技术，相比这三个在上个世纪90时间年代推出的无线通信技术，LoRa是一个后来者，但是LoRa从发布到现在短短几年，火热程度已经超过了前辈们，这归功于LoRa以下优点：
低功耗：物联网嘛，喜欢低功耗；
通信距离远：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km，这个距离直接把ZigBee等前辈拍在沙滩上；
抗干扰强：LoRa抗干扰性能是比较优秀的，但是通信距离远，功耗又低，抗干扰又强，这三者是不可能三角，LoRa也没有这么完美，只是总体性能比较好罢了。
LoRa节点
可以发送/接收LoRa无线信号的设备节点。
LoRa网关
LoRa网关和LoRa节点没有本质区别，都是发送/接收LoRa信号的，但是网关的处理器，内存等资源更丰富，可以用来接收/发送多个节点的数据。多个节点之间相互通信，不是两两直接通信（虽然也可以直接两两通信），而是经过网关中转通信的。网关完成转发数据，统一规划信道资源等功能，拓扑结构如下图：
LoRa网关拓扑结构LoRa网关拓扑结构
节点容量
节点容量是单个网关可以接入节点的数量，有些文章说LoRa节点容量很大，单个LoRa网关可以连接上万个LoRa节点，在源码先生看来这就是Tree New Bee了，LoRa和LoRaWAN在节点容量上没有任何优化，和ZigBee处在同一水平，想单网关连接上万LoRa节点，只能程序员在应用层自己优化了，优化难度很大！
什么是LoRaWAN
WAN是广域网的意思，多个LoRa节点可以通过同一个LoRa网关相互通信，但是如果想要跨网关通信，或者要想组成城域网/广域网，还需要云端的服务器；多个LoRa网关通过TCP/IP连接到云端，实现网关之间的通信，进一步实现更大范围内节点之间的相互通信。拓扑结构如下图：
LoRaWAN拓扑结构LoRaWAN拓扑结构
LoRaWAN定义了LoRaWAN节点，LoRaWAN网关，LoraWAN云端Server之间的通信协议，他是一套数据交互的协议标准，与mqtt(详见物联网IoT协议之mqtt快速入门教程)、OPC UA(详见物联网IoT协议之OPC UA快速入门教程)没有本质区别，最终目的一致，都是为了实现不同系统的数据交互。
NB-IoT/CoAP
什么是NB-IoT
如果说NB-IoT是窄带物联网，再来个NB-IoT的部署图，可能直接把入门者弄懵，其实NB-IoT是一个比较容易理解的技术，来，直接上图。
NB-IoT物联网卡NB-IoT物联网卡
没错，这就是地球人都知道的SIM卡，简单的说，NB-IoT就是低配版的2G/3G/4G/5G，他们有很多相似之处:
使用运营商的基站通信，得给运营商交月租或者流量费
可以发短信
可以上网
但是NB-IoT卡不支持语音通话，毕竟是“窄带物联网”，速率比较慢，NB-IoT最高速率也就250kbps,和5G相比，只能说是丐版5G了。
使用NB-IoT替代2G
实际上，NB-IoT使用的通信频段就是2G的通信频段。
NB-IoT通信频段NB-IoT通信频段
从上图可以看到，电信的NB-IoT频段全部集中在870-885MHz，这个频段就是之前电信的2G频段，电信2G用户很少，所以电信的2G直接全部退网了，把所有2G频段都转给NB-IoT使用了；电信的NB-IoT通信频段比移动和联通都有优势，因为通信频率越低，信号衰减越小，传输距离越远，基站部署成本越低；不过电信比较任性，使用电信的NB-IoT卡，必须绑定电信的IoT云平台，使用不太方便。移动由于2G用户较多，全部退网2G影响比较大，移动只能把部分2G频段转给NB-IoT，还有部分频段继续用在2G。随着将来2G全部退网，NB-IoT会全面替换2G。
NB-IoT的特点和使用场景
NB-IoT能全面替换2G，那一定有过人之处了。NB-IoT是为了适用物联网需求专门定制的，相比2G，NB-IoT具有以下特点：
低功耗：物联网很多设备只能电池供电，更喜欢低功耗，下文会进一步说明NB-IoT是如何实现低功耗的；
低速率：速率高了耗电高，为了低功耗，只能牺牲点速率了；
大连接：当前2G/3G/4G网络，单个基站能够接入的手机终端个数其实并不多，在人多的密集场合，还是会出现手机没有信号的情况（不要说自己没遇到过，那是因为人还不够多）。物联网的特点之一是设备数量巨多，而NB-IoT设计的目标就是海量连接，NB-IoT能够实现海量连接不是因为NB-IoT的技术有多NB，而是利用了物联网设备很多时候都在休眠的特性，休眠的设备根本就没占用连接嘛；
低成本：NB-IoT整个生态，包括NB-IoT模组，NB-IoT流量收费，NB-IoT基站都是奔着低成本设计的；
强覆盖：NB-IoT信号覆盖比2G强，别问为什么强，问就是源码先生也不太懂。
基于NB-IoT以上特点，NB-IoT比较适合节点数量多，但传送数据量不大，功耗低(电池供电)的场景，比如路灯、水表，烟感，共享单车等；当然供电不是问题的场景，使用NB-IoT也是可以的，还可以获得更好的实时性。
Modbus
什么是Modbus
Modbus和OPC UA、mqtt本质一样，都是为了实现多个设备相互通信的应用层协议。Modbus于1979年产生于Modicon公司（现被Schneider公司收购），一经面世因其简单开放的通信方式逐渐成为工业系统中流行的标准。Modbus的国际组织主要有Modbus-IDA，负责推广Modbus标准以及对Modbus产品进行认证。Modbus官网见 www.modbus.org，网站主要包括协议文档，Modbus产品和厂商等内容。
之前的物联网IoT协议之OPC UA快速入门教程中提到OPC UA是工业领域常用的协议，其实在工业领域中Modbus比OPC/OPC UA更常见，市面上很多数据采集设备(如温湿度采集)都使用Modbus协议；OPC UA大量的专有名词（如节点、服务、引用等）总能把初学者弄得云里雾里，而Modbus比OPC UA简单太多了，简单之处体现包括：
Modbus最开始使用RS232，RS485等串行链路作为底层通信方式，串行总线的接口芯片成本低，而且布线也简单方便；
Modbus是简单的应用层协议，其信息格式简单易懂，下文会详细讲述协议内容；
Modbus相关的资料文档有很多。
IPv6
IPv6的现状
自1992年IPv6被提出来，二十年多IPv6一直处于叫好不叫座的状态，但是当前（2020年）IPv6在中国的发展现状，就得用“如火如荼”四个字来描述了。
2017年底国家印发了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，要求以下领域全面支持IPv6：
国内用户量排名前50位的商业网站及应用，省部级以上政府和中央企业外网网站系统，中央和省级新闻及广播电视媒体网站系统，工业互联网等新兴领域的网络与应用；域名托管服务企业、顶级域运营机构、域名注册服务机构的域名服务器，超大型互联网数据中心（IDC），排名前5位的内容分发网络（CDN），排名前10位云服务平台的50%云产品；互联网骨干网、骨干网网间互联体系、城域网和接入网，广电骨干网，LTE网络及业务，新增网络设备、固定网络终端、移动终端。上述要求印发后，中国IPv6的发展走上了快车道，各个大厂的应用竞先支持IPv6，比如
腾讯视频IPv6腾讯视频IPv6
?看到右下角的IPv6了吧，其他常见的APP，如淘宝、美团等在开屏页也可以看到IPv6字样，如果哪个APP没有IPv6字样，不是用户太少，就是江湖地位太低。
中国信通院2019-11-20发布了
首批移动互联网应用IPv6支持度测试结果发布，感兴趣的请自行围观，倘若瞄到几个对IPv6支持度是0%的APP，再一看名字，哎呦，是客大欺店的感觉。
为什么IPv6的发展最近加速了
《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》中已经说得很明白了，IPv4地址已经消耗殆尽，而物联网、工业互联网、云计算、大数据、人工智能的发展又需要很多IP地址，没有IPv6不行啊，IPv6是其他产业的基础设施，要想富，先修路。
6LoWPAN
物联网需要IPv6
下图是常规的ZigBee物联网架构图。
常规ZigBee物联网架构图常规ZigBee物联网架构图
所谓万物联网，主要是万物接入基于TCP/IP的互联网/局域网，而上图中ZigBee节点并没有直接接入TCP/IP网络，应用程序和ZigBee节点之间通信，必须通过网关的中转，而网关使用的中转通信协议并没有标准规范，不同厂家的ZigBee网关是无法兼容的，当然，ZigBee网关和LoRaWAN网关更是不能相互替换，这会造成物联网的隔离！
互联网的繁荣是建立在统一的TCP/IP协议之上的，要想避免物联网的隔离，物联网也使用统一的TCP/IP该多好啊。
为什么不使用IPv4
IPv4由于地址不够用，现有的IPv4网络大量使用NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术。
IPv4中的NATIPv4中的NAT
由于NAT的存在，上图中内网A和内网B是无法直接通信的，这也是种隔离。IPv6的地址足够大，IPv6已经不需要NAT了，IPv6快速入门教程中”测试公网访问个人笔记本“实测了IPv6是不受NAT的影响。
什么是6LoWPAN
6LoWPAN全称IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network，从名字可以看出6LoWPAN的以下特点：
使用IPv6协议
Low Power是低功耗
WPAN是无线个域网
6LoWPAN是面向低功耗无线局域网的IPv6，但是IPv6标准中要求网络中所有路由器的MTU不能小于1280字节，而常规Zigbee中一帧数据最多200个字节，明显不能满足IPv6标准，所以需要一种针对低功耗无线网络的简化版IPv6，这就是6LoWPAN。
6LoWPAN协议栈如下图。
6LoWPAN协议栈6LoWPAN协议栈
上图中可以看到6LoWPAN的物理层和数据链路层是IEEE 802.15.4，那么什么是802.15.4呢？
什么是802.15.4
IEEE 802.15是电气电子工程师学会（IEEE）IEEE 802标准委员会的一个工作组，它负责制定无线个人局域网（WPAN）的协议标准。IEEE 802.15工作组根据数据传输速率、电池能耗等特点的不同，将WPAN分为不同的类型：
802.15的不同类型802.15的不同类型
上图中可以看到，大家熟悉的蓝牙使用了802.15.1，而802.15.4是传输速率最低，功耗最低的类型，6LoWPAN选择了802.15.4，这对应了6LoPWAN的Low Power，这也限定了6LoPWAN的应用场景是低速低功耗的物联网场景，一般都是电池供电。
ZigBee的物理层和链路层也选择了802.15.4。
什么是WPAN
无线个域网，是多个设备通过无线通信组成的简单的局域网。这涉及到两个主题：
主题一：无线通信频段，802.15.4标准中规定了多种频段，如：
868-868.6MHz频段：该频带是大多数欧洲国家的非授权频带，可以免费使用；
902-928MHz频段：该频带是北美，澳大利亚，新西兰等国家的非授权频带，可以免费使用；
779-787MHz频段：该频带是我国的非授权频带，可以免费使用；
2.4-2.4835GHz频段：该频带全球大多数国家的非授权频带，可以免费使用；
主题二：组网，802.15.4标准中，网络由多个符合标准的无线设备组成，其中PAN协调器用来建立新的网络，定义网络的拓扑结构，运行参数等，其他设备向PAN协调器申请加入网络。
HTTP
HTTP并不是为物联网设计的，但是HTTP太流行了，在没有智能手机的年代，谁的上网不是从浏览器里输入 http://www.xxx.com 开始的？即使现在手机APP不需要手动输入网址了，APP后台也少不了HTTP通信。物联网的COAP协议和HTTP非常类似，且更能满足物联网低功耗等特点，但物联网依旧离不开HTTP，HTTP的市场占有率决定了，谁支持HTTP，谁就能快速接入丰富多彩的互联网世界.
HTTP
HTTP(HyperText Transfer Protocol)，即超文本传输协议，从字面上看，涉及两个问题:
在谁和谁之间传输
在客户端和服务器之间传输。
HTTP的客户端/服务器模型HTTP的客户端/服务器模型
客户端最常见的是浏览器，服务器即Web服务器，常见的有Apache，Nginx等。
传输的是什么内容
各种资源，如文字，图片，视频，音频等等，本质都是二进制数据。
HTTP是基于TCP/IP的应用层协议
OSI标准7层网络模型中，HTTP是最上层的应用层协议，HTTP下面是TCP传输层。