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車聯(lián)網(wǎng)配置的普及，使得車端與云端的交互日益頻繁。車云通信協(xié)議作為車聯(lián)業(yè)務(wù)的底層，隨著接入車輛總數(shù)的不斷增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮健壯性和拓展性。

早期網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用較少，因此不少車廠采用基于TCP/IP的私有化協(xié)議。但隨著車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的快速演變，私有協(xié)議弊端也開始凸顯，例如：

（1）開發(fā)新車型或新控制器都需定制或適配協(xié)議棧，這會(huì)導(dǎo)致開發(fā)重點(diǎn)從業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到通信中間件，增加了人力成本和測(cè)試復(fù)雜性；

（2）私有協(xié)議具有封閉性、排他性等特點(diǎn)，一般是為了某些早期的特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，缺乏靈活性和擴(kuò)展性；

（3）接入車輛數(shù)的增多，也更易碰到性能的瓶頸，消息可靠性亦無(wú)保障，對(duì)上層業(yè)務(wù)影響較大。

因而一個(gè)輕量化、高可靠、可拓展的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是主機(jī)廠車云通信的不二選擇。本文主要通過比較常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，并詳細(xì)闡釋MQTT協(xié)議在車云通信中的優(yōu)勢(shì)。

請(qǐng)求響應(yīng)模式

首先介紹請(qǐng)求響應(yīng)模式的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，即“一問一答”的形式，包括HTTP和CoAP。

一、HTTP

讀者最為熟悉的是HTTP，在早期也的確有不少設(shè)備采用基于REST風(fēng)格的HTTP協(xié)議作為云端與設(shè)備端的應(yīng)用層協(xié)議。其傳輸層采用TCP、網(wǎng)絡(luò)層采用IPv4/IPv6。

然而HTTP協(xié)議是無(wú)狀態(tài)、無(wú)連接的，一般由設(shè)備主動(dòng)請(qǐng)求，云端難以主動(dòng)向客戶端推送消息，不能滿足日益變化的車聯(lián)業(yè)務(wù)需求。對(duì)于本就珍貴的車端運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，HTTP較重的協(xié)議字段也增大了性能開銷。與此同時(shí)，HTTP協(xié)議采用的傳輸層協(xié)議TCP并不支持多播或者廣播，在數(shù)據(jù)分發(fā)上也具有瓶頸。

因此如果HTTP如承擔(dān)車云的通信協(xié)議，是存在短板的。

二、CoAP

CoAP（Constrained Application Protocol），即受限制的應(yīng)用協(xié)議，協(xié)議小巧，協(xié)議字段可選，數(shù)據(jù)包最小僅4字節(jié)。對(duì)于那些算力和內(nèi)存小的設(shè)備，或現(xiàn)有Web服務(wù)器架構(gòu)的設(shè)備，CoAP協(xié)議是一個(gè)更好的解決方案。

同為請(qǐng)求響應(yīng)工作模式，CoAP保留了HTTP快速開發(fā)的特點(diǎn)，并減小了網(wǎng)絡(luò)開銷，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)數(shù)據(jù)異步，提高了設(shè)備的響應(yīng)速度。CoAP可與HTTP兼容，請(qǐng)求方法類似，包括了GET、POST、PUT、DELETE。

基于REST風(fēng)格設(shè)計(jì)，相較于HTTP協(xié)議，傳輸層從TCP變?yōu)榱薝DP、網(wǎng)絡(luò)層為6LowPAN（基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6 over IEEE 802.15.4）。由于UDP允許廣播和多播，CoAP協(xié)議降低了分發(fā)數(shù)據(jù)的帶寬要求。但CoAP局限應(yīng)用于局域網(wǎng)中，限制了其在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

發(fā)布訂閱模式

物聯(lián)網(wǎng)不少協(xié)議的設(shè)計(jì)模式為發(fā)布訂閱模式，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)主流使用的發(fā)布訂閱模式協(xié)議為DDS和MQTT。

一、DDS

DDS(Data Distribution Service for Real-Time Systems)，為新一代分布式實(shí)時(shí)通信中間件協(xié)議，用于節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、事件和命令。分發(fā)百萬(wàn)條消息的性能達(dá)到秒級(jí)。DDS采用無(wú)代理的發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)共享，提供多達(dá)22種QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）策略，以保障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、靈活地分發(fā)，可滿足各種分布式實(shí)時(shí)通信應(yīng)用需求。這也是它適用于國(guó)防軍事、工業(yè)控制這些高可靠性、可安全性應(yīng)用領(lǐng)域的原因。

DDS的特性源于其底層實(shí)現(xiàn)了一個(gè)抽象的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間域，如下圖所示，DDS的基本架構(gòu)由域構(gòu)成，域?qū)⒏鲬?yīng)用組合在一起進(jìn)行通信。域是一個(gè)范圍概念，由域ID唯一標(biāo)識(shí)，只有在同一個(gè)域內(nèi)的通信實(shí)體才能通信。域參與者作為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的入口，包含若干個(gè)發(fā)布者，訂閱者和主題，負(fù)責(zé)創(chuàng)建，刪除，管理這些實(shí)體。

目前DDS的實(shí)施主要通過有線網(wǎng)絡(luò)。如車端在車載以太通過網(wǎng)DDS中間件實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)，可應(yīng)用于智駕領(lǐng)域，以滿足其高響應(yīng)，強(qiáng)實(shí)時(shí)的要求。然而大部分車聯(lián)業(yè)務(wù)，如FOTA，藍(lán)牙鑰匙、遠(yuǎn)程控制，對(duì)車云通信的實(shí)時(shí)性要求并不高，綜合實(shí)施成本和實(shí)現(xiàn)方式考慮，DDS協(xié)議的輕量級(jí)和開發(fā)成本不如MQTT。

二 MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議是一種基于TCP/IP，采用發(fā)布訂閱模式的輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。MQTT協(xié)議通過代理（Broker）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易開發(fā)的。這些特點(diǎn)使它成為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信的首選，實(shí)現(xiàn)了低帶寬下與云端的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用領(lǐng)域除車聯(lián)網(wǎng)通信之外，還包括了物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集、消息推送、智能家電等。源代碼的開放進(jìn)一步推動(dòng)了MQTT的發(fā)展。

MQTT協(xié)議能適應(yīng)針對(duì)低帶寬網(wǎng)絡(luò)，低計(jì)算能力的設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

（1）發(fā)布訂閱模式方便車云的交互，數(shù)據(jù)通過Topic發(fā)布，支持多對(duì)多的通信；

（2）協(xié)議報(bào)文結(jié)構(gòu)緊湊，性能開銷小，負(fù)載的格式靈活，能有效減少車端的網(wǎng)絡(luò)流量；

（3）提供三個(gè)可選的 QoS 等級(jí)，分別是“至多一次”，“至少—次”，“只有一次”。實(shí)際開發(fā)過程中，消息可以在用戶定義的任何 QoS等級(jí)被發(fā)送出去，并且客戶端也可訂閱任何 QoS等級(jí)的主題。客戶端會(huì)選擇最高的QoS等級(jí)進(jìn)行消息的發(fā)布和訂閱，根據(jù)業(yè)務(wù)要求調(diào)整消息的服務(wù)質(zhì)量，適應(yīng)車端不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

（4）由于MQTT可適應(yīng)不可靠網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景，通過遺囑消息提供在線狀態(tài)感知與會(huì)話保持能力，用來(lái)告知其他客戶端本客戶端的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)異常斷開。在設(shè)備與服務(wù)端連接時(shí)，通過CONNECT報(bào)文指定，當(dāng)出現(xiàn)socket異常斷開或者保活超時(shí)時(shí)，服務(wù)端應(yīng)當(dāng)立即發(fā)布遺囑消息，以確保盡快通知訂閱者。

Mosquito是一款實(shí)現(xiàn)了MQTT的開源軟件，開發(fā)人員可以利用 Mosquitto提供的API進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。Mosquitto同時(shí)為MQTT實(shí)現(xiàn)了諸如SSL/TLS安全、線程管理等功能。

比較與總結(jié)

最后我們對(duì)比上文所述的多種通信協(xié)議，如下表所示。在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，MQTT能夠以最小的網(wǎng)絡(luò)開銷，勝任未來(lái)海量車端設(shè)備的靈活、快速、安全接入，并保證復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下消息實(shí)時(shí)性、可靠性。

關(guān)鍵詞： 通信協(xié)議 實(shí)時(shí)通信 應(yīng)用領(lǐng)域