八大物联网IoT上云协议快速入门教程
转载请注明 作者:源码先生, 文章链接:https://www.debugself.com/2020/03/23/Protocol_guide/, 请勿用于商业用途
关注我，获取更多物联网IoT+云原生的技术分享。
八大物联网IoT上云协议快速入门教程
物联网IoT协议之mqtt快速入门教程
物联网IoT协议之OPC UA快速入门教程
物联网IoT协议之 LoRaWAN快速入门教程
物联网IoT协议之NB-IoT/CoAP快速入门教程
物联网IoT上云协议之Modbus快速入门教程
IPv6快速入门教程
物联网IoT协议之6LoWPAN快速入门教程
物联网IoT协议之HTTP快速入门教程
车联网V2X快速入门教程
八大物联网IoT上云协议快速入门教程
陆续写了8篇物联网上云协议的入门教程，历时半年，因为在业余时间完成，有时候1个月才能写一篇教程，期间阅读了N多标准文档，搜索了N篇论文，购买了N本电子书，整个过程中收获最大的还是自己，以前一直对互联网、物联网的异构网络存在疑惑，比如为什么存在ZigBee，LoRaWAN，NBIoT，4G，5G等这么多无线通信方式，他们和有线通信是否可以统一？物联网为什么要发展IPv6，如何发展？这些疑问慢慢都有了答案。
为什么有这么多不同的协议/哪种物联网协议最快
历史上，评价秦始皇对中国最大的贡献，是“车同轨，书同文，统一度量衡”，因为基础设施有了统一的标准，促进了交通，文化，贸易的发展，方便了百姓生活。
万物联网，能不能来个万物统一的标准呢？从现状来看，答案是不能，就像编程语言，Java、C、Python、C++、C#、Go、JavaScript百花齐放，并不存在统一的语言，程序员最大的苦恼就是要学的编程语言太多了。
这时自然有人问了，最好的编程语言是哪种？“PHP是世界上最好的语言”是真的吗？对应到物联网协议中，就是哪种物联网协议速度最快？源码先生的观点是：
- 首先要搞清楚如何对比，比如mqtt和5G就不能对比，mqtt是应用层协议，5G主要是物理层和数据链路层协议，对比mqtt和5G谁最速度最快，犹如对比奥特曼和孙悟空谁厉害一样，没有可比性；
- 就像上百种编程语言，谁也不能完全替换谁，每种语言都有自己的优势和使用场景，也没有最快/最好的物联网协议，只有最合适的协议，业务场景不同，最合适的协议也不同。
万变不离其宗
虽然物联网协议很多，区别挺大，但本质还是可以追溯出来的，这就是OSI标准7层网络模型。
无论简单的串口通信，还是复杂的TCP/IP，无论低速的ZigBee，还是高速的5G，统统能套到OSI标准7层网络模型中，OSI模型就是万变不离其宗的宗。实际场景中，表示层和会话层一般也放到应用层，TCP/IP参考模型把OSI标准7层网络模型简化为5层模型。
TCP/IP参考模型若能了然于胸，知其然，也能知其所以然的话，再多的物联网协议也不怕，真正做到妈妈再也不担心我的学习了。
为什么要分层/分层有什么用
要想搞清楚5层TCP/IP参考模型，第一步是搞清楚为什么要分层。遥想N多年前第一次接触TCP/IP参考模型时，源码先生是懵圈的，直接一把梭不香吗，只要能通信，何必搞这么复杂，分这么多层？
随着源码先生吃的饭越来越多，源码先生明白了，分层的道理和吃外卖是一样一样的。
对比TCP/IP参考模型和外卖协议栈，可以得出以下分层的优点。
流水线作业，各司其职
20世纪初,美国人亨利.福特首先采用了流水线生产方法,在他的工厂内,专业化分工非常细,仅一个生产单元的工序竟然多达7882种,为了提高工人的劳工效率,福特反复试验,确定了一条装配线上所需要的工人,以及每道工序之间的距离.这样里来,每个汽车底盘的装配时间从12小时28分缩短到1小时33分。
流水线作业中，分工明确，各司其职。对应到外卖协议栈中：
- 大自然负责提供最宝贵却又免费的生长环境
- 农民伯伯负责种植食材，但不用关心阳光和土壤从哪里来
- 物流贸易商负责运输食材，但不用关心食材是如何种出来的
- 饭店/厨师负责把食材做成饭，但不用关心食材从哪里来
- 外卖小哥负责送外卖，但不用关心厨师如何做饭
- 吃货负责吃，其他的一概不关心
对应到TCP/IP参考模型中：
- 物理层对应物理传输介质，比如有线传输的双绞线，无线传输的电磁波
- 数据链路层有了MAC地址，通过MAC寻址可以在多个设备之间传输数据，但不用关心通过有线传输还是无线传输
- 网络层有了IP地址，通过IP寻址，可以在多个设备之间传输数据，但不用关心数据如何发送到目标MAC设备
- 传输层有了端口，通过端口，同一个IP地址可以运行多个应用，多个应用的数据相互独立，但不用关心数据如何发送到目的IP设备
- 应用层以HTTP为例，HTTP不用关心底层是TCP还是UDP，比如HTTP2之前的版本用的是TCP，到了HTTP3换成了UDP
可以看到，每层只需要调用下层服务，不需要关心服务如何实现，同时每层提供对外服务，供其他层调用。
灵活性好/维护性好
分层后，各层互不影响。当某一层发生变化时，只要其接口不变，其他层不受影响或者受影响程度很小，举个栗子：
- 笔记本可以通过WIFI上网，也可以通过网线上网，对笔记本来说没有任何影响
- 手机从3G到4G再到5G，速度提升了很多，对APP没有任何影响，即使将来6G和7G，APP也不受影响
- IPv4更新为IPv6，对于浏览网页的应用层HTTP协议，影响并不大
分层后，可以分层调试协议，快捷方便，而且协议升级时，影响范围也不大。
分层的好处多多，不清楚分层有哪些优点时，只要往源码先生独创的外卖协议栈上套，想想吃货随意点外卖的惬意，就明白了。
如何快速入门一种协议
确定协议属于哪一层
确定协议属于哪一层后，只关心本层协议即可，比如5G，更多的是如何优化物理层和数据链路层的无线传输，什么TCP、mqtt就不用关心了。源码先生整理了常见协议所属的分层：
| 模型 | 协议 |
|---|---|
| 物理层 | 有线传输如双绞线、同轴电缆、光纤等，无线传输如ZigBee、LoRa、2G、3G、4G、5G、NBIoT等 |
| 数据链路层 | 常见的有IEEE 802.11系列(如WIFI主要采用802.11b协议)，IEEE 802.3(以太网)，IEEE 802.15.1(蓝牙)、IEEE 802.15.4(ZigBee、6LoWPAN)等 |
| 网络层 | 常见的有IPv4、IPv6、6LoWPAN |
| 传输层 | 常见的有TCP和UDP |
| 应用层 | 常见的有HTTP、mqtt、COAP、OPC UA、ModBus、FTP等 |
很多协议是涉及多层的，比如LoRaWAN，包括从物理层到应用层5层全部网络模型。
弄清楚拓扑结构
两个设备相互通信，用一条线把两个设备连接起来即可。
三个设备相互通信，两两相连需要3条线。
四个设备相互通信，两两相连需要6条线。
很明显，随着设备个数的增加，两两相连需要的线按指数级增长，所以两两相连的方式肯定是不合适了，总线型拓扑结构是一种简单的解决办法。
多个设备复用同一条总线，减少了布线的复杂度；其他网络拓扑结构有星型、环型、树型、总线型等多种，无论哪种网络拓扑结构，最终都是为了实现多个设备相互通信。
拓扑结构和5层TCP/IP参考模型并没有一一对应的关系，比如以太网是总线型拓扑结构，但是互联网(主要是TCP/IP)是混合型拓扑结构，由以太网+路由器+城域/省域/国域交换中心组成的混合拓扑结构；网络模型的每层都可以有自己的拓扑结构，比如mqtt是基于TCP/IP应用层协议(混合型拓扑结构)，但是从应用层看，mqtt是星型拓扑结构。从整体上看，大多数协议都是混合型拓扑结构，只有细化到具体层时，才可以确定出具体的拓扑结构。弄清楚拓扑结构的目的，是为了从宏观上、整体上了解协议，只要达到了解协议的目的，并不需要严格的区分一个协议具体用到哪些拓扑结构。
拓扑结构中的冲突避免机制
总线上有多个设备，多个设备同时发送数据，数据会产生冲突，此时需要冲突避免机制，大部分冲突避免机制是在数据链路层实现，比如以太网使用的CSMA/CD（即载波侦听多路访问/冲突检测），但是也可以在应用层上实现冲突避免机制，如Modbus。
阅读标准文档
每个协议都有官方标准文档，这是最权威的协议资料，官方文档内容一般非常详细，适合深入研究协议，如果只是快速入门，建议阅读源码先生的入门教程，原因不解释。
对于本系列物联网协议教程，源码先生并不是太满意，本可以写的更通俗更易懂，无奈单篇教程篇幅已经太长，不少地方只能一笔带过，此处省略向天再借五百年.mp3。
原创不易，以上内容来自源码先生个人理解，难免有错误之处，欢迎留言或者添加源码先生个人微信号(debugself)，欢迎技术交流与合作。
