集成 MQTT-SN 与 CoAP 协议以增强无线传感器网络中的数据通信和资源管理

论文Integration of MQTT-SN and CoAP protocol for enhanced data communications and resource management in WSNs由 Emmanuel Nwankwo 等人撰写，主要探讨了在无线传感器网络（WSNs）中集成 MQTT-SN 和 CoAP 协议，以提升数据通信和资源管理能力。

1. 研究背景
   • 物联网与协议发展：物联网发展促使新协议涌现，应用层协议需适应网络变化并具备互操作性。本文聚焦于受限应用协议（CoAP）和传感器网络消息队列遥测传输协议（MQTT-SN）1。
   • 两种协议特点：CoAP 专为受限设备设计，是 HTTP 轻量版，基于 UDP 传输，采用请求 / 响应模型；MQTT-SN 是 MQTT 的轻量变体，基于 UDP，采用发布 / 订阅模型。两者在可靠性、架构和头部大小等方面存在差异234。
   • 研究目的：集成 MQTT-SN 和 CoAP 协议，开发抽象层使传感器节点能同时支持两者，旨在结合二者优势，避免劣势，提升设备管理灵活性5。
2. 研究方法
   • 抽象层设计：构建抽象层并提供多个 API，如 Setup_Coap_Resource () 用于创建 CoAP 资源处理程序和方法，Init_Mqtt_Coap () 用于创建 MQTT 连接并初始化 CoAP 资源等，以简化协议管理并支持高级用户访问核心功能67。
   • 实验设置：使用 Contiki OS 基于 Cooja 网络模拟器，选用 Skymote 和 Zolertia Z1 mote 两种传感器节点，通过 RPL Border 路由器、tunslip 实用程序和 SLIP 桥构建网络拓扑。利用 Energest 模块估计节点能耗8910。
   • 资源管理架构：实验中 MQTT-SN 用于数据发布，CoAP 用于资源管理，可通过 CoAP 协议访问和调整配置参数，如 MQTT QoS 级别、传感器探测和发布间隔、传感器阵列开关等1112。

1. 实验结果与讨论
   • 性能指标结果：实验环境中消息传递无丢失，节点最大传输数据包大小为 87 字节。随着数据包大小增加，延迟略有上升。MQTT-SN QoS 0 延迟最低，CoAP 和 MQTT-SN QoS 1 延迟相近。MQTT-SN QoS 0、MQTT-SN QoS 1 和 CoAP 的平均延迟分别为 163.2 ms、188.5 ms 和 191.5 ms，能耗方面，MQTT-SN QoS 0 和 QoS 1 单次 Tx/Rx 操作平均能耗为 261.6 mJ，CoAP 为 261.3 mJ131415。
   • 与相关研究对比：与其他研究相比，本文在资源受限设备上集成两种协议并评估性能，而有的研究提出的模型独立于现有协议且未在受限设备评估，有的在无资源限制设备上评估了 MQTT 和 CoAP 性能1617。
2. 研究结论：在受限设备上集成 MQTT-SN 和 CoAP 协议的方案通过抽象层实现，经固件级仿真评估性能令人满意。集成对系统无负面影响，为进一步研究在节能、代理故障或网络条件变化时自适应切换协议奠定了基础1819。