JSON / HTTP模型適合用在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上嗎

隨著基于Web的API的興起，我們開始認為REST（Representational State Transfer）與HTTP上的JSON同義。不出所料，JSON已取代XML作為Web的首選數(shù)據(jù)格式。雖然早期的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)采用了JSON / HTTP組合，但很快就會發(fā)生變化。REST的概念將存在，但JSON和HTTP可能不再是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的通用語言。

REST的核心是統(tǒng)一訪問和修改資源的架構(gòu)模式。一個實體（服務(wù)器）是對象當(dāng)前狀態(tài)的權(quán)限。其他實體可以請求當(dāng)前對象的“表示”，并且還可以發(fā)送創(chuàng)建，修改或刪除對象的請求。當(dāng)前流行的REST模型使用URI來標(biāo)識對象（“/ lamp / 1234”），使用HTTP謂詞來指定操作，使用JSON來表示對象。為了獲取對象，客戶端可以向“GET / lamp / 1234”發(fā)送HTTP請求。服務(wù)器可以用HTTP 200和包含JSON數(shù)據(jù)的主體進行響應(yīng)。

HTTP / JSON模型在Web API中根深蒂固，其受歡迎程度自然會滲透到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中。三星，Nest和Apple都發(fā)布了依賴于JSON over HTTP的API，但這種早期趨勢將會消退。雖然REST模型適用于構(gòu)成新物聯(lián)網(wǎng)世界的分布式網(wǎng)絡(luò)，但HTTP 1.1和JSON并不合適。

JSON存在什么問題？

當(dāng)JavaScript傳奇人物Douglas Crockford介紹JSON格式時，他有興趣指定一種簡化Web應(yīng)用程序和基于JavaScript的客戶端之間數(shù)據(jù)交互的格式。因為它是XML的輕量級替代品，所以JSON很快在Web開發(fā)人員中獲得了吸引力，并且后來達到了更普遍的受眾。

JSON的幾個特性使其成為通用數(shù)據(jù)交換的理想選擇。首先，它是無模式的; 只要JSON格式正確，它就是有效的。其次，JSON支持一組最簡單直接的數(shù)據(jù)類型：字符串，數(shù)字，布爾值，對象，數(shù)組和空值。第三，數(shù)據(jù)以JavaScript語法表示，這使得它既易讀又易于解析。人們很難找到一種沒有至少一個JSON解析器的流行編程語言。

這些功能使JSON成為一種有用的通用格式，但物聯(lián)網(wǎng)的典型用例可能會讓我們懷疑JSON是否適合構(gòu)成智能設(shè)備環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要按以下方式進行優(yōu)化：

保持網(wǎng)絡(luò)流量小而快。

最小化網(wǎng)絡(luò)編碼和解碼的原始計算量。

僅使用少量內(nèi)存和存儲空間。

設(shè)備可能以小于1兆字節(jié)的內(nèi)存或存儲運行，并且通常使用小型電池運行。出于功耗原因，它們可能一次僅在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上幾秒鐘，有時一天只有幾次。即使是高端集線器設(shè)備也不太可能擁有超過25MB的存儲空間。對于這些設(shè)備，效率是關(guān)鍵，特別是在網(wǎng)絡(luò)方面。

JSON不是滿足這些要求的最佳候選者。首先，盡管JSON聲稱具有精益，但它并不是一種節(jié)省空間的編碼。所有數(shù)據(jù)都表示為ASCII字符串，通常添加了大量的空白區(qū)域。每次出現(xiàn)時，每個標(biāo)簽字段必須完整重復(fù)。必須對二進制數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)義，但在JSON中沒有標(biāo)準方法。

這導(dǎo)致了JSON的第二個問題。數(shù)據(jù)格式的簡單性引入了實現(xiàn)的復(fù)雜性。JSON的簡單類型很少與IoT編程中通常使用的類型相匹配。雖然像C這樣的語言支持廣泛的數(shù)字類型，但JSON唯一的數(shù)字類型是數(shù)字。官方JSON規(guī)范ECMA-404甚至沒有定義數(shù)字字段的最大大小。這意味著JSON使用者必須進行大量檢查以確定哪種基礎(chǔ)類型與給定數(shù)字最匹配。由于兩個或多個具有相同表觀結(jié)構(gòu)和字段名稱的字段可能包含不同的“類型”數(shù)字，因此這很復(fù)雜。字段“age”在一次出現(xiàn)時可以是無符號正整數(shù)，而在另一種情況下可以是浮點。

JSON缺乏架構(gòu)加劇了這個問題。數(shù)組可以包含任意數(shù)量的類型，并且對于如何使用對象的字段或是否一致地使用它們沒有約束。開發(fā)人員僅依靠約定來確定JSON結(jié)構(gòu)將包含哪些數(shù)據(jù)。最后，存在解釋JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的問題。字段基本上是無序的（除了數(shù)組）。如上所述，有效JSON可能包含違反期望的任意數(shù)據(jù)，解析器可以解決任何給定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用于高效字段級處理的策略通常不適用于JSON。實際上，這意味著解析整個對象并將結(jié)果存儲在內(nèi)存中。

JSON顯然不是數(shù)據(jù)編碼的最佳技術(shù)。HTTP 1.1，無處不在的REST實現(xiàn)的另一半，看起來并沒有更好看。

HTTP存在什么問題？

HTTP 1.1為Web開發(fā)人員提供了很好的服務(wù) 它靈活，直接，廣泛實施，并擁有龐大的開發(fā)人員基礎(chǔ)。但是，多年來讓網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員煩惱的HTTP錯誤可能對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員產(chǎn)生更大的影響。

與JSON一樣，HTTP傾向于臃腫的一面。HTTP標(biāo)頭就是一個很好的例子。作為沒有任何類型壓縮的純文本字符串，它們會膨脹網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)使用是HTTP的另一個不足之處。最初的HTTP規(guī)范是圍繞短期網(wǎng)絡(luò)連接的想法而設(shè)計的。客戶端打開一個連接，然后請求頁面，服務(wù)器提供它，連接關(guān)閉。但是現(xiàn)在平均網(wǎng)頁可以同時獲取十幾個資源。HTTP 1.1引入了一些功能，可以在短時間內(nèi)保持連接打開和重用，但HTTP基本上仍然專注于短期連接。

考慮物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)方面。建立連接在功率和時間方面是昂貴的，特別是包括SSL / TLS協(xié)商; 每個添加的連接帶來了大量的計算機打擊。反復(fù)打開重量級網(wǎng)絡(luò)連接是不必要的資源消耗。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，從嵌入式設(shè)備發(fā)送和接收的每個字節(jié)都會影響性能。良好的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議不僅使開發(fā)人員能夠輕松發(fā)送正確的信息，而且還減輕了設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)。HTTP有效載荷模型非常適合物聯(lián)網(wǎng)，但更好的協(xié)議可以簡化安全性，優(yōu)化傳輸大小，并專注于通過長期網(wǎng)絡(luò)連接復(fù)用請求和響應(yīng)。

未來是二元的

REST是物聯(lián)網(wǎng)的一個很好的模型。每個設(shè)備都可以輕松地提供其狀態(tài)信息，并可以標(biāo)準化創(chuàng)建，讀取，更新和刪除該數(shù)據(jù)的方式。開發(fā)人員可以快速為許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)建mental REST模型。獲取燈泡的狀態(tài)：它已關(guān)閉。發(fā)送請求將其打開。從空間加熱器獲取當(dāng)前溫度：它太熱了。發(fā)送較低的目標(biāo)溫度。該模型似乎直觀地匹配問題空間。

但是關(guān)于JSON和HTTP要做什么呢？物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員需要REST而不會出現(xiàn)不必要的膨脹。

對于JSON來說，物聯(lián)網(wǎng)的未來是黯淡的：一系列更適合的編碼充斥著空間。Apache Thrift和Google的協(xié)議緩沖區(qū)（Protobuf）都提供了更適合受限設(shè)備的二進制編碼，并且都具有自動強制模式的優(yōu)勢。CoAP是物聯(lián)網(wǎng)通信的新興標(biāo)準，它定義了一種稱為CBOR的編碼。CBOR是自描述的，編碼專注于產(chǎn)生小的消息大小。即使是令人尊敬的ASN.1系列編碼也可能會獲得新的IoT旋轉(zhuǎn)。所有這些都提供了比JSON更適合嵌入式設(shè)備的編碼特性。

對于HTTP，故事可能會有不同的表現(xiàn)。沒錯，它將面臨一些競爭; 例如，CoAP定義了一個簡潔的類似REST的傳輸協(xié)議，它是HTTP 1.1的一個引人注目的替代方案。但是，隨著Google的SPDY努力的發(fā)展，HTTP / 2標(biāo)準表明HTTP可能已經(jīng)解決了自己的問題。

HTTP / 2顯示出對網(wǎng)絡(luò)性能的新興趣。HTTP / 2中的標(biāo)頭是有效編碼的。該協(xié)議支持通過一個連接多路復(fù)用多個數(shù)據(jù)流，以及服務(wù)器啟動的推送，協(xié)議的重建將SSL / TLS保持為中心部分。然后，一個SSL / TLS協(xié)商可以保護多個數(shù)據(jù)流，從而減少設(shè)置開銷，但保持高度的安全性。

除了HTTP / 2和CoAP之外，新興的QUIC協(xié)議也可能在資源受限的設(shè)備中獲得吸引力。QUIC，也是從SPDY繪制的Google協(xié)議，用于交換TCP的UDP。通過消除TCP的一些連接管理開銷，QUIC旨在減少延遲，尤其是在初始建立網(wǎng)絡(luò)連接期間。

因為QUIC和HTTP / 2基于類似的協(xié)議棧，所以兩者之間的競爭不是零和游戲。兩者都經(jīng)過精心設(shè)計，很可能在新興的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得認可。

轉(zhuǎn)向潮流

REST模型非常適合物聯(lián)網(wǎng)。但是，傳統(tǒng)的基于HTTP的JSON REST實現(xiàn)充其量是不合適的。在速度和解析簡易性方面，JSON的面向字符串的有效負載在數(shù)據(jù)傳輸方面與二進制編碼不匹配。像CBOR和Protobuf這樣的編碼是JSON的引人注目的替代品。

相反，HTTP / 2規(guī)范表明HTTP可能仍然是所選的應(yīng)用程序協(xié)議。其新興的姐妹協(xié)議QUIC將補充和加強網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的地位。