[專欄]WoT 的成年儀式－通訊協定技術變革

WoT 成為成熟市場前，勢必經歷通訊協定技術變革的過程。物聯網的發展，進入到銜接 web（over HTTP）的階段後，典型的通訊協定堆疊（Protocol Stacks）開始產生變化。更進一步的話，物聯網在 2015 年開始，進入通訊協定技術變革的時代。過去使用的通訊協定技術，開始有了改良版本。幾個知名的例子：Google 提倡的 SPDY 協定、專為 Constrained Device 所設計的 CoAP，以及 QUIC 改良傳統的 UDP。

未來，當 IoT 裝置大量佈署後，屆時網路上將有十億，甚致百億計的 IoT 裝置，這個總數，絕對比純 web 時代時的 web server 還要更多。

上述所提的例子，最終都想針對 HTTP 協定進行改造。HTTP 是應用層通訊協定（Application Layer Protocol），現在的 IoT 架構，發展重心就是使用 HTTP（Web）來交連（interoperate），這個 IoT + Web 的架構，稱為 WoT（Web of Things）。不只是 WoT 架構，從通訊協定的角度來看，物聯網正進入應用層通訊協定技術變革的時代。

TCP/IP Stacks 是網路協定的基礎，其中有一層稱為傳輸層（Transport Layer），傳輸層包含 TCP 與 UDP 二個協定。UDP 協定比 TCP 更輕量化，但因為 TCP 的可靠性佳高，因此，知名的應用層協定「HTTP」，就基於 TCP 協定來發展。基於 TCP 的 HTTP（或稱為 HTTP over TCP）的特色就是 Client/Server 間會進行資料傳輸的確認（ACK），因此可靠度高。然而，這個確認的動作對物聯網裝置來說，可能會形成一個問題。這個問題在於，確認的動作需要花費較多的硬體資源（運算能力、記憶體等），對硬體資源較缺乏的裝置（稱為 Constrained Device），這個 TCP 的確認過程，就成為一個很大的負擔。

HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是一種 request-response 形式的協定。就像我們所知道的，它已經完全融入我們的生活之中。HTTP 在 PC 時代，已經改變人們接收資訊的方式與習慣，到了 Mobile 的時代，HTTP 更再次影響與改變人類的社會文化。到了物聯網時代，HTTP 將繼續影響與改變人類的生活習慣，物聯網已經開始受到 HTTP 的影響，這就是 Web of Things。HTTP 屬於 application-level 的協定，HTTP 的傳輸層就是使用 TCP。

一個開放式且符合 Web of Things 設計原則的 IoT Cloud 架構，應該以 application-level 的協定為主，因此 HTTP 成為自然當選人。但物聯網硬體本身，有它的侷限性，例如：低功耗、運算頻率較低、主記憶體較少等，當軟體在這樣受侷限的硬體環境上運作時，就需要一個比 HTTP 更適合的應用層協定－CoAP（Contrained Application Protocol）就因應而生。

CoAP 並不是要取代 HTTP，它是針對 Constrained Device 的 HTTP 需求。CoAP（Constrained Application Protocol）是更簡單且輕量化的 HTTP 技術，簡單的意思是，CoAP 簡化了 HTTP 的內容，輕量化的意思是，CoAP 採用 UDP 進行傳輸。簡單來說，CoAP 可以看做是一個 HTTP over UDP 的技術。CoAP 是物聯網的重要技術，它讓 Constrained Device 都能具備 HTTP 的能力。大部份的 MCU 裝置都是 Constrained Device，因此，就也像是 MCU + HTTP。

從實作的角度來看，CoAP 並非直接採用 HTTP 標準，而是透過轉換（translate）的方式將訊息對應成標準的 HTTP。CoAP 採納了 REST 架構，並且也是採取 request/response 的模式。因此，要將 CoAP 轉換為 HTTP，或是將 HTTP 轉換為 CoAP，其實是非常容易的。實際上，CoAP 只對 request/response 的部份做轉換，也就是 CoAP 的 request 都能轉換為 HTTP request headers；response 的部份亦同。

除了 CoAP 外，HTTP/2.0 未來也可能在物聯網應用上，扮演重要角色。HTTP over TCP 的 ACK 會造成的一些負擔，因此如果讓 HTTP over UDP 的話，就可以解決這個問題。Google 所提出的 QUIC（Quick UDP Internet Connection）就是這樣的技術。QUIC 可以讓 HTTP 基於 UDP 傳輸層，就是 HTTP + QUIC + UDP。

解決了傳輸層的問題，再回到應用層來看 HTTP。因為 HTTP request/response headers 設計上的一些缺點，讓 HTTP 的網路傳輸效能無法提昇。為解決這些問題，Google 便提出了 SPDY 協定。SPDY 協定後來成為 HTTP/2（HTTP 2.0）的基礎。IETF 在 2015 年 5 月正式發佈 HTTP/2 標準（RFC 7540）。HTTP/2 是基於 TCP 協定，因此要讓物聯網裝置使用 HTTP over UDP 的話，目前仍必須使用 HTTP + QUIC + UDP 的堆疊。

因為 HTTP/2 標準就是 SPDY 的內容，如果有意在物聯網裝置上使用 HTTP/2 的特性，就要採用 HTTP + SPDY + QUIC + UDP 的堆疊。不過，Google 未來有意將 HTTP/2 over QUIC 提交給 IETF，到時就能捨棄 HTTP + SPDY + QUIC + UDP 的做法，畢竟這只是過渡時期的解決方案。

從 IoT 裝置的角度來看，在一個硬體很受限的環境裡，HTTP over TCP 的過程不但消耗硬體資源，也考驗硬體的運算能力。同時，這個過程因為 handshake 的過程繁複，也可能造成「response time」過長。CoAP、HTTP over UDP 或是 HTTP/2 over QUIC 則是修改了 handshake 的過程，解決了包含 response time 在內的各種問題。

未來，當 IoT 裝置大量佈署後，屆時網路上將有十億，甚致百億計的 IoT 裝置，這個總數，絕對比純 web 時代時的 web server 還要更多。當這些 IoT 裝置彼此間，發出大量且頻繁的 HTTP request/response 時，這些 TCP 連線就會累積出非常可怕的「連線負載」。未來迎接 IoT 的時代，降低 ACK 封包，並設計更適合的通訊協定，就成了重要的基礎研究。或許，在通訊協定技術完成技術變革後，WoT 才會真正成為成熟市場。