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物聯網架構及五大常用通信協議

2019-10-09 09:30 慕課網

導讀:消息觸達能力是物聯網(internet ofthings, IOT)的重要支撐,而物聯網很多技術都源于移動互聯網。柳貓將闡述移動互聯網消息推送技術在物聯網中的應用和演進。

消息觸達能力是物聯網(internet ofthings, IOT)的重要支撐,而物聯網很多技術都源于移動互聯網。柳貓將闡述移動互聯網消息推送技術在物聯網中的應用和演進。

一、物聯網架構和關鍵技術

從開發的角度,無線接入是物聯網設備端的核心技術,身份設備管理和消息推送技術是物聯網云端的核心技術。而從場景體驗的角度,除了前者,還要包括手機的前端開發技術。

IP互聯架構已是物聯網的事實標準(有關物聯網TCP/IP層關鍵技術將另文闡述,敬請關注)。本文所講的消息推送技術是基于TCP/IP協議的應用層協議技術。

我們先進一步抽象基于IP架構的物聯網組成,如下圖(忽略internet和路由等基礎技術):

物聯網架構及五大常用通信協議

可見,核心組成就是物聯設備、網關和云端。物聯設備分為兩類,一類是其自身天然支持TCP/IP而能直接接入物聯網,如wifi、GPRS/3G/4G(當然,還有即將到來的5G)等設備;另一類是其未能支持IP協議而需要網關(協議轉換)來接入物聯網,如Zigbee、藍牙等設備。對于藍牙設備而言,手機其實是一個網關。

手機通過自身的藍牙跟外設藍牙設備通信,并將消息通過手機的wifi或者3G/4G模塊與云服務端通信。

物聯網架構及五大常用通信協議

從場景的角度來分析,物聯網最終是給人類服務的,而手機是人類體驗的最直接入口。因此在上圖中可以單獨添加手機組成部分,并將其與一般意義上的網關區分出來。這樣物聯網核心組成就是:設備端—網關—云端—手機。

從應用層開發技術的角度來看,物聯網應用是基于TCP/IP架構建立,在屏蔽底層的網關協議轉換的基礎上,物聯網應用的組成部分就是:設備端—云端—手機。

OK,有了以上的介紹,我們就從物聯網應用的角度來分析設備、云端、手機直接的消息推送技術,它包括云端和設備端的雙向通信技術、手機和云端的雙向通信技術。

二、移動互聯網通信模式

互聯網有B/S和C/S兩種通信模式。在移動互聯網領域,APP是以C/S的方式以client的角色跟服務器server進行通信;而微信是一個超級APP,其是通過內置瀏覽器讓用戶進行H5編程以獲得操控硬件設備的能力,因此微信硬件平臺的通信模塊是B/S模式。

移動互聯網B/S技術跟傳統互聯網沒有區別,微信內置瀏覽器支持H5,因此可以獲得很好的平臺擴展性。我們近期重點關注基于微信硬件平臺的物聯網,因此就圍繞B/S模式的消息推送技術講述其演進。

HTTP協議是B/S的基礎,HTTP有GET和POST兩種方式。

物聯網架構及五大常用通信協議

三、消息推送技術演進

1.HTTP單向通信

瀏覽器使用HTML文本標記語言,即瀏覽器通過HTTP協議向服務器發起請求(請求內容包括URL,即我們常說的網址),服務器將URL對應的HTML內容通過HTTP協議作為響應傳送回給瀏覽器。

1)手機端:微信端因為有內置瀏覽器,其天然支持前端頁面。

2) 云端對手機端推送:云端使用JSP/PHP等技術開發設計前端網頁和簡單的邏輯即可。

3)設備端:設備端上線時或者訪問服務端參數等內容時需要模擬HTTP協議(C語言)向服務器發起請求,而請求的格式一般不使用HTML,而是使用較為簡單的XML或者JSON協議格式。

4)云端對設備端推送:云端使用HttpServlet(即使用http協議的servlet)對設備的HTTP請求進行響應,回復XML或者JSON格式的消息。

5)缺點:這種方式通信方式的特點就是一請求一響應,總是要客戶端向服務器發出請求,服務器才給予響應。服務器從來都不會主動給客戶端發消息,而且在客戶端發出請求后,服務器也只是回復一次。這種HTTP單向通信方式在互聯網領域發揮巨大的作用,就是服務器端可以是無狀態的,極大地簡化了服務器的服務流程,提高效率。但在物聯網領域,我們要求的是雙向的通信能力。服務端要能主動給設備端或者手機發出消息。

物聯網架構及五大常用通信協議

在這種模式下,我們怎么做雙向通信呢?唯一的做法就是客戶端不斷地發出請求(或者周期性),服務器不斷地給予回復。這種模式下的缺點顯而易見:

一是網絡負載重,服務器每次響應后都會關閉連接,所以每次通信都得重新握手。HTTP協議的頭內容的長度可不小。

二是實時性差。一般設備端都是周期性地輪詢服務器是否有新的消息,輪詢的方式是不能獲得好的實時性的。

三、瀏覽器端每次發出請求是以HTML全部內容來響應的,消息長度過大,在這種情況下,會發現瀏覽器頁面不斷地刷新。

2.Ajax輪詢

Ajax技術是瀏覽器支持的一種JavaScript技術。其能夠局部改善用戶體驗技術,讓用戶在不察覺瀏覽器頁面刷新的情況向服務器發出請求,并獲得響應。其原理是:

1)微信瀏覽器發出URL頁面請求,服務器響應HTML頁面內容。

2)HTML頁面使用js調用XMLHttpRequest來向服務器發出異步通信請求。

3)服務器響應XML格式數據給瀏覽器頁面。

4)HTML頁面使用DOM模型來動態刷新頁面元素。

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Ajax技術是微信硬件平臺框架中推薦的頁面交互技術,但其本質還是遵守HTTP單向通信的規則,只是頁面交互時不需要刷新整個頁面。其雙向通信實時性問題依然未能解決。

3.Websocket

Websocket是HTML5支持的一種新的協議,它能夠真正支持瀏覽器和服務器之間進行雙向通信。Tomcat7及以上版本也已經支持Websocket API。

1)為了能夠兼容瀏覽器HTTP協議,Websocket規定在第一次發起請求時依然要發出符合HTTP協議規范的Header,但其Connection域的值是Upgrade,并增加Upgrade域,值是socket,即告知服務器,即將建立的通信是Websocket雙向通信。服務器如果接受,會返回101給客戶端進行協議切換。

2)接下來的通信將不再以HTTP作為傳輸協議,而是使用Websocket規定的數據格式進行通信,其分為控制幀和數據幀。控制幀是發出心跳幀(ping),而服務器響應pong,還有結束幀;數據幀就是真實數據格式,其格式頭只有6個字節(2個字節頭和4個字節的掩碼),后面就是真實的數據(經過掩碼轉換)。比HTTP格式頭的長度要小多了。

3)客戶端和服務器之間是一直保持連接,直到close,當前期間要發發2個字節的3字節的ping幀。

可見Websocket比ajax有了極大的改進。其不僅省掉經常要連接握手,還簡化的協議的格式,最重要的是實時性得到保證,因為雙方是真正的全雙工通信。

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微信瀏覽器客戶端支持Websocket,服務器使用Tomcat7以上的WebsocketServlet類,設備端要根據Websocket協議用C語言來模擬通信。

我們在用設備端模擬Websocket通信協議時一般會先看協議,再用HttpWatch等工具來抓包,抓到的頭是GET ws://ip:port/path,如果在C語言也是這樣模擬發包則會報400 bad request。因為C語言利用socket建立通信時已經利用了IP和port了,其發的第一個包的頭是GET/path即可,不能在其前面加上ws://ip:port/。

4.MQTT

以上的分析都是將移動互聯網的技術運用到物聯網,其都有一個特定就是建立連接時會傳送URL地址,由兩個角色是客戶端和服務器,這種架構我們一般稱為是RESTful架構(另外,還有SOAP 面向應用的web services架構)。RESTful架構在互聯網得到越來越廣泛的運用,但物聯網除了互聯之外,還有其獨有的特征,就是其終端設備的資源有限、低功耗運用場景、網絡連接環境差(時不時斷開連接)等。用C語言模擬的方式來使用RESTful架構(如Websocket)會使得終端的負荷較重,而且服務器發給終端設備的消息有可能因為斷開連接而收不到。

物聯網架構及五大常用通信協議

MQTT是IBM針對物聯網退出的一種輕量級協議,建立于TCP/IP層協議之上。其是物聯網的重要組成部分,可能會成為物聯網的事實標準。其具有QoS,能夠緩沖消息,并通過重傳機制保證終端設備收到消息;其消息格式極其簡化,最短是兩個字節;其提供訂閱和發布模式,高效推送消息。

MQTT有三個角色,包括服務器代理、訂閱者和發布者。

1)啟動服務器代理。

2)訂閱者向服務器代理訂閱相關主題。

3)發布者向服務器代理發布主題信息。

4)服務器代理想所有訂閱該主題的訂閱者推送消息。

MQTT有C/C++語言和JAVA包實現。需要明確的是,MQTT更適用于設備終端和手機APP socket通信,而不能支持瀏覽器使用。如果要支持微信瀏覽器應用,還需要增加類似WebsocketServlet技術給瀏覽器提供支持,這時MQTT以JS接口進行封裝,并被調用完成消息推送。

5.CoAP

CoAP是受限制的應用協議(ConstrainedApplication Protocol)的代名詞。其基于UDP協議,也就是在設備終端上只需要底層實現UDP協議,而不需要實現較為復雜的TCP協議。這種協議用得比較小。筆者也沒有用C語言模擬過,就不展開了。

物聯網架構及五大常用通信協議


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