物聯網架構及五大常用通信協議

來自專欄猿論23 人贊了文章

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於移動互聯網。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雲端的核心技術。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於TCP/IP協議的應用層協議技術。

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

可見，核心組成就是物聯設備、網關和雲端。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。對於藍牙設備而言，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，並將消息通過手機的wifi或者3G/4G模塊與雲服務端通信。

• 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，並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—雲端—手機。
• 從應用層開發技術的角度來看，物聯網應用是基於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—雲端—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、雲端、手機直接的消息推送技術，它包括雲端和設備端的雙向通信技術、手機和雲端的雙向通信技術。

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的角色跟伺服器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編程以獲得操控硬體設備的能力，因此微信硬體平台的通信模塊是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台擴展性。我們近期重點關注基於微信硬體平台的物聯網，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。

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協議向伺服器發起請求(請求內容包括URL，即我們常說的網址)，伺服器將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） 雲端對手機端推送：雲端使用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）向伺服器發起請求，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）雲端對設備端推送：雲端使用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，總是要客戶端向伺服器發出請求，伺服器才給予響應。伺服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後，伺服器也只是回復一次。這種HTTP單向通信方式在互聯網領域發揮巨大的作用，就是伺服器端可以是無狀態的，極大地簡化了伺服器的服務流程，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。

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

• 一是網路負載重，伺服器每次響應後都會關閉連接，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伺服器是否有新的消息，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伺服器發出請求，並獲得響應。其原理是：

• 1）微信瀏覽器發出URL頁面請求，伺服器響應HTML頁面內容。
• 2）HTML頁面使用js調用XMLHttpRequest來向伺服器發出非同步通信請求。
• 3）伺服器響應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。

Ajax技術是微信硬體平台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伺服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協議規範的Header，但其Connection域的值是Upgrade，並增加Upgrade域，值是socket，即告知伺服器，即將建立的通信是Websocket雙向通信。伺服器如果接受，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），而伺服器響應pong，還有結束幀；數據幀就是真實數據格式，其格式頭只有6個位元組（2個位元組頭和4個位元組的掩碼），後面就是真實的數據（經過掩碼轉換）。比HTTP格式頭的長度要小多了。
• 3）客戶端和伺服器之間是一直保持連接，直到close，當前期間要發發2個位元組的3位元組的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。

微信瀏覽器客戶端支持Websocket，伺服器使用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伺服器，這種架構我們一般稱為是RESTful架構（另外，還有SOAP 面嚮應用的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，還有其獨有的特徵，就是其終端設備的資源有限、低功耗運用場景、網路連接環境差（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，而且伺服器發給終端設備的消息有可能因為斷開連接而收不到。

MQTT是IBM針對物聯網退出的一種輕量級協議，建立於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，能夠緩衝消息，並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，最短是兩個位元組；其提供訂閱和發布模式，高效推送消息。

MQTT有三個角色，包括伺服器代理、訂閱者和發布者。

• 1）啟動伺服器代理。
• 2）訂閱者向伺服器代理訂閱相關主題。
• 3）發布者向伺服器代理髮布主題信息。
• 4）伺服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更適用於設備終端和手機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介面進行封裝，並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。其基於UDP協議，也就是在設備終端上只需要底層實現UDP協議，而不需要實現較為複雜的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。

作者：柳貓

鏈接：http://www.imooc.com/article/details/id/41612

來源：慕課網

本文原創發佈於慕課網 ，轉載請註明出處，謝謝合作

推薦閱讀：

【官方】手記欄目認證作者招募，長期有效，隨時報名！_慕課手記

有獎徵文005期 |人生路上得一良師，是何感受？

前端乾貨合集(6.27)

java裡面i++與++i到底哪一種寫法的效率高？

區塊鏈技術公司老生常談區塊鏈技術如何工作？