物聯網架構及五大常用通信協議

作者：柳貓 2018-08-04 05:08:50

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。本文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(fā)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(fā)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)：

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。

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(qū)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(fā)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(qū)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。

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(fā)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。

手機端：微信端因為有內置瀏覽器，其天然支持前端頁面。
云端對手機端推送：云端使用JSP/PHP等技術開發(fā)設計前端網頁和簡單的邏輯即可。
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(fā)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。
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。
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(fā)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(fā)消息，而且在客戶端發(fā)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(fā)揮巨大的作用，就是服務器端可以是無狀態(tài)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(fā)出消息。

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(fā)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：

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。
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。
瀏覽器端每次發(fā)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(fā)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(fā)出請求，并獲得響應。其原理是：

微信瀏覽器發(fā)出URL頁面請求，服務器響應HTML頁面內容。
HTML頁面使用js調用XMLHttpRequest來向服務器發(fā)出異步通信請求。
服務器響應XML格式數據給瀏覽器頁面。
HTML頁面使用DOM模型來動態(tài)刷新頁面元素。

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(guī)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。

為了能夠兼容瀏覽器HTTP協議，Websocket規(guī)定在第一次發(fā)起請求時依然要發(fā)出符合HTTP協議規(guī)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。
接下來的通信將不再以HTTP作為傳輸協議，而是使用Websocket規(guī)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(fā)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(jié)(2個字節(jié)頭和4個字節(jié)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。
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(fā)發(fā)2個字節(jié)的3字節(jié)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，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(fā)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(fā)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(huán)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(fā)給終端設備的消息有可能因為斷開連接而收不到。