物联网核心协议—消息推送技术演进

Posted 2020-07-02 嵌入式企鹅圈

消息触达能力是物联网（internet ofthings, IOT）的重要支撑，而物联网很多技术都源于移动互联网。本文阐述移动互联网消息推送技术在物联网中的应用和演进。

       消息触达能力是物联网（internet ofthings, IOT）的重要支撑，而物联网很多技术都源于移动互联网。本文阐述移动互联网消息推送技术在物联网中的应用和演进。

一、物联网架构和关键技术

      从开发的角度，无线接入是物联网设备端的核心技术，身份设备管理和消息推送技术是物联网云端的核心技术。而从场景体验的角度，除了前者，还要包括手机的前端开发技术。

      在上一篇《一张图读懂基于微信硬件平台的物联网架构》博文中，笔者曾用一张大图详细描述了基于微信硬件平台的物联网架构的组成要素、关键场景、和通信协议（应用层和TCP/IP层）。本文则重点描述物联网各部分之间的通信技术实现。

      IP互联架构已是物联网的事实标准（有关物联网TCP/IP层关键技术将另文阐述，敬请关注）。本文所讲的消息推送技术是基于TCP/IP协议的应用层协议技术。

 

　　我们先进一步抽象基于IP架构的物联网组成，如下图（忽略internet和路由等基础技术）：

 

　　可见，核心组成就是物联设备things、网关和云端。物联设备分为两类，一类是其自身天然支持TCP/IP而能直接接入物联网，如wifi、GPRS/3G/4G等设备；另一类是其未能支持IP协议而需要网关（协议转换）来接入物联网，如Zigbee、蓝牙等设备。对于蓝牙设备而言，手机其实是一个网关。手机通过自身的蓝牙跟外设蓝牙设备通信，并将消息通过手机的wifi或者3G/4G模块与云服务端通信。

 

　　从场景的角度来分析，物联网最终是给人类服务的，而手机是人类体验的最直接入口。因此在上图中可以单独添加手机组成部分，并将其与一般意义上的网关区分出来。这样物联网核心组成就是：设备端—网关—云端—手机。

 

　　从应用层开发技术的角度来看，物联网应用是基于TCP/IP架构建立，在屏蔽底层的网关协议转换的基础上，物联网应用的组成部分就是：设备端—云端—手机。

 

　　OK，有了以上的介绍，我们就从物联网应用的角度来分析设备、云端、手机直接的消息推送技术，它包括云端和设备端的双向通信技术、手机和云端的双向通信技术。

 

二、移动互联网通信模式

      互联网有B/S和C/S两种通信模式。在移动互联网领域，APP是以C/S的方式以client的角色跟服务器server进行通信；而微信是一个超级APP，其是通过内置浏览器让用户进行H5编程以获得操控硬件设备的能力，因此微信硬件平台的通信模块是B/S模式。

      移动互联网B/S技术跟传统互联网没有区别，微信内置浏览器支持H5，因此可以获得很好的平台扩展性。我们近期重点关注基于微信硬件平台的物联网，因此就围绕B/S模式的消息推送技术讲述其演进。

      HTTP协议是B/S的基础，HTTP有GET和POST两种方式。不知道的请百度，然后再往下看:-)

 

三、消息推送技术演进

1.HTTP单向通信

      浏览器使用html文本标记语言，即浏览器通过HTTP协议向服务器发起请求(请求内容包括URL，即我们常说的网址)，服务器将URL对应的HTML内容通过HTTP协议作为响应传送回给浏览器。

    1）手机端。微信端因为有内置浏览器，其天然支持前端页面。

    2） 云端对手机端推送。云端使用JSP/php等技术开发设计前端网页和简单的逻辑即可。

      3）设备端。设备端上线时或者访问服务端参数等内容时需要模拟HTTP协议（C语言）向服务器发起请求，而请求的格式一般不使用HTML，而是使用较为简单的XML或者JSON协议格式。

      4）云端对设备端推送。云端使用HttpServlet（即使用http协议的servlet）对设备的HTTP请求进行响应，回复XML或者JSON格式的消息。

      5）缺点。这种方式通信方式的特点就是一请求一响应，总是要客户端向服务器发出请求，服务器才给予响应。服务器从来都不会主动给客户端发消息，而且在客户端发出请求后，服务器也只是回复一次。这种HTTP单向通信方式在互联网领域发挥巨大的作用，就是服务器端可以是无状态的，极大地简化了服务器的服务流程，提高效率。但在物联网领域，我们要求的是双向的通信能力。服务端要能主动给设备端或者手机发出消息。

      在这种模式下，我们怎么做双向通信呢？唯一的做法就是客户端不断地发出请求（或者周期性），服务器不断地给予回复。这种模式下的缺点显而易见：一是网络负载重，服务器每次响应后都会关闭连接，所以每次通信都得重新握手。HTTP协议的头内容的长度可不小。二是实时性差。一般设备端都是周期性地轮询服务器是否有新的消息，轮询的方式是不能获得好的实时性的。三、浏览器端每次发出请求是以HTML全部内容来响应的，消息长度过大，在这种情况下，会发现浏览器页面不断地刷新。

 

2.Ajax轮询

      Ajax技术是浏览器支持的一种javascript技术。其能够局部改善用户体验技术，让用户在不察觉浏览器页面刷新的情况向服务器发出请求，并获得响应。其原理是：

1）微信浏览器发出URL页面请求，服务器响应HTML页面内容。

2）HTML页面使用js调用XMLHttpRequest来向服务器发出异步通信请求。

3）服务器响应XML格式数据给浏览器页面。

4）HTML页面使用DOM模型来动态刷新页面元素。

      Ajax技术是微信硬件平台框架中推荐的页面交互技术，但其本质还是遵守HTTP单向通信的规则，只是页面交互时不需要刷新整个页面。其双向通信实时性问题依然未能解决。

 

3.Websocket

      Websocket是HTML5支持的一种新的协议，它能够真正支持浏览器和服务器之间进行双向通信。Tomcat7及以上版本也已经支持Websocket API。

      1）为了能够兼容浏览器HTTP协议，Websocket规定在第一次发起请求时依然要发出符合HTTP协议规范的Header，但其Connection域的值是Upgrade，并增加Upgrade域，值是socket，即告知服务器，即将建立的通信是Websocket双向通信。服务器如果接受，会返回101给客户端进行协议切换。

      2）接下来的通信将不再以HTTP作为传输协议，而是使用Websocket规定的数据格式进行通信，其分为控制帧和数据帧。控制帧是发出心跳帧（ping），而服务器响应pong，还有结束帧；数据帧就是真实数据格式，其格式头只有6个字节（2个字节头和4个字节的掩码），后面就是真实的数据（经过掩码转换）。比HTTP格式头的长度要小多了。

      3）客户端和服务器之间是一直保持连接，直到close，当前期间要发发2个字节的3字节的ping帧。

      可见Websocket比ajax有了极大的改进。其不仅省掉经常要连接握手，还简化的协议的格式，最重要的是实时性得到保证，因为双方是真正的全双工通信。

      微信浏览器客户端支持Websocket，服务器使用Tomcat7以上的WebsocketServlet类，设备端要根据Websocket协议用C语言来模拟通信。

      我们在用设备端模拟Websocket通信协议时一般会先看协议，再用HttpWatch等工具来抓包，抓到的头是GET ws://ip:port/path，如果在C语言也是这样模拟发包则会报400 bad request。因为C语言利用socket建立通信时已经利用了IP和port了，其发的第一个包的头是GET/path即可，不能在其前面加上ws://ip:port/。

 

4.MQTT

      以上的分析都是将移动互联网的技术运用到物联网，其都有一个特定就是建立连接时会传送URL地址，由两个角色是客户端和服务器，这种架构我们一般称为是RESTful架构（另外，还有SOAP 面向应用的web services架构）。RESTful架构在互联网得到越来越广泛的运用，但物联网除了互联之外，还有其独有的特征，就是其终端设备的资源有限、低功耗运用场景、网络连接环境差（时不时断开连接）等。用C语言模拟的方式来使用RESTful架构（如Websocket）会使得终端的负荷较重，而且服务器发给终端设备的消息有可能因为断开连接而收不到。

      MQTT是IBM针对物联网退出的一种轻量级协议，建立于TCP/IP层协议之上。其是物联网的重要组成部分，可能会成为物联网的事实标准。其具有QoS，能够缓冲消息，并通过重传机制保证终端设备收到消息；其消息格式极其简化，最短是两个字节；其提供订阅和发布模式，高效推送消息。

      MQTT有三个角色，包括服务器代理、订阅者和发布者。

　　1）启动服务器代理。

　　2）订阅者向服务器代理订阅相关主题。

　　3）发布者向服务器代理发布主题信息。

　　4）服务器代理想所有订阅该主题的订阅者推送消息。

　　MQTT有C/C++语言和JAVA包实现。需要明确的是，MQTT更适用于设备终端和手机APP socket通信，而不能支持浏览器使用。如果要支持微信浏览器应用，还需要增加类似WebsocketServlet技术给浏览器提供支持，这时MQTT以JS接口进行封装，并被调用完成消息推送。

 

5.CoAP

       CoAP是受限制的应用协议(ConstrainedApplication Protocol)的代名词。其基于UDP协议，也就是在设备终端上只需要底层实现UDP协议，而不需要实现较为复杂的TCP协议。这种协议用得比较小。笔者也没有用C语言模拟过，就不展开了。

 

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