物联网基本框架及关键技术

消息触达能力是物联网（internet ofthings, IOT）的重要支撑，而物联网不少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。

1、物联网架构和关键技术

IP互联架构已经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。

咱们先进一步抽象基于IP架构的物联网组成，以下图（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，一类是其自身自然支持TCP/IP而能直接接入物联网，如wifi、GPRS/3G/4G等设备；另外一类是其未能支持IP协议而须要网关（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，手机实际上是一个网关。

手机经过自身的蓝牙跟外设蓝牙设备通讯，并将消息经过手机的wifi或者3G/4G模块与云服务端通讯。

• 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。所以在上图中能够单独添加手机组成部分，并将其与通常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架构创建，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，咱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讯技术、手机和云端的双向通讯技术。

2、移动互联网通讯模式

互联网有B/S和C/S两种通讯模式。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进行通讯；而微信是一个超级APP，其是经过内置浏览器让用户进行H5编程以得到操控硬件设备的能力，所以微信硬件平台的通讯模块是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，所以能够得到很好的平台扩展性。咱们近期重点关注基于微信硬件平台的物联网，所以就围绕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。

3、消息推送技术演进

1.HTTP单向通讯

浏览器使用HTML文本标记语言，即浏览器经过HTTP协议向服务器发起请求(请求内容包括URL，即咱们常说的网址)，服务器将URL对应的HTML内容经过HTTP协议做为响应传送回给浏览器。

• 1）手机端。微信端由于有内置浏览器，其自然支持前端页面。

• 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便可。

• 3）设备端。设备端上线时或者访问服务端参数等内容时须要模拟HTTP协议（C语言）向服务器发起请求，而请求的格式通常不使用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（即便用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。这种方式通讯方式的特色就是一请求一响应，老是要客户端向服务器发出请求，服务器才给予响应。服务器历来都不会主动给客户端发消息，并且在客户端发出请求后，服务器也只是回复一次。这种HTTP单向通讯方式在互联网领域发挥巨大的做用，就是服务器端能够是无状态的，极大地简化了服务器的服务流程，提升效率。但在物联网领域，咱们要求的是双向的通讯能力。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，咱们怎么作双向通讯呢？惟一的作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链接，因此每次通讯都得从新握手。HTTP协议的头内容的长度可不小。二是实时性差。通常设备端都是周期性地轮询服务器是否有新的消息，轮询的方式是不能得到好的实时性的。3、浏览器端每次发出请求是以HTML所有内容来响应的，消息长度过大，在这种状况下，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。其可以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状况向服务器发出请求，并得到响应。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讯请求。

• 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，但其本质仍是遵照HTTP单向通讯的规则，只是页面交互时不须要刷新整个页面。其双向通讯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，它可以真正支持浏览器和服务器之间进行双向通讯。Tomcat7及以上版本也已经支持Websocket API。

• 1）为了可以兼容浏览器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，并增长Upgrade域，值是socket，即告知服务器，即将创建的通讯是Websocket双向通讯。服务器若是接受，会返回101给客户端进行协议切换。

• 2）接下来的通讯将再也不以HTTP做为传输协议，而是使用Websocket规定的数据格式进行通讯，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（通过掩码转换）。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链接，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。其不只省掉常常要链接握手，还简化的协议的格式，最重要的是实时性获得保证，由于双方是真正的全双工通讯。

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语言来模拟通讯。

咱们在用设备端模拟Websocket通讯协议时通常会先看协议，再用HttpWatch等工具来抓包，抓到的头是GET ws://ip:port/path，若是在C语言也是这样模拟发包则会报400 bad request。由于C语言利用socket创建通讯时已经利用了IP和port了，其发的第一个包的头是GET/path便可，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创建链接时会传送URL地址，由两个角色是客户端和服务器，这种架构咱们通常称为是RESTful架构（另外，还有SOAP 面向应用的web services架构）。RESTful架构在互联网获得愈来愈普遍的运用，但物联网除了互联以外，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、网络链接环境差（时不时断开链接）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，并且服务器发给终端设备的消息有可能由于断开链接而收不到。

MQTT是IBM针对物联网退出的一种轻量级协议，创建于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。其具备QoS，可以缓冲消息，并经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）服务器代理想全部订阅该主题的订阅者推送消息。

MQTT有C/C++语言和JAVA包实现。须要明确的是，MQTT更适用于设备终端和手机APP socket通讯，而不能支持浏览器使用。若是要支持微信浏览器应用，还须要增长相似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须要底层实现UDP协议，而不须要实现较为复杂的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。

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。