第11章-物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

|第11章物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議|本章知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)完本章后，應(yīng)當(dāng)掌握如下知識(shí)：

11.1TCP/IP體系

11.2物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

11.3CoAP協(xié)議

11.1TCP/IP體系TCP/IP體系計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于1977年成立專門(mén)機(jī)構(gòu)研究該問(wèn)題，最終提出使各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)框架，即開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），簡(jiǎn)稱OSI。TCP/IP體系如圖所示，OSI模型結(jié)構(gòu)具有七層，對(duì)應(yīng)的TCP/IP結(jié)構(gòu)是五層。并且，由于互聯(lián)網(wǎng)采用的TCP/IP在OSI提出之前已經(jīng)獲得可觀的市場(chǎng)，因此，TCP/IP常被認(rèn)為是事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。OSI和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)物理層：物理層（PhysicalLayer）上傳輸數(shù)據(jù)的單位是比特。物理層的任務(wù)就是透明地傳輸比特流，即發(fā)送方發(fā)送1（或0）時(shí)，接收方應(yīng)當(dāng)收到1（或0），而不是0（或1）。因此，物理層要考慮用多大的電壓代表1（或0），以及接收方如何識(shí)別出發(fā)送方所發(fā)送的比特。物理層還要確定連接電纜的插頭應(yīng)當(dāng)有多少個(gè)引腳以及各引腳應(yīng)如何連接。物理媒介是第0層。物理媒介就是把計(jì)算機(jī)連接起來(lái)的物理手段，常見(jiàn)的物理媒介有光纖、雙絞線及無(wú)線電波，其決定了電信號(hào)（0和1）的傳輸方式。物理媒介的不同決定了電信號(hào)的傳輸帶寬、速率、傳輸距離及抗干擾性等各有不同。TCP/IP體系物理層：當(dāng)通過(guò)HTTP發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)協(xié)議依次對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行封裝并攜帶對(duì)應(yīng)的首部，最終在數(shù)據(jù)鏈路層上生成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過(guò)物理媒介傳輸給對(duì)方主機(jī)，對(duì)方接收到數(shù)據(jù)包以后，再一層一層地采用對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行拆包，最后把應(yīng)用層數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序處理。TCP/IP體系TCP/IP數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）簡(jiǎn)稱為鏈路層。兩個(gè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)需要在一段段的鏈路上連續(xù)傳輸，每條鏈路的兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)（主機(jī)和路由器，或兩個(gè)路由器）采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳輸數(shù)據(jù)。此時(shí)需要提供數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議約定相鄰結(jié)點(diǎn)之間的交互，以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)鏈路上“透明”地傳輸數(shù)據(jù)幀。每一幀數(shù)據(jù)包括有效數(shù)據(jù)字段和必要的控制信息，如同步信息、地址信息和差錯(cuò)控制等。數(shù)據(jù)鏈路層的主要工作就是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分組并形成具有特定意義的數(shù)據(jù)幀，再以廣播的形式通過(guò)物理媒介將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給接收方。TCP/IP體系數(shù)據(jù)鏈路層：整個(gè)數(shù)據(jù)幀由首部、數(shù)據(jù)和尾部三部分組成，首部固定為14字節(jié)，包含了目的MAC地址、源MAC地址和類型；數(shù)據(jù)最短為46字節(jié)，最長(zhǎng)為1500字節(jié)，如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很長(zhǎng)，則必須將其分割成多個(gè)幀進(jìn)行發(fā)送；尾部固定為4字節(jié)，表示數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)序列，用于確定數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)了損壞。因此，以太網(wǎng)協(xié)議對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分組并形成數(shù)據(jù)幀，再通過(guò)物理媒介把數(shù)據(jù)幀發(fā)送給接收方。TCP/IP體系以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包示例網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機(jī)提供通信服務(wù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層把傳輸層產(chǎn)生的報(bào)文段或用戶數(shù)據(jù)報(bào)封裝為分組或包進(jìn)行傳輸。在TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，由于網(wǎng)絡(luò)層使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（InternetProtocol，IP），因此分組也叫作IP數(shù)據(jù)報(bào)，簡(jiǎn)稱為數(shù)據(jù)報(bào)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)選擇合適的路由，使得源主機(jī)傳輸層的分組通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的路由器找到目的主機(jī)?；ヂ?lián)網(wǎng)由大量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由器相互連接起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議可選擇IP或其他多種路由協(xié)議，故網(wǎng)絡(luò)層也被稱為網(wǎng)際層或IP層。綜上，網(wǎng)絡(luò)層的主要工作是定義網(wǎng)絡(luò)地址、區(qū)分網(wǎng)段、尋找子網(wǎng)內(nèi)的MAC地址，以及對(duì)不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由。TCP/IP體系傳輸層：傳輸層（TransportLayer）負(fù)責(zé)向兩個(gè)主機(jī)中的進(jìn)程之間提供通信服務(wù)。由于一個(gè)主機(jī)可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，因此傳輸層具有復(fù)用和分用的功能。其中，復(fù)用是指多個(gè)應(yīng)用層可同時(shí)使用傳輸層的服務(wù)，分用是指?jìng)鬏攲訉⑹盏降男畔⒎謩e交付給應(yīng)用層中的對(duì)應(yīng)進(jìn)程。傳輸層主要使用以下兩種協(xié)議。（1）傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）：面向連接的，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?bào)文段（Segment），能夠提供可靠的交付。（2）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）：無(wú)連接的，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇怯脩魯?shù)據(jù)報(bào)，不保證提供可靠的交付，只能提供“盡最大努力交付”。TCP/IP體系傳輸層：數(shù)據(jù)鏈路層定義了主機(jī)的身份，即MAC地址，而網(wǎng)絡(luò)層定義了IP地址，明確了主機(jī)所在的網(wǎng)段，有了這兩個(gè)地址，數(shù)據(jù)包就可以從一個(gè)主機(jī)發(fā)送到另一個(gè)主機(jī)。實(shí)際上，數(shù)據(jù)包是從一個(gè)主機(jī)的某個(gè)應(yīng)用程序發(fā)出，并由對(duì)方主機(jī)的應(yīng)用程序接收的，而每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有可能同時(shí)運(yùn)行著多個(gè)應(yīng)用程序，所以當(dāng)數(shù)據(jù)包被發(fā)送到主機(jī)上以后，是無(wú)法確定哪個(gè)應(yīng)用程序要接收這個(gè)包的。因此，傳輸層引入了UDP來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，為了給每個(gè)應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)身份，UDP定義了端口，同一個(gè)主機(jī)上的每個(gè)應(yīng)用程序都需要指定唯一的端口號(hào)，并規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包必須加上端口信息。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)主機(jī)以后，可以根據(jù)端口號(hào)找到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。TCP/IP體系傳輸層：UDP定義的數(shù)據(jù)包叫作UDP數(shù)據(jù)包，其結(jié)構(gòu)如圖所示。TCP/IP體系UDP數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)傳輸層：在TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，UDP層位于網(wǎng)絡(luò)層之上。應(yīng)用程序訪問(wèn)UDP層并使用網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)報(bào)。IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分即為UDP數(shù)據(jù)報(bào)。網(wǎng)絡(luò)層的報(bào)頭指明了源主機(jī)和目的主機(jī)地址，而UDP層的報(bào)頭指明了主機(jī)上的源端口和目的端口。UDP傳輸?shù)亩斡?字節(jié)的報(bào)頭和有效載荷字段構(gòu)成。UDP報(bào)頭由4個(gè)域組成，其中每個(gè)域各占用2字節(jié)，包括源端口號(hào)、目的端口號(hào)、數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度、校驗(yàn)和。UDP整個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度最大可為65535字節(jié)。TCP/IP體系傳輸層：為了保證傳輸?shù)目煽啃?，TCP在UDP的基礎(chǔ)之上建立了3次對(duì)話的確認(rèn)機(jī)制，也就是說(shuō)，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方建立可靠的連接。由于建立過(guò)程較為復(fù)雜，這里給出以下示例。主機(jī)A：我想發(fā)數(shù)據(jù)給你，可以嗎？主機(jī)B：可以，你什么時(shí)候發(fā)？主機(jī)A：我馬上發(fā)，你接著！經(jīng)過(guò)類似于上面的3次對(duì)話之后，主機(jī)A才會(huì)向主機(jī)B發(fā)送正式數(shù)據(jù)，而UDP是面向非連接的協(xié)議，它不與對(duì)方建立連接，而是直接發(fā)送數(shù)據(jù)包。TCP能夠保證數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中不被丟失，因此相對(duì)于UDP，TCP實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，消耗連接資源多，傳輸速率相對(duì)較慢。TCP/IP體系應(yīng)用層：應(yīng)用層（ApplicationLayer）是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的最高層，它直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。這里的進(jìn)程指的就是正在運(yùn)行的程序。理論上講，有了以上四層的支持，數(shù)據(jù)已經(jīng)可以從一臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序傳輸?shù)搅硪慌_(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序，但此時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字節(jié)流，不能很好地被程序識(shí)別，操作性差。因此，應(yīng)用層定義了各種各樣的協(xié)議來(lái)規(guī)范數(shù)據(jù)格式，常見(jiàn)的有HTTP、FTP、SMTP等，HTTP是一種比較常用的應(yīng)用層協(xié)議，主要用于B/S架構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。TCP/IP體系11.2物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖所示。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)中常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備直接與一個(gè)中央集線器（網(wǎng)關(guān)）相連，該集線器會(huì)傳輸來(lái)自上游連接設(shè)備的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，設(shè)備與傳輸距離內(nèi)的其他設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)相連，這些設(shè)備可充當(dāng)簡(jiǎn)單的傳感器結(jié)點(diǎn)，也可充當(dāng)路由流量的傳感器結(jié)點(diǎn)，或者充當(dāng)網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，但優(yōu)勢(shì)在于結(jié)點(diǎn)支持路由功能，網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)能力更強(qiáng)，因?yàn)樗鼈儾灰蕾囉趩蝹€(gè)中央網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)接口層：網(wǎng)絡(luò)接口層主要包括蜂窩網(wǎng)、IEEE802.15.4、Wi-Fi和Ethernet（以太網(wǎng)）等，以及更專業(yè)的解決方案，如LPWAN、藍(lán)牙低功耗、ZigBee和RFID等。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)識(shí)別和路由數(shù)據(jù)包。物聯(lián)網(wǎng)在該層通常采用的技術(shù)包括IPv6、6LoWPAN和RPL等。（1）IPv6網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備由IP地址標(biāo)識(shí)，如IPv4和IPv6。IPv4被限定為32位地址，總共提供約43億個(gè)地址，因此對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入有制約影響。IPv6采用128位地址，可提供2128個(gè)地址。除了以公共地址的方式進(jìn)行管理外，針對(duì)未來(lái)部署于私有網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，私有網(wǎng)絡(luò)可給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分配私有地址，此時(shí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可通過(guò)網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層：（2）6LoWPANIPv6低功耗無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（6LoWPAN）標(biāo)準(zhǔn)允許在IEEE802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6。6LoWPAN可用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于家庭自動(dòng)化設(shè)備的Thread協(xié)議也在6LoWPAN協(xié)議上運(yùn)行。（3）RPLRPL協(xié)議是距離矢量路由協(xié)議。RPL通過(guò)根結(jié)點(diǎn)構(gòu)建有向無(wú)環(huán)圖，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一條到達(dá)根結(jié)點(diǎn)的路徑。結(jié)點(diǎn)與根結(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離通過(guò)層級(jí)（Rank）來(lái)表示，結(jié)點(diǎn)的層級(jí)沿著根結(jié)點(diǎn)到葉子結(jié)點(diǎn)的方向嚴(yán)格遞增。RPL使用目標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的路徑成本，從而選取最優(yōu)路徑。由于RPL協(xié)議將路由轉(zhuǎn)發(fā)、處理和路由路徑的優(yōu)化分離開(kāi)來(lái)，因此RPL針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景具有很高的靈活性。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層：HTTP和HTTPS在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中隨處可見(jiàn)，在物聯(lián)網(wǎng)中也是如此，物聯(lián)網(wǎng)中廣泛部署了RESTfulHTTP和HTTPS接口。MQTT、AMQP和XMPP等消息協(xié)議常用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，而CoAP（ConstrainedApplicationProtocol，受限應(yīng)用協(xié)議）是一種輕量級(jí)HTTP，也常與基于UDP的6LoWPAN結(jié)合使用。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)11.3CoAP協(xié)議CoAP協(xié)議概述傳統(tǒng)的HTTP過(guò)于復(fù)雜，對(duì)終端資源要求較高。IETF應(yīng)用領(lǐng)域工作組之一的受限RESTful環(huán)境（ConstrainedRestfulEnvironments，CoRE）小組希望針對(duì)資源受限的結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于REST架構(gòu)的一種合理的通用Web協(xié)議，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足受限環(huán)境的特殊需求，以便很好地適用于M2M應(yīng)用。目前，國(guó)際上研究CoAP的組織除了IETF外，還有IEEE、ZigBee等。CoAP在應(yīng)用終端間提供請(qǐng)求/響應(yīng)的交互模式，支持內(nèi)置的資源發(fā)現(xiàn)等。CoAP類似于HTTP，但不是簡(jiǎn)單地對(duì)HTTP進(jìn)行壓縮，而是重新實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類似HTTP的REST子集，以適應(yīng)受限環(huán)境。CoAP協(xié)議棧：CoAP在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的位置等同于HTTP，基于UDP傳輸，可明顯降低開(kāi)銷(xiāo)，并可滿足CoAP請(qǐng)求的多播傳遞，而多播對(duì)于M2M應(yīng)用而言是最重要的需求之一。CoAP采用的是雙層結(jié)構(gòu)，消息（Messages）層處理結(jié)點(diǎn)間的信息交換，同時(shí)提供對(duì)多播和擁塞控制的支持；請(qǐng)求/響應(yīng)（Requests/Responses）層傳輸對(duì)資源進(jìn)行操作的請(qǐng)求和相應(yīng)信息。但是CoAP實(shí)際上是單一的協(xié)議，消息傳輸和響應(yīng)只是CoAP包頭的特征。CoAP協(xié)議CoAP協(xié)議棧：CoAP棧結(jié)構(gòu)如圖所示。CoAP協(xié)議CoAP棧結(jié)構(gòu)CoAP工作機(jī)制：CoAP的消息格式如圖所示。CoAP消息的消息頭后面通常會(huì)攜帶Option字段，之后就是消息的Payload。請(qǐng)求和響應(yīng)消息都采用了這種消息結(jié)構(gòu)。CoAP協(xié)議CoAP消息格式CoAP請(qǐng)求/響應(yīng)：CoAP可靠消息傳輸和不可靠消息傳輸?shù)氖纠鞒倘鐖D所示，其中，CON表示有確認(rèn)消息；NON表示無(wú)確認(rèn)消息；ACK表示確認(rèn)消息。CON消息要求接收方發(fā)送ACK消息以進(jìn)行確認(rèn)，而NON消息不要求接收方進(jìn)行確認(rèn)。圖中方括號(hào)內(nèi)的信息表示消息的ID，即消息序號(hào)。CoAP協(xié)議可靠消息傳輸?shù)氖纠鞒滩豢煽肯鬏數(shù)氖纠鞒藽oAP業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)：業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)是指客戶端主動(dòng)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器和服務(wù)器所提供的服務(wù)。如果一個(gè)客戶端知道了一個(gè)指向服務(wù)器資源的URI地址，那么該客戶端就知道了服務(wù)器的地址，即發(fā)現(xiàn)了這個(gè)服務(wù)器。此