物联网核心协议—消息推送技术演进
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技術。
? ? ? 在上一篇《一張圖讀懂基于微信硬件平臺的物聯網架構》博文中，筆者曾用一張大圖詳細描述了基于微信硬件平臺的物聯網架構的組成要素、關鍵場景、和通信協議（應用層和TCP/IP層）。本文則重點描述物聯網各部分之間的通信技術實現。
? ? ? 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。
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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）：
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可見，核心組成就是物聯設備things、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。
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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分出來。這樣物聯網核心組成就是：設備端—網關—云端—手機。
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從應用層開發技術的角度來看，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。
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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。
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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。不知道的請百度，然后再往下看:-)
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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。
? ? 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） 云端對手機端推送。云端使用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）向服務器發起請求，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）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。
????? 5）缺點。這種方式通信方式的特點就是一請求一響應，總是要客戶端向服務器發出請求，服務器才給予響應。服務器從來都不會主動給客戶端發消息，而且在客戶端發出請求后，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揮巨大的作用，就是服務器端可以是無狀態的，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：一是網絡負載重，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。二是實時性差。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。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。
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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出請求，并獲得響應。其原理是：
1）微信瀏覽器發出URL頁面請求，服務器響應HTML頁面內容。
2）HTML頁面使用js調用XMLHttpRequest來向服務器發出異步通信請求。
3）服務器響應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。
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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。
????? 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。
????? 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（2個字節頭和4個字節的掩碼），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。
????? 3）客戶端和服務器之間是一直保持連接，直到close，當前期間要發發2個字節的3字節的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/。
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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，建立于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，能夠緩沖消息，并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，最短是兩個字節；其提供訂閱和發布模式，高效推送消息。
????? MQTT有三個角色，包括服務器代理、訂閱者和發布者。
1）啟動服務器代理。
2）訂閱者向服務器代理訂閱相關主題。
3）發布者向服務器代理發布主題信息。
4）服務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更適用于設備終端和手機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接口進行封裝，并被調用完成消息推送。
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5.CoAP
????? ?CoAP是受限制的應用協議(ConstrainedApplication Protocol)的代名詞。其基于UDP協議，也就是在設備終端上只需要底層實現UDP協議，而不需要實現較為復雜的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。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的物联网核心协议—消息推送技术演进的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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