《 HaaS 开发框架和物联网通信基础》（二）| 学习笔记

开发者学堂课程【HaaS 物联网云端一体低代码开发课程：《 HaaS 开发框架和物联网通信基础》 】学习笔记，与课程紧密联系，让用户快速学习知识。

课程地址：https://developer.aliyun.com/learning/course/810/detail/13910

《 HaaS 开发框架和物联网通信基础》

目录

一、 物联网通信协议介绍

二、 Wi-Fi 基础知识

三、 Wi-Fi 连线过程介绍

四、 物联网应用层协议 -MQTT

 

一、 物联网通信协议介绍

物联网网络接口层常用协议：

按照传输距离的远近可以分为低功耗广域网和低功耗局域网。

低功耗广域网：4G，LoRa，NB-IOT 等

低功耗局域网：WIFI、蓝牙、ZTB、红外等

 

二、 Wi-Fi 基础知识

1. Wi-Fi 历史

Wi-Fi 是以代次来命名，Wi-Fi 4是最常用的，IEEE 协议规范是 IEEE802.11n。

2. Wi-Fi 物理层

3．2.4G 信道

4. Wi-Fi 基础知识

基本概念

BSS ( Basic Service Set ）基本服务集合分如下两种：

Ø IBSS: 独立型基本服务集( Independent BSS )

Ø BSS: 基础结构型基本服务集( Infrastructure BSS )

Ø ESS: 将几个 BSS 连为延伸式 BSS ，使用统一的服务组成识别码( Service Set ldentifier），简称 SSID，也就是我们看到的路由器名称

Wi-Fi 的两种工作模式:

Ø Station: 网络中的客户端角色

Ø AP(Access Point): 网络中的服务端角色，是靠48位的 MAC 地址区分不同 Station

Ø 一般现在商业上用的都是基础型BSS网络（含 BSS/ESS 和若干个 station )

帧类型

 帧格式

三、 Wi-Fi 连线过程介绍

Wi-Fi 连线过程：

连线

扫描-主动扫描

扫描-被动扫描

扫描

扫描流程：

Ø 手机依此到信道1~信道13上面进行主动扫描和被动监听

Ø 收集到路由器信息之后显示在界面上面，此时就完成了扫描过程

Ø 扫描完成除搜集到周围路由器列表外，还可以收集到路由器的的配置信息（加密模式，带宽，信道等802.11规范中定义的可以放在 IE 栏位中的信息)

扫描流程中会用到三种类型的报文：

Ø Probe request: 手机主动发送，用于探知周围路由器信息，收到此报文的路由器（设置为隐藏的路由器除外）需要回复 probe response 帧

Ø Probe response 帧:路由器在收到 Probe request 之后发送

Ø Beacon: 路由器主动定期（一般为100 ms ）发送的信标帧，用于标识自身的存在

下面以 probe request 和 probe response 帧为例介绍其报文格式:

Probe request 报文：

Probe response 报文格式：

Wi-Fi 认证方式：

开放系统认证：                 共享密钥认证：

     

四次握手-以 WPA-PSK 为例

DHCP

四、 物联网应用层协议- MQTT

 物联网常用应用层协议

1.MQTT ( Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)

最早由 IBM 开发的，专门为计算能力有限，工作在低带宽，不可靠网络的控制设备进行通信而设计的。

基于 TCP/IP 常连接，开销小，支持 QoS。

基于订阅/发布模式，支持多对多的协议。

2. COAP ( Constrained Application Protocol，受限制的应用协议)

基于 UDP，采用请求响应（类 http ）的工作模式

无连接，只支持一对一

一般来说， loT 设备与云端通信用用 MQTT 协议的多一些，局域网通信一般采用 CoAP 协议。

why MQTT/CoAP, not http/https?

Ø loT 设备跟云端进行交互的消息一般都比较短，http/https 协议头部少则几十多则上百字节，以30个字节为例，Payload length  <128时， payload 占比:3%~81%，传输效率相比 MQTTICoAP 低太多。

其次 http/https 对计算能力要求较高，不适合计算能力有限的 loT 设备，在 loT 领域应用相对比较少。

发布者/订阅者模式:

分为发布者( Publish )、代理（ Broker ）服务器、订阅者（ Subscribe ）三种角色

消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者也可以同时是订阅者。

客户端和服务器的两种角色

客户端

MQTT 连线的发起者

发布消息供到其它订阅者订阅的主题

订阅/退订主题(用于接收其它客户端向该主题发布的消息)·服务器

接收来自客户端的连线请求

接收客户端的的订阅/退订主题需求

向订阅的客户端转发其订阅主题的消息

MQTT QOS 机制

MQTT 传输的消息分为：主题和负载两部分。

主题( Topic )

消息的类型，订阅者订阅( Subscribe ）一个主题后，就会收到该主题的消息内容( payload )

负载( payload )

消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容

MQTT 会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。MQTT 协议中规定了消息服务质量 ( Quality of Service )，它保证了在不同的网络环境下消息传递的可靠性，QoS 的设计是 MQTT 协议里的重点。作为专为物联网场景设计的协议，MQTT 的运行场景不仅仅是 PC ，而是更广泛的窄带宽网络和低功耗设备，如果能在协议层解决传输质量的问题，将为物联网应用的开发提供极大便利。

MQTT 设计了3个 QoS 等级。

QoS 0 ：消息最多传递一次，如果当时客户端不可用，则会丢失该消息。QoS 1：消息传递至少1次。

QoS 2：消息仅传送一次。

QoS0 是一种" fire and forget "的消息发送模式：Sender (可能是 Publisher 或者 Broker )发送一条消息之后，就不再关心它有没有发送到对方，也不设置任何重发机制。

QoS 1 包含了简单的重发机制，Sender 发送消息之后等待接收者的 ACK ，如果没收到 ACK 则重新发送消息。这种模式能保证消息至少能到达一次，但无法保证消息重复。

QoS 2 设计了重发和重复消息发现机制，保证消息到达对方并且严格只到达一次。

MQTT Qos0

QoS0: - Fire and Forget 机制，一般局域网信息或无关紧要的互联网信息传输。

最多传输一次

适用于不重要的消息传输

MQTT Qos1

QoS1：-简单的 ACK 机制，适用于一般互联网实时消息的传递。

最少传输一次

适用于对可靠性有要求，但对重复度没有要求的消息传输

 

MQTT QOS2

QoS2 :-复杂的消息及 ACK 流程，适用于敏感信息（如国防工业及医疗设备等应用场景）的传递。

只传输一次

适用于有可靠性要求，也不允许发生重复的消息传输

 MQTT 数据帧类型

MQTT 一般应用流程