国内物联网平台初探（二） ——阿里云物联网套件

架构

数据通道

为设备和物联网应用程序提供发布和接收消息的安全通道。数据通道目前支持CCP协议和MQTT协议。

• 用户可以基于CCP协议实现Pub/Sub异步通信，也可以使用远程调用（RPC）的通信模式实现设备端与云端的通信。
• 用户也可以基于开源协议MQTT协议连接阿里云IoT，实现Pub/Sub异步通信。

 

安全认证&权限策略

为每个设备颁发阿里云IoT的凭证，依赖凭证才能连接阿里云IoT。

• 提供设备级的授权粒度，任何设备必须经过授权才能对某个Topic发布订阅消息
• 服务端也需要经过授权才能操作其他账号下的Topic

 

设备共享平台

• 提供Topic跨账号的授权，帮助用户实现跨厂商的数据共享，进而实现更加丰富智能的场景。

 

规则引擎

• 为用户提供类SQL语言的规则引擎，帮助用户过滤数据、处理数据，并能够发送数据到阿里云其他服务，例如RDS,OTS，ONS等等，也能够发送到数据到其他Topic。

 

设备快照（待上线）

• 保存设备的最新状态或者APP希望的最新状态在云端，然后当设备或APP连接上来时，同步状态给设备或APP。

 

应用场景

• 设备端实时请求云端
  • 物联网设备调用云端服务需要返回结果给设备，方便设备作相应处理。例如用户通过智能音箱调用云端语音解析服务，设备可以实时得到解析结果做处理。
• 云端实时请求设备端
  • 开发者通过云端控制设备时，需要知道控制有没有成功，例如请求打开灯，用户需要得知灯是否打开，这就需要设备端返回结果给云端
• 设备端与云端的异步请求
  • 有很多物联网设备之间有互联互通的需求。例如家里的门打开之后，灯和空调就打开。这种场景就可以基于阿里云物联网套件实现，将门的打开这个消息Pub到某个Topic，然后灯以及空调Sub该Topic得到的门打开的消息作相应的处理。
• 跨厂商设备互联互通
  • 不同厂商的设备具有互联互通的需求，例如A厂商的手环通过检测用户的身体状态来控制B厂商的空气净化器以及C厂商的空调。

 

功能

• 设备接入
  • 快速接入：提供设备端SDK，方便客户快速连接阿里云IoT数据通道
  • 安全接入：提供设备端安全的认证方法，确保设备在云端的安全以及合法性
• 云端服务
  • 消息转发：消息路由转发，实现M2M、端到云、云到端等多样化消息互通场景
  • 设备授权：提供设备级的权限粒度，保证消息的安全性
  • 规则引擎：提供规则引擎，与其它阿里云产品无缝衔接，快捷的构建IoT应用
• 互联互通
  • 提供Topic跨账号的授权，帮助厂商实现与不同厂商的设备互联互通，开发丰富多彩的IoT应用

 

名词解释

 

阿里云物联网套件限制

 

设备接入云端的协议

• 基于CCP接入（MQTT协议的精简版）
  • 协议本身具备安全算法，不依赖TLS算法
  • 协议大小更精简，包头，payload占用字节更少。例如header只有1个字节
  • 协议支持多种通信模式，相对于MQTT，不仅支持Pub/Sub，还支持RPC/RRPC
• 基于MQTT接入
  • 被广泛用在嵌入式设备的消息传输上
• COAP（待上线）
  • CoAP是一种软件协议旨在用于非常简单的电子设备,让他们通过互联网交互通信。详情请访问COAP
• HTTP（待上线）
  • 数据通道支持设备通过HTTP协议用REST API的方式连接阿里云IoT。设备可以通过POST方式实现Pub消息到某个Topic。

 

全链路加密

整个通信链锯以RSA，AES加密，保证数据传输的安全。

消息实时到达

当设备与阿里云IoT建立数据通道后，阿里云IoT会与设备保持长连接，减少握手时间，保证消息的实时到达。

支持数据透传

设备数据可以基于数据通道以二进制方式透传的方式传到自己的服务器上（只支持在阿里云上购买的产品），阿里云IoT不会保存设备业务数据，从而保证用户对数据的安全可控性。

支持多种通信模式

数据通道支持RPC/RRPC以及Pub/Sub两种通信模式，满足用户不同的应用场景。

 

设备接入云端的协议 – 基于CCP接入

基于CCP接入云端,主要包含两大流程:

• 设备的认证
• 设备接入数据通道

 

A：设备使用控制台申请的密钥进行签名请求授权,签名使用 hmacmd5算法(可选 hmacsha1),签名内容=devieceid+appkey,使用key=appSecret+deviceSecret

B：服务器验证签名合法,并返回pubkey证书

C：设备生成随机密钥seedkey,使用pubkey RSA加密传输给服务器

D：服务器确认返回令牌 sid ,同时返回签名sign,签名内容=sid,签名的key=appSecret+deviceSecret,同时返回动态负载的接入服务器ip供设备连接

E：客户端使用私钥seedkey解密令牌,进行数据通信,客户端可选协议模式支持ccpmqttcoap…

 

设备接入云端的协议 – 基于MQTT接入

基于MQTT接入云端,主要包含两大流程:

• 设备获取证书
• 设备接入数据通道

 

A：设备使用控制台申请的密钥进行签名请求授权,签名使用 hmacmd5算法(可选 hmacsha1、md5),签名内容=devieceid+appkey,使用key=appSecret+deviceSecret

B：服务器验证签名合法,并返回pubkey证书（X.509格式base64）

C：设备使用pubkey证书TLS协议连接MQTT

 

通信模式

IoT Hub支持两种通信模式：

• RPC/Revert-RPC
• Pub/Sub

 

通信模式 – RPC/Revert-RPC

RPC/Revert-RPC（CCP协议具有的通信模式）

• RPC是将用户的设备数据通过阿里云转发到用户自己的业务系统，比如可以用户可以将自己设备上报的服务注册到阿里云IoT上，然后设备直接可以调用该服务，完成数据上报；
• R-RPC是用户的业务系统远程调用客户端并等待客户端得到一个回执结果，比如远程调用开关并得到开关的状态信息。

 

 

通信模式 – Pub/Sub

Pub/Sub（CCP协议和MQTT都支持）

• Pub/Sub是基于Topic进行消息的路由转发，让设备端或者服务端可以发布订阅消息，实现异步的通信。适用的场景有M2M（设备与设备间通信），也可以实现设备端与云端的异步通信。
• IoT Hub维护所有Topic的发布订阅用户列表。当消息发送到Topic，IoT Hub会检查该Topic的所有订阅用户，然后将消息转发给所有具有订阅该Topic权限的客户端或者服务端。

 

身份和安全

• 每个设备需要具备阿里云IoT颁发的凭证才能连接阿里云IoT；
• 设备与云端通信采用AES、RSA算法加密，从而保证数据传输安全;
• 为了安全地基于数据通道传输数据，设备有责任保持他们的凭证安全;
• 数据到达阿里云IoT之后,阿里云IoT通过权限机制保障数据安全转发到其他阿里云服务或者其他设备。

 

设备身份

为设备颁发凭证，包括产品证书和设备证书，设备证书与设备是一对一的关系，确保设备的唯一合法性。设备通过CCP协议或者MQTT协议接入数据通道之前，都需要进行设备认证，设备认证需要携带产品证书和设备证书进行认证。

通信安全

采用RSA-512bit、AES算法来保证数据通道的传输安全。

授权

提供设备级的授权粒度。

对于设备端，设备必须具有权限，才可以往某个Topic发布订阅消息，这让用户可以完全控制Topic的消息转发，帮助用户控制数据的安全性；

对于服务端，服务端基于阿里云AK默认具有该账号下Topic的操作权限，但是如果想要操作其他账号下的Topic需要相应的权限。

 

规则引擎

• SQL表达式：把一条规则抽象为一条sql表达

例子：

SELECT crypto(userId,’SHA1′) md2, (a+1) al, color c, config.flag flag, deviceId(),CASE col.a WHEN 1 THEN ‘Y’ ELSE ‘N’ END flagFROM”/12345/#”WHEREc is not null and b

select参数和where条件可以使用消息的payload属性作为列，不支持子查询。

 

规则引擎

1 – FROM “topic”

当有符合topic规则的消息到达时，消息的payload数据以json形式被上下文环境使用(如果消息格式不合法,将忽略此消息),您可以使用topic()函数引用具体的topic值。

2- SELECT

select的属性来源于消息的payload，可以使用json表达式形式引用，也可以来源于函数比如deviceId()。

3- WHERE

规则触发条件，条件表达式。当符合topic的消息到达时，这条消息触发规则的条件。

4- json表达式

select和where可以直接使用json表达式。 json表达式支持属性，也支持数组。如果payload数据解析出错将会导致规则运行失败。 转发数据action中的表达式需要使用 ${表达式} 来使用。

 

平台功能与界面 – 创建产品

 

平台功能与界面 – 产品信息

 

平台功能与界面 – 添加设备

 

平台功能与界面 – 设备信息

 

平台功能与界面 – 设备授权

 

平台功能与界面 – 批量下载设备ID

 

平台功能与界面 – 服务配置

服务配置的所有功能目前只支持CCP协议接入的设备，MQTT协议接入的设备不能使用该功能

 

平台功能与界面 – Topic管理

CCP协议和MQTT协议都支持Pub/Sub的通信方式，Pub/Sub是基于Topic路由转发消息的。Topic是动态创建的，用户可以通过服务端调用OpenAPI或者设备端调用协议方法往某个Topic中发布消息，云端自动判断该Topic是否存在，不存在即创建。

 

平台功能与界面 – Topic信息

消息内容将会转换成二进制分发给订阅者。所以如果发布的是JSON格式的消息，订阅者只能拿到转码过后的二进制数据，如果想要拿到JSON数据，需要再进行UTF-8转换成JSON。

 

阿里云物联网套件OPEN API

阿里云物联网套件Open API分为以下3类：

• 控制指令接口
  • 推送数据给设备并得到响应
  • 推送数据给设备不需要得到响应
• 设备互联接口
  • 发消息到指定的Topic
  • 订阅指定Topic
  • 取消订阅指定Topic
• 授权相关接口
  • 指定设备授权
  • 通过ID撤销设备权限
  • 通过Topic撤销设备权限
  • 修改设备权限
  • 列出设备的权限

 

控制指令接口只适用CCP协议接入的设备；

设备互联接口和授权相关接口适用于CCP或者MQTT协议接入的设备。

 

阿里云物联网套件OPEN API

调用方式

通过向API的服务端地址发送HTTP GET请求，并按照接口说明在请求中加入相应请求参数来完成的；根据请求的处理情况，系统会返回处理结果。

请求结构

• Iot API的服务接入地址为：iot.aliyuncs.com
• 通信协议：支持通过HTTP或HTTPS通道进行请求通信。为了获得更高的安全性，推荐您使用HTTPS通道发送请求。
• 请求方法：支持HTTP GET方法发送请求，这种方式下请求参数需要包含在请求的URL中。
• 请求参数：每个请求都需要指定要执行的操作，即Action参数（例如Sub），以及每个操作都需要包含的公共请求参数和指定操作所特有的请求参数。
• 字符编码：请求及返回结果都使用UTF-8字符集进行编码。

 

阿里云物联网套件OPEN API

签名机制

IOT服务会对每个访问的请求进行身份验证，所以无论使用HTTP还是HTTPS协议提交请求，都需要在请求中包含签名（Signature）信息。

IOT服务通过使用Access Key ID和Access Key Secret进行对称加密的方法来验证请求的发送者身份。

Access Key ID和Access Key Secret由阿里云官方颁发给访问者（可以通过阿里云官方网站申请和管理），

其中Access Key ID用于标识访问者的身份；Access Key Secret是用于加密签名字符串和服务器端验证签名字符串的密钥，必须严格保密，只有阿里云和用户知道。

 

物联网IOT服务端SDK

目前仅支持Java SDK和PHP SDK

API列表

 

物联网IOT服务端SDK示例（以Java为例）

1、引入SDK

 

2、初始化

 

3、发起调用（以推送数据到设备为例）

RevertRpcRequest rpcRequest = new RevertRpcRequest(); rpcRequest.setDeviceId(“11a936267d2a4b6eb7b4cb8549fc1fa7”);//设备接入时候得到ID rpcRequest.setAppKey(appKey);//设备接入时候填写的appKey rpcRequest.setTimeOut(5000); //超时时间，单位毫秒.如果超过这个时间设备没反应则返回”TIMEOUT” rpcRequest.setRpcContent(“aGVsbG8gd29ybGQ=”);//推送给设备的数据.数据要求二进制数据做一次BASE64编码.(示例里面是”helloworld”编码后的值) RevertRpcResponse rpcResponse = client.getAcsResponse(rpcRequest); System.out.println(rpcResponse.getResponseContent());//得到设备返回的数据信息. System.out.println(rpcResponse.getRpcCode());//对应的响应码( TIMEOUT/SUCCESS/OFFLINE等)