CN107181792B - 基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法及装置 - Google Patents

基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备远端智能设备管理方法及装置，其中基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，包括：在拥有独立外网IP的服务器上搭建MQTT服务和n2n VPN服务；远端智能设备发送订阅主题A；本地设备发送订阅回应主题B，本地设备将回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令发送给订阅主题A；远端智能设备接收到订阅主题A后，连接到对应的n2n VPN服务上，并返回信息给回应主题B；本地设备解析得出远端智能设备的IP；本地设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；本地设备与远端智能设备之间依据远端智能设备的IP，并通过n2n VPN服务实现中转握手后，本地设备与远端智能设备直接进行数据交互。解决设备与服务器网络较慢产生的影响和安全性差的问题。

Description

基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法及装置
技术领域
本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法及装置。
背景技术
MQTT：Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输
n2n:a Layer Two Peer-to-Peer VPN,点对点的VPN
VPN:Virtual Private Network,虚拟私有网络
OpenVPN:开源的VPN，基于OpenSSL加密库的协议。
MQTT通讯协议是为大量计算能力有限，且工作在低宽带、不可靠的网络的远程传感器或者控制通讯设计的协议，它具有如下特性：
1)使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；
2)对负载内容屏蔽的消息传输；
3)使用TCP/IP提供网络连接；
4)有三种消息发布服务质量：“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。“只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量；根据MQTT的特性，选择MQTT协议来插播消息是一个非常理想的方法。
OpenVPN是一个基于OpenSSL库的应用层VPN实现。和传统VPN相比，它的优点是简单易用。OpenVPN允许参与建立VPN的单点使用共享金钥，电子证书，或者用户名/密码来进行身份验证。它大量使用了OpenSSL加密库中的SSLv3/TLSv1协议函式库。OpenVPN能在Solaris、Linux、OpenBSD、FreeBSD、NetBSD、Mac OS X与Windows 2000/XP/Vista上运行，并包含了许多安全性的功能。它并不是一个基于Web的VPN软件，也不与IPsec及其他VPN软件包兼容。
n2n是一个双层架构的VPN，它让用户可以在网络层上开发P2P应用的典型功能，而不是在应用层上开发。这意味着用户可以获取本地IP一样的可见度(比如说，同一个n2n网络内的两台PC机可以相互ping通)，并且可以通过n2n虚拟网内的IP地址相互访问，而不必关心当前所属的物理网络地址。可以这样说，OpenVPN是把SSL从应用层转移到网络层实现(比如说实现https协议)，而n2n则是把P2P的实现从应用层转移到网络层。
随着物联网技术的发展与万物互联的智能化理念的兴起，智能设备(如路由器、智能网关、监控摄像头等)已开始逐渐成为智能家居生活中的重要一环，对这些产品进行云端管理和维护就逐渐重要起来。
目前，由于IPV4地址的逐渐枯竭，很多电信运营商无法提供独立的外部IP供智能设备使用，或者独立IP价格昂贵，因此导致无法直接远程访问智能终端。
针对此类情况，通常的处理方式是如下2种：
1)服务器采用MQTT+自定义协议中转模式，该模式主要如下实现:
a.建立一个稳定的MQTT服务器，该服务器拥有独立的外网IP。
b.智能终端的后台应用，与服务器通过MQTT等协议建立连接，并一直保持该连接。
c.需要远程访问智能终端时，本地设备也通过MQTT协议连接服务器，用厂家自定义的通讯协议，通过服务器的MQTT在智能终端和本地设备之间进行消息中转。
2)服务器采用MQTT+OpenVPN模式，该模式主要如下实现:
a.建立一个稳定的MQTT和OpenVPN服务器，该服务器拥有独立的外网IP。
b.智能终端的后台应用，与服务器通过MQTT等协议建立连接，并一直保持该连接。
c.需要远程访问智能终端时，本地设备也通过MQTT协议连接服务器，用MQTT协议通知智能终端连接到OpenVPN服务器，并返回连接后的IP，本地设备也连接到OpenVPN服务器，然后用智能终端的VPN IP来进行访问和操作，即像远端的智能设备处于局域网内一样。
采用上述现有技术存在一下缺陷：MQTT+自定义协议中转模式，需要预先定义好交互的接口，如果需要新增接口，则智能设备的客户端和服务器的服务端都要进行同步开发升级，工作量较大；MQTT+OpenVPN模式，完全依赖于OpenVPN服务器中间中转数据，可能存在远端智能设备和本地设备的网络都很好，只是与OpenVPN服务器之间网络比较差，导致数据交互速度很慢；MQTT+OpenVPN模式还存在，所有连通到OpenVPN服务器的客户端之间都是可见的，给安全性也带来了隐患。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法及装置，其能解决设备与服务器网络较慢产生的影响和安全性差的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，包括以下步骤：
步骤1、在拥有独立外网IP的服务器上搭建MQTT服务和n2n VPN服务；
步骤2、远端智能设备连接到MQTT服务，远端智能设备发送订阅主题A至MQTT服务；
步骤3、本地设备连接MQTT服务，本地设备发送订阅回应主题B至MQTT服务，本地设备将回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令通过MQTT服务发送给远端智能设备的订阅主题A；
步骤4、远端智能设备接收到MQTT服务返回的订阅主题A后，连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上，并返回信息给MQTT服务，MQTT服务将远端智能设备的返回信息返回给回应主题B；
步骤5、本地设备对接收的回应主题B中的返回信息进行解析，从而得出远端智能设备的IP；
步骤6、本地设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤7、本地设备与远端智能设备之间依据远端智能设备的IP，并通过n2n VPN服务实现中转握手后，本地设备与远端智能设备直接进行数据交互。
优选的，上述步骤4中远端智能设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上具体包括，
步骤401、远端智能设备解析收到的来自MQTT服务返回的订阅主题A，获取到回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令；
步骤402、远端智能设备利用网路名称连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤403、n2n VPN服务使用DHCP Server分配IP给该远端智能设备；
步骤404、远端智能设备将得到的IP发送MQTT消息给回应主题B。
优选的，所述订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记。
优选的，所述订阅主题A，包括远端智能设备的序列号。
优选的，所述回应主题B为本地设备的唯一标记。
优选的，所述回应主题B，包括本地设备的网卡物理地址。
优选的，所述n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。
优选的，所述n2n网路名称，包括本地设备的网卡mac地址。
同时本发明技术方案还公开一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理装置，包括具有独立外网IP的服务器，所述服务器上设置MQTT服务和n2n VPN服务；
所述MQTT服务：接收来自远端智能设备的订阅主题A以及来自本地设备的订阅回应主题B，并将来自本地设备的回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令发送给订阅主题A，以及将n2n VPN服务分配给远端智能设备的IP信息发送至订阅回应主题B；
所述n2n VPN服务：为远端智能设备分配IP，并依据本地设备连接VPN的请求与分配给远端智能设备的IP实现本地设备和远端智能设备的中转握手。
优选的，所述订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记，所述回应主题B为本地设备的唯一标记，所述n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。
本发明技术方案采用MQTT+n2n VPN方式，远端智能设备和本地设备通过服务端建立连接后，数据采用P2P的直接访问方式，减轻设备与服务端网络较慢产生的影响；而连接时处于不同的网路名称之间是不可见的，只能看到当前所指定连接的设备，保证了其他设备的安全。
相对于OpenVPN而言，每个n2n边节点可以同时隶属于多个网路，即通过n2n不同的网路默认网络是不互通的情况下，每组需要访问的远端智能设备和本地设备的网络，与其他组的网络之间不互通，不存在OpenVPN可以互相之间全部访问到的情况，做到了相对的安全。通过vpn打通链路后，加密是在edge(边)节点执行的，使用的是开放的协议，用户自定义的密钥，数据的安全是可控制的，即使该n2n VPN服务端是第三方提供的服务，也可保证数据的安全。然后两端通过n2n VPN握手后，数据即可以直接传输，无需vpn服务器的中转。N2N服务器也就无从获取到本地设备和远端智能设备之间交互的数据，有效的保证了数据的安全性。
本发明技术方案在远端智能设备管理中采用了MQTT协议和n2n VPN协议，简单的信息交互采用MQTT直接发送信息。复杂的交互或者原交互未考虑到需要扩展的，则采用连接n2n VPN,通过n2n握手后，数据直接交互的方式。数据加密和数据传输都是直接在本地，减轻了服务器的压力，也减少了服务器截取数据的可能性，保证了数据的安全。
附图说明
图1为本发明实施方式所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法的流程图；
图2为本发明实施方式所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法的框图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1和图2所述，一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，包括以下步骤：
步骤1、在拥有独立外网IP的服务器上搭建MQTT服务和n2n VPN服务；
步骤2、远端智能设备连接到MQTT服务，远端智能设备发送订阅主题A至MQTT服务；
步骤3、本地设备连接MQTT服务，本地设备发送订阅回应主题B至MQTT服务，本地设备将回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令通过MQTT服务发送给远端智能设备的订阅主题A；其中回应主题B用于远端智能设备返回信息,可以使用本地设备的网卡物理地址构造唯一性的标志；n2n网路名称用于本地设备和远程智能设备之间网路的名称，如果其他n2n客户端未连接到这个网路名称，则无法访问到该网路下的设备，因此建议网路名称也使用本地设备的网卡mac地址等构造的唯一标志，保证安全性。
步骤4、远端智能设备接收到MQTT服务返回的订阅主题A后，连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上，并返回信息给MQTT服务，MQTT服务将远端智能设备的返回信息返回给回应主题B；即返回连接后的IP给回应主题B；
步骤5、本地设备对接收的回应主题B中的返回信息进行解析，从而得出远端智能设备的IP；
步骤6、本地设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤7、本地设备与远端智能设备之间依据远端智能设备的IP，并通过n2n VPN服务实现中转握手后，本地设备与远端智能设备直接进行数据交互，无需中转。
优选的，步骤4中远端智能设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上具体包括，
步骤401、远端智能设备解析收到的来自MQTT服务返回的订阅主题A，获取到回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令；
步骤402、远端智能设备利用网路名称连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤403、n2n VPN服务使用DHCP Server分配IP给该远端智能设备；
步骤404、远端智能设备将得到的IP发送MQTT消息给回应主题B。
本地设备也使用相同的n2n网路名称连接同一个n2n VPN服务，然后本地设备和远端智能设备即可使用对方的VPN IP互相访问。
优选的，订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记。如远端智能设备的序列号。
优选的，回应主题B为本地设备的唯一标记。如本地设备的网卡物理地址。
优选的，n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。如本地设备的网卡mac地址。
同时本发明技术方案还公开一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理装置，包括具有独立外网IP的服务器，服务器上设置MQTT服务和n2n VPN服务；
MQTT服务：接收来自远端智能设备的订阅主题A以及来自本地设备的订阅回应主题B，并将来自本地设备的回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令发送给订阅主题A，以及将n2n VPN服务分配给远端智能设备的IP信息发送至订阅回应主题B；
n2n VPN服务：为远端智能设备分配IP，并依据本地设备连接VPN的请求与分配给远端智能设备的IP实现本地设备和远端智能设备的中转握手。
优选的，订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记，回应主题B为本地设备的唯一标记，n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在拥有独立外网IP的服务器上搭建MQTT服务和n2n VPN服务；
步骤2、远端智能设备连接到MQTT服务，远端智能设备发送订阅主题A至MQTT服务；
步骤3、本地设备连接MQTT服务，本地设备发送订阅回应主题B至MQTT服务，本地设备将回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令通过MQTT服务发送给远端智能设备的订阅主题A；
步骤4、远端智能设备接收到MQTT服务返回的订阅主题A后，连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上，并返回信息给MQTT服务，MQTT服务将远端智能设备的返回信息返回给回应主题B；
步骤5、本地设备对接收的回应主题B中的返回信息进行解析，从而得出远端智能设备的IP；
步骤6、本地设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤7、本地设备与远端智能设备之间依据远端智能设备的IP，并通过n2n VPN服务实现中转握手后，本地设备与远端智能设备直接进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，上述步骤4中远端智能设备连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上具体包括，
步骤401、远端智能设备解析收到的来自MQTT服务返回的订阅主题A，获取到回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令；
步骤402、远端智能设备利用网路名称连接到与n2n网路名称对应的n2n VPN服务上；
步骤403、n2n VPN服务使用DHCP Server分配IP给该远端智能设备；
步骤404、远端智能设备将得到的IP发送MQTT消息给回应主题B。
3.根据权利要求1或2所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记。
4.根据权利要求3所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述订阅主题A，包括远端智能设备的序列号。
5.根据权利要求1或2所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述回应主题B为本地设备的唯一标记。
6.根据权利要求5所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述回应主题B，包括本地设备的网卡物理地址。
7.根据权利要求1或2所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。
8.根据权利要求7所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理方法，其特征在于，所述n2n网路名称，包括本地设备的网卡mac地址。
9.一种基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理装置，其特征在于，包括具有独立外网IP的服务器，所述服务器上设置MQTT服务和n2n VPN服务；
所述MQTT服务：接收来自远端智能设备的订阅主题A以及来自本地设备的订阅回应主题B，并将来自本地设备的回应主题B、n2n网路名称和连接VPN命令发送给订阅主题A，以及将n2n VPN服务分配给远端智能设备的IP信息发送至订阅回应主题B；
所述n2n VPN服务：为远端智能设备分配IP，并依据本地设备连接VPN的请求与分配给远端智能设备的IP实现本地设备和远端智能设备的中转握手。
10.根据权利要求9所述的基于MQTT和n2n VPN的远端智能设备管理装置，其特征在于，所述订阅主题A为标记远端智能设备的唯一标记，所述回应主题B为本地设备的唯一标记，所述n2n网路名称使用本地设备的唯一标志。
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