CN109525566B - 一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法 - Google Patents

一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，属于物联网技术领域，在感知层建立LoRaWAN终端和LoRaWAN网关，在网络层建立数据核心层，在应用层建立数据应用管理层，通过MQTT中间件与SSL证书实现各层之间的数据交互，解决了在LoRaWAN数据交换时通过MQTT协议中间件实现SSL传输加密的技术问题，实现了在单独某个物联网层部署调试或者演进时，只需要关注当前物联网层的业务实现，大大简化了开发部署和调试演进的工作，物联网层之间实现了解耦合，方便了各单独服务层独立演进、重用；本发明采用MQTT消息机制的数据交换系统会更健壮和易于扩展，本发明实现SSL的加密传输，整个系统相比于现有的系统，数据传输的安全性得到了很大提升。

Description

一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，特别涉及一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法。
背景技术
LoRaWAN是以LoRa通信为基础，实现远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。
LoRa是一种扩频调制技术，LoRa的扩频调制大大提高了系统的灵敏度，能够在同样的发射功率下传输得更远。LoRaWAN是建立在LoRa技术之上的一种协议规格，由LoRa联盟开发和维护。随着物联网行业的发展，LoRaWAN也越来越受到行业的关注。
为解决当连接服务器的LoRaWAN网关设备数量巨大时的高并发问题，现有的LoRaWAN数据交换技术采用服务器端与网关端实现UDP协议基于自定义socket报文完成数据交换。
基于UDP协议实现的数据交换技术存在的问题和不足是：一个LoRaWAN网关的源数据只能发送给指定IP的服务器，造成服务器端与网关端严重相互依赖，很难完成独立演进或者重用。同时，UDP数据报文传输过程难以实施SSL传输加密，数据传输有安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，解决了在LoRaWAN数据交换时通过MQTT协议中间件实现SSL传输加密的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，包括如下步骤：
步骤1：在感知层建立LoRaWAN终端和LoRaWAN网关，在网络层建立数据核心层，在应用层建立数据应用管理层；
LoRaWAN终端包括用于连接LoRaWAN网络并传输数据的LoRaWAN射频模块和用于采集数据的传感器模块；
LoRaWAN终端通过LoRaWAN网络与LoRaWAN网关通信；
数据核心层包括数据分发服务器、网络服务器和MQTT消息收发集服务器集群；
数据应用管理层包括存储转发服务器和应用服务器；
步骤2：LoRaWAN终端将数据发给LoRaWAN网关，LoRaWAN网关接收到LoRaWAN终端的数据后，进行解调，然后将数据通过网络链路送达MQTT消息收发集服务器集群，其包括如下步骤：
步骤A1：在LoRaWAN网关端部署MQTT中间件与SSL证书；
步骤A2：按照topic生成规则，生成消息交互的topic；
topic的生成规则由mdata前缀和按照特定算法生成的APPEUI以及用于标记消息上下行类别的标记符up/down组成；
步骤A3：MQTT消息收发集服务器集群收到LoRaWAN网关发来的数据后，将数据送达网络服务器；
步骤3：网络服务器对数据完成接入认证，并将数据送达数据分发服务器；数据分发服务器将数据分类按照业务需求通过MQTT中间件将数据通过消息系统发布出去，其包括如下步骤：
步骤B1：在网络服务器和数据分发服务器中均署MQTT中间件与SSL证书，
步骤B2：按照的topic生成规则，生成消息交互的topic；
步骤4:数据应用管理层对数据分发服务器发布的数据进行接收、存储和应用分发：数据分发服务器将分类后的数据通过MQTT中间件发布出去后，存储转发服务器通过MQTT中间件进行订阅；
存储转发服务器接收到数据后，对数据进行存储和转发：存储转发服务器通过API接口实现与应用服务器的数据交换；
应用服务器提供手机应用APP和web应用页面：在存储转发服务器和应用服务器中均部署MQTT中间件与SSL证书，按照topic生成规则生成消息交互的topic。
优选的，在执行步骤A2时，APPEUI的算法约定为一下8字节格式：
OUI+M+OUIStyle+reserved+NO.user+NO.reserved；
其中：OUI占3字节为固定值0x400101；M占1字节高4位为产品类型，低四位为保留字段，默认填充0；OUIStyle占1字节，低7位为协议标准，高1位为保留，默认填充0；reserved为保留字段占1字节，默认填充0；NO.reserved为预留填充产品编码，占1字节。
优选的，将APPEUI通过报文分配给各个LoRaWAN终端的报文交换规则约定如下：
Preamble前导码+PHDR+PHDR-CRC+MHDR命令字+devaddr+APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey+MIC+CRC；
其中，Preamble为前导码，每一个LoRaWAN终端制造商前导码都是唯一，用于网关对接收的LoRaWAN终端做第一步的甄别；PHDR为LoRaWAN终端与网关射频交互的链路层首部；PHDR_CRC为PHDR首部的校验和，MHDR为MAC层首部，占用一个字节，低0-1位表示LoraWan主版本号，低2-4位位RFU通讯保留字段，低5-7位表示用于区分Lorawan消息的类型(入网信息、上行消息等)；devaddr、APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey这一区域属于用户数据区域，根据Lorawan协议的要求填充对应字段位置，同时每个字端的值不同的服务商会有不同的生成规则用于消息甄别；devaddr表示网卡地址，占4字节；APPEUI表示应用服务分类占16字节；NwkSkey，APPSkey均为用于整个报文传输过程的加密密钥；MIC为数据交换过程中服务器端用于AES解密数据前的消息一致性校验码；CRC为链路通信常规的校验和。
优选的，所述MQTT中间件为基于MQTT协议的MQTT中间件，LoRaWAN网关、数据分发服务器、网络服务器、MQTT消息收发集服务器集群、存储转发服务器和应用服务器均通过所述MQTT中间件实现数据的订阅和传递。
优选的，所述SSL证书用于对所述MQTT中间件进行数据加密，SSL为传输加密机制。
本发明所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，解决了在LoRaWAN数据交换时通过MQTT协议中间件实现SSL传输加密的技术问题，实现了在单独某个物联网层部署调试或者演进时，只需要关注当前物联网层的业务实现，大大简化了开发部署和调试演进的工作，物联网层之间实现了解耦合，方便了各单独服务层独立演进、重用；本发明采用MQTT消息机制的数据交换系统会更健壮和易于扩展，本发明实现SSL的加密传输，整个系统相比于现有的系统，数据传输的安全性得到了很大提升。
附图说明
图1是系统架构示意图；
图2是MQTT数据流传输路径示意图；
图3是APPEUI标识信息报文规则；
图4是MQTT消息topic的生成规则定义示意图；
图5是MQTT消息topic的关键参数APPEUI生成规则示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-图5所示的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，包括如下步骤：
步骤1：在感知层建立LoRaWAN终端和LoRaWAN网关，在网络层建立数据核心层，在应用层建立数据应用管理层；
LoRaWAN终端包括用于连接LoRaWAN网络并传输数据的LoRaWAN射频模块和用于采集数据的传感器模块；
LoRaWAN终端通过LoRaWAN网络与LoRaWAN网关通信；
数据核心层包括数据分发服务器、网络服务器和MQTT消息收发集服务器集群；
数据应用管理层包括存储转发服务器和应用服务器；
步骤2：LoRaWAN终端将数据发给LoRaWAN网关，LoRaWAN网关接收到LoRaWAN终端的数据后，进行解调，然后将数据通过网络链路送达MQTT消息收发集服务器集群，其包括如下步骤：
步骤A1：在LoRaWAN网关端部署MQTT中间件与SSL证书；
步骤A2：按照topic生成规则，生成消息交互的topic；
topic的生成规则由mdata前缀和按照特定算法生成的APPEUI以及用于标记消息上下行类别的标记符up/down组成；
数据交换时mqtt对每条消息的转发需要客户端与服务器端有共有的topic标记，因此这里需要约束topic的生成规则，避免用户数据的泄漏以及做到业务逻辑唯一性。约定topic的生成规则，其中topic的生成规则由mdata前缀和按照特定算法生成的APPEUI以及用于标记消息上下行类别的标记符up/down组成。(标注：mdata为常量前缀，up/down用于区分消息是上行还是下发，最终数据的区分点在于APPEUI，APPEUI生成规则)
APPEUI的算法约定为一下8字节格式：
OUI+M+OUIStyle+reserved+NO.user+NO.reserved；
其中：OUI占3字节为固定值400101；M占1字节高4位为产品类型，低四位为保留字段，默认填充0；OUIStyle占1字节，低7位为协议标准，高1位为保留，默认填充0；reserved为保留字段占1字节，默认填充0；NO.reserved为预留填充产品编码，占1字节。
步骤A3：MQTT消息收发集服务器集群收到LoRaWAN网关发来的数据后，将数据送达网络服务器；
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是IBM开发的一个即时通讯协议。它是一种轻量级的基于发布与订阅的消息传输协议，可以通过很少的代码和带宽与远程设备连接。在一些物联网设备上由于MQTT协议的开销小，省电并能高效的向一个或多个接收者传递信息。2014年7月MQTT协议3.1版本成为国际标准，而MQTT带来的传输安全性受到物联网行业的青睐，在MQTT3.1版本中，技术人员可以设置消息交互的认证用户名和密码，同时在网络传输过程中，MQTT3.1版本支持SSL加密传输机制。
MQTT协议支持SSL，为了保证MQTT轻量的特点，标准MQTT并没有内建SSL协议，需要在MQTT标准版上进行基于SSL加密传输的安全增强。
步骤3：网络服务器对数据完成接入认证，并将数据送达数据分发服务器；数据分发服务器将数据分类按照业务需求通过MQTT中间件将数据通过消息系统发布出去，其包括如下步骤：
步骤B1：在网络服务器和数据分发服务器中均署MQTT中间件与SSL证书，
步骤B2：按照的topic生成规则，生成消息交互的topic；
步骤4:数据应用管理层对数据分发服务器发布的数据进行接收、存储和应用分发：数据分发服务器将分类后的数据通过MQTT中间件发布出去后，存储转发服务器通过MQTT中间件进行订阅；
存储转发服务器接收到数据后，对数据进行存储和转发：存储转发服务器通过API接口实现与应用服务器的数据交换；
应用服务器提供手机应用APP和web应用页面：在存储转发服务器和应用服务器中均部署MQTT中间件与SSL证书，按照topic生成规则生成消息交互的topic。
优选的，将APPEUI通过报文分配给各个LoRaWAN终端的报文交换规则约定如下：
Preamble前导码+PHDR+PHDR-CRC+MHDR命令字+devaddr+APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey+MIC+CRC；
其中，Preamble为前导码，每一个LoRaWAN终端制造商前导码都是唯一，用于网关对接收的LoRaWAN终端做第一步的甄别；PHDR为LoRaWAN终端与网关射频交互的链路层首部；PHDR_CRC为PHDR首部的校验和，MHDR为MAC层首部，占用一个字节，低0-1位表示LoraWan主版本号，低2-4位位RFU通讯保留字段，低5-7位表示用于区分Lorawan消息的类型(入网信息、上行消息等)；devaddr、APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey这一区域属于用户数据区域，根据Lorawan协议的要求填充对应字段位置，同时每个字端的值不同的服务商会有不同的生成规则用于消息甄别；devaddr表示网卡地址，占4字节；APPEUI表示应用服务分类占16字节；NwkSkey，APPSkey均为用于整个报文传输过程的加密密钥；MIC为数据交换过程中服务器端用于AES解密数据前的消息一致性校验码；CRC为链路通信常规的校验和。
优选的，所述MQTT中间件为基于MQTT协议的MQTT中间件，LoRaWAN网关、数据分发服务器、网络服务器、MQTT消息收发集服务器集群、存储转发服务器和应用服务器均通过所述MQTT中间件实现数据的订阅和传递。
优选的，所述SSL证书用于对所述MQTT中间件进行数据加密，SSL为传输加密机制。
根据LoRaWAN数据交换的特点和实时性需求，本发明对标准MQTT协议进行了设计封装，如图3到图5所示本分发明公开了相关的生成规划、算法约定和报文交换规则约定，实现LoRaWAN控制指令和数据包的加载，设计数据流方向控制方法，实现多路径传输。
本发明公开了MQTT中间件，保证技术平滑升级和系统的稳定性，改进后的LoRaWAN数据交换系统中单独扩展数据核心层时，不需要对应的重新部署网关端，而是通过两个服务层之间实现MQTT消息中间件，新扩展部署的数据核心层与原有的数据核心层完成了对同一个网关端的数据源共享，做到了数据核心层可以独立演进，实现了数据核心层与数据采集层网关端解耦合，减轻了服务层之间的依赖。
同时为了保证数据安全传输，本发明对MQTT协议进行了重新设计封装，在物联网层之间实现MQTT消息中间件时，加载了SSL传输加密机制，对MQTT的安全性进行了增强，为数据安全传输提供了标准策略和保障。
本发明所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，解决了在LoRaWAN数据交换时通过MQTT协议中间件实现SSL传输加密的技术问题，实现了在单独某个物联网层部署调试或者演进时，只需要关注当前物联网层的业务实现，大大简化了开发部署和调试演进的工作，物联网层之间实现了解耦合，方便了各单独服务层独立演进、重用；本发明采用MQTT消息机制的数据交换系统会更健壮和易于扩展，本发明实现SSL的加密传输，整个系统相比于现有的系统，数据传输的安全性得到了很大提升。

Claims (5)

1.一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在感知层建立LoRaWAN终端和LoRaWAN网关，在网络层建立数据核心层，在应用层建立数据应用管理层；
LoRaWAN终端包括用于连接LoRaWAN网络并传输数据的LoRaWAN射频模块和用于采集数据的传感器模块；
LoRaWAN终端通过LoRaWAN网络与LoRaWAN网关通信；
数据核心层包括数据分发服务器、网络服务器和MQTT消息收发集服务器集群；
数据应用管理层包括存储转发服务器和应用服务器；
步骤2：LoRaWAN终端将数据发给LoRaWAN网关，LoRaWAN网关接收到LoRaWAN终端的数据后，进行解调，然后将数据通过网络链路送达MQTT消息收发集服务器集群，其包括如下步骤：
步骤A1：在LoRaWAN网关端部署MQTT中间件与SSL证书；
步骤A2：按照topic生成规则，生成消息交互的topic；
topic的生成规则由mdata前缀和按照特定算法生成的APPEUI以及用于标记消息上下行类别的标记符up/down组成；
步骤A3：MQTT消息收发集服务器集群收到LoRaWAN网关发来的数据后，将数据送达网络服务器；
步骤3：网络服务器对数据完成接入认证，并将数据送达数据分发服务器；数据分发服务器将数据分类按照业务需求通过MQTT中间件将数据通过消息系统发布出去，其包括如下步骤：
步骤B1：在网络服务器和数据分发服务器中均署MQTT中间件与SSL证书，
步骤B2：按照的topic生成规则，生成消息交互的topic；
步骤4:数据应用管理层对数据分发服务器发布的数据进行接收、存储和应用分发：数据分发服务器将分类后的数据通过MQTT中间件发布出去后，存储转发服务器通过MQTT中间件进行订阅；
存储转发服务器接收到数据后，对数据进行存储和转发：存储转发服务器通过API接口实现与应用服务器的数据交换；
应用服务器提供手机应用APP和web应用页面：在存储转发服务器和应用服务器中均部署MQTT中间件与SSL证书，按照topic生成规则生成消息交互的topic。
2.如权利要求1所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，其特征在于：在执行步骤A2时，APPEUI的算法约定为以下8字节格式：
OUI+M+OUIStyle+reserved+NO.user+NO.reserved；
其中：OUI占3字节为固定值0x400101；M占1字节高4位为产品类型，低四位为保留字段，默认填充0；OUIStyle占1字节，低7位为协议标准，高1位为保留，默认填充0；reserved为保留字段占1字节，默认填充0；NO.reserved为预留填充产品编码，占1字节。
3.如权利要求2所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，其特征在于：将APPEUI通过报文分配给各个LoRaWAN终端的报文交换规则约定如下：
Preamble前导码+PHDR+PHDR-CRC+MHDR命令字+devaddr+APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey+MIC+CRC；
其中，Preamble为前导码，每一个LoRaWAN终端制造商前导码都是唯一，用于网关对接收的LoRaWAN终端做第一步的甄别；PHDR为LoRaWAN终端与网关射频交互的链路层首部；PHDR_CRC为PHDR首部的校验和，MHDR为MAC层首部，占用一个字节，低0-1位表示LoraWan主版本号，低2-4位位RFU通讯保留字段，低5-7位表示用于区分Lorawan消息的类型(入网信息、上行消息等)；devaddr、APPEUI检索自数据库+NwkSkey+AppSKey这一区域属于用户数据区域，根据Lorawan协议的要求填充对应字段位置，同时每个字端的值不同的服务商会有不同的生成规则用于消息甄别；devaddr表示网卡地址，占4字节；APPEUI表示应用服务分类占16字节；NwkSkey，APPSkey均为用于整个报文传输过程的加密密钥；MIC为数据交换过程中服务器端用于AES解密数据前的消息一致性校验码；CRC为链路通信常规的校验和。
4.如权利要求1所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，其特征在于：所述MQTT中间件为基于MQTT协议的MQTT中间件，LoRaWAN网关、数据分发服务器、网络服务器、MQTT消息收发集服务器集群、存储转发服务器和应用服务器均通过所述MQTT中间件实现数据的订阅和传递。
5.如权利要求1所述的一种基于增强型MQTT消息机制的LoRaWan数据交换方法，其特征在于：所述SSL证书用于对所述MQTT中间件进行数据加密，SSL为传输加密机制。
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