CN109587228A - 一种公有协议物联网平台及设备接入方法 - Google Patents

一种公有协议物联网平台及设备接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种公有协议物联网平台及设备接入方法。该公有协议物联网平台，采用基于MQTT通讯协议的eMQTT消息中间件，EMQTT消息中间件以集群方式部署在服务器节点，服务器节点之间保持消息的同步；还包括数据库，Redis数据库和HTTPS协议消息访问接口，所述HTTPS协议消息访问接口将HTTPS请求适配到MQTT协议；服务器节点还部署有负载均衡服务，设备接入服务，设备管理服务和主题权限管理服务，各服务通过RESTful API接口进行通信。该公有协议物联网平台及设备接入方法，不仅实现了设备端与服务端双向认证；还实现了证书使用者与发布订阅的主题权限之间的关联；同时实现了与MQTT协议适配，保障了设备接入权限可控、数据发送权限可控和数据加密传输信道安全。

Description

一种公有协议物联网平台及设备接入方法
技术领域
本发明涉及计算机物联网技术领域，特别涉及一种公有协议物联网平台及设备接入方法。
背景技术
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议被设计用于轻量级的发布订阅式消息传输，旨在为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供可靠的网络服务。它的核心设计思想是开源、可靠、轻巧、简单，能够保持长连接，实现消息双向传输，已经成为物联网通用协议。
如今各行业物联网设备接入一般使用私有协议接入，对于各类不同的设备需要分别做适配，增加了复杂度和工作量。同时在设备使用HTTP方式上报数据的场景，存在处理数据安全性问题。需要提供一种通用的统一协议物联网平台，通过安全加密的方式管理设备接入与数据传输。
基于上述情况，本发明提出了一种公有协议物联网平台及设备接入方法。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种简单高效的公有协议物联网平台及设备接入方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种公有协议物联网平台，其特征在于：采用基于MQTT通讯协议的eMQTT(eMQTT是一个采用Erlang/OTP开发可伸缩，支持容错和可扩展的MQTT消息服务器)消息中间件，EMQTT消息中间件以集群方式部署在服务器节点，服务器节点之间保持消息的同步；还包括数据库，Redis数据库和HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol over Secure SocketLayer，网络协议)协议消息访问接口，所述HTTPS协议消息访问接口将HTTPS请求适配到MQTT协议；同时，在集群与终端和控制端之间部署Nginx服务反向代理，作为负载均衡服务，为MQTT协议外网连接提供外部HTTPS端口；服务器节点还部署有设备接入服务，设备管理服务和主题权限管理服务，各服务通过RESTful API接口进行通信。
所述设备接入服务用于创建Hub(设备接入点)实例，Hub实例的编码是全局唯一的，Hub实例对外提供MQTT连接地址和端口。
所述主题权限管理服务负责管理设备的接入权限和主题发布订阅权限；证书是设备接入平台的唯一认证机制，设备必须通过SSL方式，携带证书与MQTT服务器请求连接，设备和服务器之间进行双向认证，认证通过后即可获取设备接入权限，建立MQTT长连接。
所述主题发布订阅权限与证书相关联，主题分为用户自定义主题和平台预置主题；所述平台预置主题是设备的影子操作主题，包含设备状态上报主题，状态获取主题，状态获取反馈主题，状态删除主题和期望状态主题；每个设备都有特定的一组影子操作主题；所述设备的影子是设备状态数据在平台上对应的缓存。
所述设备管理服务负责管理设备的状态数据，设备管理服务启动内置的MQTT客户端与eMQTT消息中间件内部地址建立长连接，拥有主题发布和订阅的最高权限，可以订阅所有Hub设备的消息，并且可以向所有Hub设备的任意主题发布消息。
基于该公有协议物联网平台的设备接入方法，包括以下步骤：
开发者用户登录物联网平台后，可以建立多个连接Hub，Hub实例的编码是全局唯一的，对外提供MQTT连接地址和端口；
连接到同一Hub下的设备之间可以通过主题发布和订阅消息，不同Hub之间通过顶级主题消息路由机制，实现数据隔离；
(2)进入连接Hub中，创建设备连接需要的证书；
在平台创建证书后，平台为设备生成根证书，已签名的公钥和私钥，提供下载；用户可以在Hub创建多套证书，证书的编码即作为证书的使用者；
(3)创建证书下的主题权限；
在证书创建完成后，平台预置主题权限已经增加，可以直接使用；用户还可以根据业务场景在证书下创建自定义主题，并定义每个主题的具体权限，权限包括仅发布，仅订阅，发布和订阅三种；用户定义好主题权限后，权限管理服务把数据存入数据库，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成；
(4)在设备端开发业务场景，使用证书访问MQTT连接地址建立SSL连接，根据需要发布或订阅自定义主题，可以发布或订阅影子操作主题；
(5)若在设备处于离线状态时，控制端对期望主题发布了消息，设备管理服务会将此状态更新到Redis数据库，在设备端上线后，向获取影子状态主题发布消息，获取最新状态，执行期望值，并上报更新执行后的状态；
(6)设备端携带证书访问HTTPS端口，参数是发布的主题和报文内容，Nginx服务反向代理接受到请求后，验证设备端证书是否合法，如果证书不合法，则拒绝客户端请求；如果证书验证通过，Nginx服务反向代理将客户端证书内容设置为HTTP请求中的标头，然后代理请求后端权限管理服务；
(7)权限管理服务检查Nginx服务反向代理转发过来的设备端证书，对比数据库中证书使用者对应的主题权限表，判断使用者是否有定义了主题的发布权限；如果主题权限认证失败，则拒绝HTTP请求；如果主题权限认证通过，设备管理服务获取HTTP请求的主题和报文参数，设备管理服务内置的MQTT客户端向该主题转发报文内容，使订阅该主题的设备能接收到该报文。
所述步骤(3)中，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成，在eMQTT消息中间件配置指定的数据库访问方式，在进行发布或订阅主题时，通过查询数据库，验证此主题与证书使用者关联的主题权限是否一致，若不一致，则验证失败，不允许发布或订阅此主题。
所述步骤(4)中，发布或订阅影子操作主题包括以下几种方式：
(a)设备向平台影子状态上报主题发布状态数据，设备管理服务内置的MQTT客户端接收到消息后，解析报文中的每个属性，存储到Redis数据库；
(b)设备向平台影子获取主题发布空的消息，设备管理服务收到消息后查询Redis数据库最新的设备状态数据，并通过影子获取反馈主题发送给对应的设备；
(c)设备向影子删除主题发送消息，设备管理服务清空Redis数据库中对应的设备记录；
(d)设备控制端向影子期望状态主题发送消息，报文内容是属性期望改变的目标值，设备管理服务比较期望目标值和当前最新状态值的差异后，向影子期望反馈主题发送变化量，设备被控端订阅对应的主题，收到控制消息后执行相应动作。
本发明的有益效果是：该公有协议物联网平台及设备接入方法，采用MQTT公有协议接入物联网平台，同时使用证书签发机制，实现了设备端与服务端双向认证，消息传输使用加密通道；还具有平台使用证书与MQTT主题的关联认证功能，实现了证书使用者与发布订阅的主题权限之间的关联；而且设备携带证书使用HTTPS协议向目标主题发布消息，实现了与MQTT协议适配，保障了设备接入权限可控、数据发送权限可控和数据加密传输信道安全。
附图说明
附图1为本发明公有协议物联网平台及设备接入方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
该公有协议物联网平台及设备接入方法，采用基于MQTT通讯协议的eMQTT(eMQTT是一个采用Erlang/OTP开发可伸缩，支持容错和可扩展的MQTT消息服务器)消息中间件，EMQTT消息中间件以集群方式部署在服务器节点，服务器节点之间保持消息的同步；还包括数据库，Redis数据库和HTTPS(Hyper Text Transfer Protocol over Secure SocketLayer，网络协议)协议消息访问接口，所述HTTPS协议消息访问接口将HTTPS请求适配到MQTT协议；同时，在集群与终端和控制端之间部署Nginx服务反向代理，作为负载均衡服务，为MQTT协议外网连接提供外部HTTPS端口；服务器节点还部署有设备接入服务，设备管理服务和主题权限管理服务，各服务通过RESTful API接口进行通信。
所述设备接入服务用于创建Hub(设备接入点)实例，Hub实例的编码是全局唯一的，Hub实例对外提供MQTT连接地址和端口。
所述主题权限管理服务负责管理设备的接入权限和主题发布订阅权限；证书是设备接入平台的唯一认证机制，设备必须通过SSL方式，携带证书与MQTT服务器请求连接，设备和服务器之间进行双向认证，认证通过后即可获取设备接入权限，建立MQTT长连接。
所述主题发布订阅权限与证书相关联，主题分为用户自定义主题和平台预置主题；所述平台预置主题是设备的影子操作主题，包含设备状态上报主题，状态获取主题，状态获取反馈主题，状态删除主题和期望状态主题；每个设备都有特定的一组影子操作主题；所述设备的影子是设备状态数据在平台上对应的缓存。
所述设备管理服务负责管理设备的状态数据，设备管理服务启动内置的MQTT客户端与eMQTT消息中间件内部地址建立长连接，拥有主题发布和订阅的最高权限，可以订阅所有Hub设备的消息，并且可以向所有Hub设备的任意主题发布消息。
基于该公有协议物联网平台的设备接入方法，包括以下步骤：
(3)开发者用户登录物联网平台后，可以建立多个连接Hub，Hub实例的编码是全局唯一的，对外提供MQTT连接地址和端口；
连接到同一Hub下的设备之间可以通过主题发布和订阅消息，不同Hub之间通过顶级主题消息路由机制，实现数据隔离；
(2)进入连接Hub中，创建设备连接需要的证书；
在平台创建证书后，平台为设备生成根证书，已签名的公钥和私钥，提供下载；用户可以在Hub创建多套证书，证书的编码即作为证书的使用者；
(3)创建证书下的主题权限；
在证书创建完成后，平台预置主题权限已经增加，可以直接使用；用户还可以根据业务场景在证书下创建自定义主题，并定义每个主题的具体权限，权限包括仅发布，仅订阅，发布和订阅三种；用户定义好主题权限后，权限管理服务把数据存入数据库，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成；
(4)在设备端开发业务场景，使用证书访问MQTT连接地址建立SSL连接，根据需要发布或订阅自定义主题，可以发布或订阅影子操作主题；
(5)若在设备处于离线状态时，控制端对期望主题发布了消息，设备管理服务会将此状态更新到Redis数据库，在设备端上线后，向获取影子状态主题发布消息，获取最新状态，执行期望值，并上报更新执行后的状态；
(6)设备端携带证书访问HTTPS端口，参数是发布的主题和报文内容，Nginx服务反向代理接受到请求后，验证设备端证书是否合法，如果证书不合法，则拒绝客户端请求；如果证书验证通过，Nginx服务反向代理将客户端证书内容设置为HTTP请求中的标头，然后代理请求后端权限管理服务；
(7)权限管理服务检查Nginx服务反向代理转发过来的设备端证书，对比数据库中证书使用者对应的主题权限表，判断使用者是否有定义了主题的发布权限；如果主题权限认证失败，则拒绝HTTP请求；如果主题权限认证通过，设备管理服务获取HTTP请求的主题和报文参数，设备管理服务内置的MQTT客户端向该主题转发报文内容，使订阅该主题的设备能接收到该报文。
所述步骤(3)中，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成，在eMQTT消息中间件配置指定的数据库访问方式，在进行发布或订阅主题时，通过查询数据库，验证此主题与证书使用者关联的主题权限是否一致，若不一致，则验证失败，不允许发布或订阅此主题。
所述步骤(4)中，发布或订阅影子操作主题包括以下几种方式：
(a)设备向平台影子状态上报主题发布状态数据，设备管理服务内置的MQTT客户端接收到消息后，解析报文中的每个属性，存储到Redis数据库；
(b)设备向平台影子获取主题发布空的消息，设备管理服务收到消息后查询Redis数据库最新的设备状态数据，并通过影子获取反馈主题发送给对应的设备；
(c)设备向影子删除主题发送消息，设备管理服务清空Redis数据库中对应的设备记录；
(d)设备控制端向影子期望状态主题发送消息，报文内容是属性期望改变的目标值，设备管理服务比较期望目标值和当前最新状态值的差异后，向影子期望反馈主题发送变化量，设备被控端订阅对应的主题，收到控制消息后执行相应动作。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种公有协议物联网平台，其特征在于：采用基于MQTT通讯协议的eMQTT消息中间件，EMQTT消息中间件以集群方式部署在服务器节点，服务器节点之间保持消息的同步；还包括数据库，Redis数据库和HTTPS协议消息访问接口，所述HTTPS协议消息访问接口将HTTPS请求适配到MQTT协议；同时，在集群与终端和控制端之间部署Nginx服务反向代理，作为负载均衡服务，为MQTT协议外网连接提供外部HTTPS端口；服务器节点还部署有设备接入服务，设备管理服务和主题权限管理服务，各服务通过RESTful API接口进行通信。
2.根据权利要求1所述的公有协议物联网平台，其特征在于：所述设备接入服务用于创建Hub实例，Hub实例的编码是全局唯一的，Hub实例对外提供MQTT连接地址和端口。
3.根据权利要求1所述的公有协议物联网平台，其特征在于：所述主题权限管理服务负责管理设备的接入权限和主题发布订阅权限；证书是设备接入平台的唯一认证机制，设备必须通过SSL方式，携带证书与MQTT服务器请求连接，设备和服务器之间进行双向认证，认证通过后即可获取设备接入权限，建立MQTT长连接。
4.根据权利要求3所述的公有协议物联网平台，其特征在于：所述主题发布订阅权限与证书相关联，主题分为用户自定义主题和平台预置主题；所述平台预置主题是设备的影子操作主题，包含设备状态上报主题，状态获取主题，状态获取反馈主题，状态删除主题和期望状态主题；每个设备都有特定的一组影子操作主题；所述设备的影子是设备状态数据在平台上对应的缓存。
5.根据权利要求1所述的公有协议物联网平台，其特征在于：所述设备管理服务负责管理设备的状态数据，设备管理服务启动内置的MQTT客户端与eMQTT消息中间件内部地址建立长连接，拥有主题发布和订阅的最高权限，可以订阅所有Hub设备的消息，并且可以向所有Hub设备的任意主题发布消息。
6.一种根据权利要求1～5所述的公有协议物联网平台的设备接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)开发者用户登录物联网平台后，可以建立多个连接Hub，Hub实例的编码是全局唯一的，对外提供MQTT连接地址和端口；
连接到同一Hub下的设备之间可以通过主题发布和订阅消息，不同Hub之间通过顶级主题消息路由机制，实现数据隔离；
(2)进入连接Hub中，创建设备连接需要的证书；
在平台创建证书后，平台为设备生成根证书，已签名的公钥和私钥，提供下载；用户可以在Hub创建多套证书，证书的编码即作为证书的使用者；
(3)创建证书下的主题权限；
在证书创建完成后，平台预置主题权限已经增加，可以直接使用；用户还可以根据业务场景在证书下创建自定义主题，并定义每个主题的具体权限，权限包括仅发布，仅订阅，发布和订阅三种；用户定义好主题权限后，权限管理服务把数据存入数据库，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成；
(4)在设备端开发业务场景，使用证书访问MQTT连接地址建立SSL连接，根据需要发布或订阅自定义主题，可以发布或订阅影子操作主题；
(5)若在设备处于离线状态时，控制端对期望主题发布了消息，设备管理服务会将此状态更新到Redis数据库，在设备端上线后，向获取影子状态主题发布消息，获取最新状态，执行期望值，并上报更新执行后的状态；
(6)设备端携带证书访问HTTPS端口，参数是发布的主题和报文内容，Nginx服务反向代理接受到请求后，验证设备端证书是否合法，如果证书不合法，则拒绝客户端请求；如果证书验证通过，Nginx服务反向代理将客户端证书内容设置为HTTP请求中的标头，然后代理请求后端权限管理服务；
(7)权限管理服务检查Nginx服务反向代理转发过来的设备端证书，对比数据库中证书使用者对应的主题权限表，判断使用者是否有定义了主题的发布权限；如果主题权限认证失败，则拒绝HTTP请求；如果主题权限认证通过，设备管理服务获取HTTP请求的主题和报文参数，设备管理服务内置的MQTT客户端向该主题转发报文内容，使订阅该主题的设备能接收到该报文。
7.根据权利要求6所述的公有协议物联网平台的设备接入方法，其特征在于：所述步骤(3)中，MQTT主题权限认证由eMQTT消息中间件完成，在eMQTT消息中间件配置指定的数据库访问方式，在进行发布或订阅主题时，通过查询数据库，验证此主题与证书使用者关联的主题权限是否一致，若不一致，则验证失败，不允许发布或订阅此主题。
8.根据权利要求6所述的公有协议物联网平台的设备接入方法，其特征在于：所述步骤(4)中，发布或订阅影子操作主题包括以下几种方式：
(a)设备向平台影子状态上报主题发布状态数据，设备管理服务内置的MQTT客户端接收到消息后，解析报文中的每个属性，存储到Redis数据库；
(b)设备向平台影子获取主题发布空的消息，设备管理服务收到消息后查询Redis数据库最新的设备状态数据，并通过影子获取反馈主题发送给对应的设备；
(c)设备向影子删除主题发送消息，设备管理服务清空Redis数据库中对应的设备记录；
(d)设备控制端向影子期望状态主题发送消息，报文内容是属性期望改变的目标值，设备管理服务比较期望目标值和当前最新状态值的差异后，向影子期望反馈主题发送变化量，设备被控端订阅对应的主题，收到控制消息后执行相应动作。
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Applicant after: Shandong Inspur Scientific Research Institute Co.,Ltd.

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Applicant before: JINAN INSPUR HIGH-TECH TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

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Application publication date: 20190405

Assignee: INSPUR SOFTWARE Co.,Ltd.

Assignor: Shandong Inspur Scientific Research Institute Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980030294

Denomination of invention: A device access method of public protocol IoT platform system

Granted publication date: 20210810

License type: Exclusive License

Record date: 20230110