CN111193621A - 一种物联网rtos设备端与服务端保障数据通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，解决了现有QoS对现有的上层通信协议依赖性强、自由度低，需要中间代理的弊端，其技术方案要点是将划分为三个级别的服务等级；将报文分为请求和回应两种类型；在报文中加入私有信息；在设备端的网络收发处嵌入发送线程及接收流程，完成报文的发送及接收回应，本发明的一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，不受通信协议限制，占用内存小且无需中间代理，简化设备端与服务端之间的通讯，且也简化了高质量等级服务的实现。

Description

一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法

技术领域

本发明涉及网络通讯服务质量，特别涉及一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法。

背景技术

随着物联网、网络通讯技术的发展，物与物之间的通信愈发频繁，然而，硬件上是无法做到绝对的通信保障，即使你网络再好，也可能因为种种原因导致数据包丢失的现象，因此软件无法完全信任硬件，设备需要一定的软件机制去保障数据的抵达，从而避免重要信息的丢失，保障QoS网络服务质量。再者有些支付信息，如现有的ETC收费、贩售机收费等支付过程，设备应当仅上报一份订单或者仅接收到一份订单做处理，需要保障消息不仅可达、而且必须仅汇报一次，否则将可能会产生1次支付享受多次服务的现象。

以MQTT所实现的QoS为例，该通讯协议含纳设备端、代理(broker，类似于消息中转站)、服务端。其QoS分为3级，QoS＝0时，无论报文是否发送成功，报文仅发送一次；QoS＝1时，确保接收端至少接收到一次报文，接收端可能会收到多次重复的报文；QoS＝2时，确保接收端接收到报文且仅接收到一次。该通讯由发布者将信息发送至代理，再由代理存储信息、转发信息确保信息的抵达订阅者手中，在这之前，信息的发布者必须保证将信息转交至代理手中。

现有的QoS均依附在现有的上层通讯协议下，依赖性强、耦合度过高；设备端内存不足以移植MQTT等上层协议，占用内存；设备端想要自定义通信报文、不想用现有的MQTT等协议的自由度低；需要中间代理、且完成高质量QoS服务需要多次握手，占用服务器资源，还有待改进的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，不受通信协议限制，占用内存小且无需中间代理，简化设备端与服务端之间的通讯，且也简化了高质量等级服务的实现。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，包括有以下步骤：

根据报文的发送和接收次数划分为三个级别的请求服务等级；

将报文分为请求和回应两种类型；

在报文中加入包含有服务等级、报文类型以及唯一标识符的私有信息；

在设备端通过上层应用请求发送报文，并获得对应的服务等级；

对报文的服务等级及类型进行判断，根据服务等级相应的发送次数将对应的私有信息加入至报文中；

通过传输层将报文加入数据流以发送数据，完成发送，等待回应；

传输层接收到数据进行读取、粘包处理，以获得完整的报文信息以及对应的私有信息；

解析报文中的私有信息并根据对应的服务等级、类型及唯一标识符进行判断以进行回应处理，以发送回应报文至服务器。

作为优选，报文的服务等级具体包括有：

等级0，代表报文仅发送一次；

等级1，确保接收方至少接收到一次数据；

等级2，确保接收方有且仅接收到一次数据。

作为优选，报文的请求和回应类型具体为：

请求，为设备端或者服务端主动发起的报文消息；

回应，对请求进行处理后生成的反馈消息。

作为优选，加入报文的私有信息的唯一标识符包括设备ID及发送的时间戳。

作为优选，对发送的报文进行处理的具体步骤包括有：

对发送的报文对应获取的服务等级进行判断，对判断服务等级为等级1/等级2的报文，生成唯一标识符，并将包括有报文类型及唯一标识符的私有信息加入该报文中；

将报文添加至待处理回应报文链表；

启动服务定时器以设定的周期间隔将待处理回应报文链表中的报文进行发送；

对判断服务等级为等级0，且同时判断出类型为回应的报文，拷贝其对应请求的私有信息，并将私有信息的等级设置为等级0，并且将类型设为回应，私有信息其他参数不变，加入报文中；对判断服务等级为等级0，且同时判断出类型为请求的报文，则生成仅包括有服务等级为等级0的私有信息，并将生成的私有信息加入该报文；

通过RTOS平台的接口将报文送出。

作为优选，接收报文进行判断并回应处理的具体步骤包括有：

读取接收的报文信息，对数据进行粘包处理，得到完成的报文信息，并且获得报文中的私有信息；解析该报文的私有信息，以对报文类型进行判断；

对判断服务等级为等级2的报文，遍历包含有已接收报文的已接收数据列表并将接收到的报文中的唯一标识符与已接收列表中记录的各报文的唯一标识符进行匹配；

若未匹配到与接收的报文携带的唯一标识符的已接收报文信息，则判断为未命中缓存；反之，为命中缓存；

将未命中缓存对应报文的唯一标识符存入已接收数据列表；

对判断服务等级不为等级2且类型为回应的报文，遍历待处理回应报文链表，且将匹配到唯一标识符的报文进行移除，若从待处理回应报文链表移除该成员后，链表成员为0，则关闭服务定时器；

将报文传至上层应用处理；若报文类型为请求，则处理完毕后生成对应的回应报文；并对类型为请求的回应报文的等级进行判断；

对判断请求服务等级为等级2的回应报文，将回应报文存储至内存中，并于请求中的私有信息结合生成临时报文，存储至等级2回应链表中；

对命中缓存对应的报文遍历存储有等级2的回应报文的等级2回应链表，若未匹配到唯一标识符相同的回应报文，则丢弃所接受的报文不予以处理；若匹配到唯一标识符相同的回应报文，则取出相匹配的该报文，并删除该报文中的私有信息形成回应报文；

将回应报文传至服务器。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过在设备上嵌入发送和接收流程，可以保障数据的收发的准确性，保证数据按照用户要求，将数据送至对方手中，可以嵌入到一切设备端与服务端的交互上，仅需在发送与接收线程中采用该方法即可，可移植性强；

仅需双方通信，不需要broker的加入，也不需要使用指定的报文如MQTT、HTTP等，不管用户使用何种格式的报文或自定义报文，均可使用该方法实现QoS的保障，自由度高。

附图说明

图1为本方法的流程框图；

图2为发送线程的流程框图；

图3为接收线程的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开的一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，如图1所示，包括有以下步骤：

根据报文的发送和接收次数划分为三个级别的服务等级；

将报文分为请求和回应两种类型；

在报文中加入包含有服务等级、报文类型以及唯一标识符的私有信息；

在设备端通过上层应用请求发送报文，并获得对应的服务等级；

对报文的服务等级及类型进行判断，根据服务等级相应的发送次数将对应的私有信息加入至报文中；

通过传输层将报文加入数据流以发送数据，完成发送，等待回应；

传输层接收到数据进行读取、粘包处理，以获得完整的报文信息以及对应的私有信息；

解析报文中的私有信息并根据对应的服务等级、类型及唯一标识符进行判断以进行回应处理，以发送回应报文至服务器。

具体的，分为四个步骤，分别为：

(一)将QoS服务分为3个级别，分别为：

等级0(QoS_LEVEL_0):为仅发送一次的报文，不论服务端接收到与否；

等级1(QoS_LEVEL_1):确保接收方至少收到一次报文的数据包；

等级2(QoS_LEVEL_2):确保接收方有且仅接收到一次报文的数据包。

(二)将msg报文分为2类：

请求(REQ)：无论是设备端还是服务端主动发起的消息均为请求。

回应(ACK)：对请求进行处理后生成的反馈消息均为回应(所有的ACK的QoS服务均为QoS_LEVEL_0)。

(三)在报文即msg中加入的私有信息即msg_private_info，私有信息包含如下信息

服务等级(QoS_LEVEL)、报文类型(REQ/ACK)、唯一识别符即Msg_ID，唯一识别符由设备ID及时间戳组成。

(四)在设备端的网络socket收发处嵌入发送线程及接收线程的方法流程，具体为：

如图2所示，发送线程具体为：

1)上层应用请求发送报文，请求等级为QoS_LEVEL。

2)如果QoS_LEVEL等于QoS_LEVEL_0且报文类型为ACK，拷贝该ACK报文对应的REQ的私有信息msg_private_info，将msg_private_info中的QoS_LEVEL设置为0，报文类型设置为ACK，然后将msg_private_info加入报文，跳转至步骤6)；如果QoS_LEVEL等于QoS_LEVEL_0且报文类型为REQ，生成msg_private_info，仅包含QoS_LEVEL等于0，将msg_private_info加入报文，跳转至步骤6)，其中msg_private_info根据使用者报文的形式加入到msg报文当中。此处回应报文必定对应一份请求报文，通过拷贝请求报文中的私有信息并更改报文类型和服务等级，请求方根据回应报文中的私有信息确定获得的回应报文所对应的请求报文。

3)对于QoS_LEVEL大于QoS_LEVEL_0的报文，需要生成消息唯一标识符，即消息的“身份证”ID，以msg_private_info中的子数据Msg_ID呈现，由设定的“设备唯一ID+时间戳”组成，设备唯一ID告知接收方是哪一台设备的请求，设备唯一ID加上时间戳使得该消息成为唯一消息，物联网网络体系中，设备ID圈定了唯一设备，时间戳随时间改变与采样的时间有关，即某一刻唯一，两者组成的ID即是唯一的消息ID。此外，msg_private_info还包含QoS_LEVEL以及报文类型(REQ/ACK)，其中QoS_LEVEL告知接收方此消息所需要的服务，报文类型用于告知对方此消息是请求还是应答，将msg_private_info根据使用者报文的形式加入到报文当中。

4)将报文添加至待处理回应报文链表的数据结构中，待处理回应报文链表即为pending_ack_msg_list，优选采用链表，若消息复杂、众多、对时间要求苛刻可采取其他高级数据结构加速检索。pending_ack_msg_list链表用于存放等待对方应答的报文，记录下msg报文方便重复发送。

5)启动QoS定时器，每隔设定的周期间隔即定时器的触发周期QoS_TIMER_RESEND_INTERVAL，将pending_ack_msg_list链表中所有的报文再次发送，如果接收方回应，会将相应的报文从链表中移除，即发送至对方回应为止。

6)通过RTOS平台的socket接口将报文送出，传输层将报文加入数据流后发出，发送流程结束。

如图3所示，接收线程具体为：

1)传输层接收到数据，读取数据，对数据做粘包处理，得到完整的一条报文信息，并获取报文中的msg_private_info信息。

2)解析msg_private_info，若QoS_LEVEL等于2，直接执行步骤3)；若QoS_LEVEL小于2且报文类型为ACK，则遍历pending_ack_msg_list，将与msg_private_info中Msg_ID匹配的msg移除，当且仅当这个ACK报文对应的REQ报文的QoS等级大于0，才会有匹配项，系统不断发送REQ，确保收到ACK后才将该成员移除，其中ACK与REQ的Msg_ID是对应相同的，作为匹配的密钥，当msg_private_msg_list中成员减至0，则关闭QoS_Timer定时器，跳转至步骤5)。

3)若QoS_LEVEL等于2，遍历存储有等级2的回应报文的等级2回应链表即QoS_2_cache_list链表中，等级2回应链表中存储着已经接收过的Msg_ID信息，如果报文中携带的Msg_ID与QoS_2_cache_list中某项成员匹配，那么称之为命中缓存，反之未命中。如果在QoS_2_cache_list中命中缓存，代表此前已接受过该报文，因为QoS_LEVEL为2，不允许将该报文上报给上层，此处相当于一个过滤器，过滤掉已接收过的重复信息，此时遍历QoS_2_ack_list链表，QoS_2_ack_list链表中存储着QoS_LEVEL为2的回应报文，找到Msg_ID匹配项，取出相匹配的回应报文，删除其中的msg_private_info，在发送线程中会再次生成，跳转至步骤7)；若未找到匹配项，则代表上层还在处理该请求，回应报文尚未产生，丢弃所接受的报文不予处理。如果在QoS_2_cache_list中未命中缓存，则代表第一次接收到该报文，继续执行如下步骤。

4)将报文的消息唯一标识符Msg_ID存入QoS_2_cache_list链表，即加入到过滤器中。

5)将报文传至上层应用处理。如果报文类型为REQ，处理完毕后生成了对应的回应报文，即有请求必有回应，此时如果请求中的QoS_LEVEL不等于2，跳转至步骤7)，反之执行如下步骤；如果报文类型为ACK，那么将没有后续行为。

6)若QoS_LEVEL为2，需要将回应报文存储到内存当中，将请求中的msg_private_info与回应报文组合，生成临时报文即tmp_ack，存储tmp_ack至QoS_2_ack_list。

7)发送回应报文至服务器，任务交至发送线程，请求等级QoS_LEVEL为0，报文类型为ACK。

本发明可以保障数据的收发的准确性，保证数据按照用户要求，将数据送至对方手中，可以嵌入到一切设备端与服务端的交互上，仅需在发送与接收线程中采用该方法即可，可移植性强。。

QoS_LEVEL对应为3种，QoS_LEVEL_0对应用于如传感器数据周期性汇报场合，例如物联网中的温度汇报，假设温度传感器N秒采样一次，就算发生丢包，因为是周期性地汇报数据，总有一次会上传到服务器；QoS_LEVEL_1对应用于接收方无所谓接收到该数据几次，接收到处理即可，没有严格限制，但数据必须抵达，例如一些GPS模块虽然也是周期性上报可用更低等级的服务，但假设客户为了省流量节约成本，上报周期延长至1日-2日，我们就必须保证设备中的GPS数据每日必须抵达服务端至少一次；QoS_LEVEL_2是最严格的服务，该服务严格至每一封报文，必须抵达且仅抵达一次，经常用于网络订单如贩售机、ETC支付等现金支付场合，所有的订单仅允许处理一次且必须上传至服务器，服务端接收到数据进行过滤后再传给上层应用处理，防止多次送给上层处理，导致亏损的发生。

报文类型仅包含请求REQ与回应ACK，QoS_LEVEL_2的情况下也仅需要请求和回应即可，不需要多次确认通信。

该发明仅需双方通信，不需要broker的加入，也不需要使用指定的报文如MQTT、HTTP等，不管用户使用何种格式的报文或自定义报文，均可使用该方法实现QoS的保障，自由度高。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是，包括有以下步骤：

根据报文的发送和接收次数划分为三个级别的请求服务等级；

将报文分为请求和回应两种类型；

在报文中加入包含有服务等级、报文类型以及唯一标识符的私有信息；

在设备端通过上层应用请求发送报文，并获得对应的服务等级；

对报文的服务等级及类型进行判断，根据服务等级相应的发送次数将对应的私有信息加入至报文中；

通过传输层将报文加入数据流以发送数据，完成发送，等待回应；

传输层接收到数据进行读取、粘包处理，以获得完整的报文信息以及对应的私有信息；

解析报文中的私有信息并根据对应的服务等级、类型及唯一标识符进行判断以进行回应处理，以发送回应报文至服务器。

2.根据权利要求1所述的物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是，报文的服务等级具体包括有：

等级0，代表报文仅发送一次；

等级1，确保接收方至少接收到一次数据；

等级2，确保接收方有且仅接收到一次数据。

3.根据权利要求2所述的物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是，报文的请求和回应类型具体为：

请求，为设备端或者服务端主动发起的报文消息；

回应，对请求进行处理后生成的反馈消息。

4.根据权利要求3所述的物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是：加入报文的私有信息的唯一标识符包括设备ID及发送的时间戳。

5.根据权利要求4所述的物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是，对发送的报文进行处理的具体步骤包括有：

对发送的报文对应获取的服务等级进行判断，对判断服务等级为等级1/等级2的报文，生成唯一标识符，并将包括有报文类型及唯一标识符的私有信息加入该报文中；

将报文添加至待处理回应报文链表；

启动服务定时器以设定的周期间隔将待处理回应报文链表中的报文进行发送；

对判断服务等级为等级0、且同时判断出类型为回应的报文，拷贝其对应请求的私有信息，并将私有信息的等级设置为等级0，并且将类型设为回应，私有信息其他参数不变，加入报文中；对判断服务等级为等级0，且同时判断出类型为请求的报文，则生成仅包括有服务等级为等级0的私有信息，并将生成的私有信息加入该报文；

通过RTOS平台的接口将报文送出。

6.根据权利要求5所述的物联网RTOS设备端与服务端保障数据通信的方法，其特征是，接收报文进行判断并回应处理的具体步骤包括有：

读取接收的报文信息，对数据进行粘包处理，得到完成的报文信息，并且获得报文中的私有信息；解析该报文的私有信息，以对报文类型进行判断；

对判断服务等级为等级2的报文，遍历包含有已接收报文的已接收数据列表并将接收到的报文中的唯一标识符与已接收列表中记录的各报文的唯一标识符进行匹配；

若未匹配到与接收的报文携带的唯一标识符的已接收报文信息，则判断为未命中缓存；反之，为命中缓存；

将未命中缓存对应报文的唯一标识符存入已接收数据列表；

对判断服务等级不为等级2且类型为回应的报文，遍历待处理回应报文链表，且将匹配到唯一标识符的报文进行移除，若从待处理回应报文链表移除该成员后，链表成员为0，则关闭服务定时器；

将报文传至上层应用处理；若报文类型为请求，则处理完毕后生成对应的回应报文；并对类型为请求的回应报文的等级进行判断；

对判断请求服务等级为等级2的回应报文，将回应报文存储至内存中，并于请求中的私有信息结合生成临时报文，存储至等级2回应链表中；

对命中缓存对应的报文遍历存储有等级2的回应报文的等级2回应链表，若未匹配到唯一标识符相同的回应报文，则丢弃所接受的报文不予以处理；若匹配到唯一标识符相同的回应报文，则取出相匹配的该报文，并删除该报文中的私有信息形成回应报文；

将回应报文传至服务器。

Images