CN111865957A - 帧结构及其方法和系统 - Google Patents

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CN111865957A CN202010676859.XA CN202010676859A CN111865957A CN 111865957 A CN111865957 A CN 111865957A CN 202010676859 A CN202010676859 A CN 202010676859A CN 111865957 A CN111865957 A CN 111865957A
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蔡光渊
李晓炜
徐培峰
张耀榆
周晨
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Abstract

本发明提供了一种帧结构及其方法和系统，通信协议帧被配置为通信双方实体在通信时应当遵守的规则和约定，能够保障数据传输；业务协议帧被配置为业务交互时通信或服务应当遵守的规则和约定，能够保障设备与设备、用户与设备之间的业务交互。通过将通信数据传输与业务数据传输相分离的数据结构形式，解决终端设备与服务端之间或终端设备之间通信协议不统一、不规范，数据传输冗余、数据流失、交互不顺畅的问题，提升传输效率。

Description

帧结构及其方法和系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种帧结构及其方法和系统。
背景技术
在传统的物联网平台中，各个终端设备与物联网平台的通信过程中将通信数据与业务数据相混合，数据混合传输造成传输冗余、数据流失、交互不顺畅等问题。采用将通信数据与业务数据相分离的方式传输，则需要对数据结构进行改造。
与本申请相关的现有技术是专利文献CN106922221A，公开一种帧结构，用于接收通信信号的设备，用于发送通信信号的设备，以及用于接收或发送通信信号的方法。所述帧结构包括与第一通信资源相关的控制信道、与第二通信资源相关的高优先级数据信道、与第三通信资源相关的低优先级数据信道，所述控制信道包括高优先级数据信道控制部分，其被配置以传送与所述高优先级数据信道相关的控制数据，以及低优先级数据信道控制部分，其被配置以传送与低优先级数据信道相关的控制数据。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种帧结构及其方法和系统。
根据本发明提供的一种帧结构，包括通信协议帧和业务协议帧，通信协议帧被配置为通信双方实体在通信时应当遵守的规则和约定，能够保障数据传输；业务协议帧被配置为业务交互时通信或服务应当遵守的规则和约定，能够保障设备与设备、用户与设备之间的业务交互。
优选地，所述通信协议帧包括COAP协议、MQTT协议和私有协议；
COAP协议被配置为使用在资源受限的物联网设备上；
MQTT协议被配置为使用在TCP/IP协议栈上；
私有协议部分被配置为满足设定场景和业务的应用层通信协议，能够支持自定义或者扩展。
优选地，所述业务协议帧包括二进制部分、十六进制字符串部分、Json格式字符串部分和XML格式字符串部分。
优选地，所述的帧结构，还包括通信协议头部分和通信协议荷载部分，通信协议头部分被配置为固定协议头部分和可选消息头部分，所述协议头部分包括消息ID和与消息控制协议信息，所述协议荷载部分携带业务消息内容。
优选地，基于COAP协议的数据帧在TCP、UDP通道传输，基于MQTT协议的数据帧在TCP通道传输，基于私有协议的数据帧通过TCP或UDP通道传输。
优选地，所述二进制部分被配置为传输COAP协议或者MQTT协议的数据服务；
十六进制字符串部分被配置为只需要bit位信息传输的业务场景；
Json格式字符串部分被配置为需要轻量级数据交换的业务场景；
XML格式字符串部分被配置为应用服务之间交互或者仅支持xml解析的应用和设备。
根据本发明提供的一种通信方法，通信设备之间采用所述的帧结构进行通信。
根据本发明提供的一种通信系统，通信设备之间采用所述的帧结构进行通信。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过将通信数据传输与业务数据传输相分离的数据结构形式，解决终端设备与服务端之间通信协议不统一、不规范，数据传输冗余、数据流失、交互不顺畅的问题，提升传输效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的帧结构示意图；
图2为本发明的COAP帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的数据帧中包含通信协议头和通信协议荷载部分。通信协议头中包括必选协议头和可选协议头两部分，协议头是指包括消息ID以及消息控制相关协议的通信信息，主要用于保障消息通信可靠传输、重传、确认和校验。协议载荷是指用于携带业务消息内容的部分。。通信协议帧被封装在通信协议头消息中，业务协议帧被封装在通信协议荷载中。
通信协议帧被配置为定义一种双方实体在通信时必须遵守的规则和约定，从而保障数据正确、稳定、顺利的传输。通信协议帧包含语法、语义和时序，其中，语法即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级；语义即通信内容，包括数据内容、含义以及控制信息等；时序即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序；通信协议帧即信息单元的信息与含义，连接方式，信息接收与发送的时序。
业务协议帧被配置为定义一种人与设备交互或者设备与设备交互，在通信或服务时必须遵守的规则和约定，包括信息内容的语法、语义、格式。
通信协议帧包括COAP协议帧、MQTT协议帧、私有协议帧，三种协议能够更广泛适配不同设备所支持的协议类型。其中，COAP协议是物联网领域的网络通信的受限应用协议，详细规范定义在RFC 7252，主要使用在资源受限的物联网设备上。例如物联网设备的RAM、ROM，而无法运行TCP和HTTP的设备。采用二进制形式，为传输COAP协议的数据服务。MQTT协议被配置为使用在TCP/IP协议栈上。MQTT协议是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。工作在TCP/IP协议栈上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议。采用二进制形式，为传输MQTT协议的数据服务。私有协议是定义的一套为满足特有场景和业务的应用层通信协议，可以自定义和灵活扩展功能。采用Json格式字符串形式，为传输自定义的数据服务。
业务协议帧采用二进制字符串、十六进制字符串、Json格式字符串、XML格式字符串，根据设备通信需要采用任一种或任多种形式。二进制字符串部分被配置为为传输COAP协议或者MQTT协议的数据服务。十六进制字符串部分被配置为只需要bit位信息传输的业务场景。十六进制主要满足协议内容相对固定，协议内容变化很少，信息传输只需要bit位就能满足的场景，优点是传输内容较少，节省网络资源。例如格式：0123456789ABCDEF。Json格式字符串部分被配置为需要轻量级数据交换的业务场景；Json格式采用完全独立于程序语言的文本格式，是一种轻量级的数据交换格式。优点是较好的可读性和易编写性，同时也方便了机器进行解析和生成，同时也非常方便扩展协议内容。例如格式：{“xx”:”xx”,”abc”:1}。XML格式字符串部分被配置为应用服务之间交互或者仅支持xml解析的应用和设备。
Xml格式是一种结构化标记的语言，有较好的扩展性、可读性和易编写性，主要用于应用服务之间的交互或者为了满足只有xml解析的应用或设备。例如格式：<ss><aa>123</aa></ss>。
带COAP协议的数据帧主要在TCP或UDP通道传输，带MQTT协议的数据帧主要在TCP通道传输，带私有协议的数据帧主要在TCP或UDP通道传输，从而使得平台接入标准的统一，与云服务端的良好的兼容性与稳定性，降低开发成本和开发周期。
具体实施过程中，客户端设备准备好需要上报的业务信息，例如设备状态信息，客户端设备将状态值封装成业务协议帧，例如json格式的协议帧，客户端组装通信协议帧，且设置通信协议帧的消息头head信息，客户端将业务协议帧填充到通信协议帧的消息体payload部分，客户端将通信协议帧通过网络发送到服务端。当服务端收到通信协议帧数据后，服务端根据通信协议帧的消息头信息回复确认消息，当客户端收到服务端的回复确认消息后，即视为消息发送成功。
如表1所示的私有帧结构中，分为帧固定协议头和帧协议荷载，在帧固定协议头中存在多个必选字段和多个可选字段，必选字段包括协议版本、资源、消息类型和消息ID，可选字段包括会话标识、时序和自定义选项。在帧协议荷载中存在可选字段消息体，用于设置用户的业务协议帧。
表1私有帧结构
Figure BDA0002584366540000041
Figure BDA0002584366540000051
如表2所示的MQTT帧结构中，分为帧固定协议头、帧可变协议头和帧协议荷载，在帧固定协议头中存在多个必选字段，例如协议类型、标志位和剩余长度，帧可变协议头包括可选字段自定义选项，在帧协议荷载中存在可选字段消息体，用于填充用户的业务协议帧。
表2 MQTT帧结构
Figure BDA0002584366540000052
优选地，通信设备与服务端之间或通信设备之间采用基于本发明的帧结构进行通信的方法或系统，属于本发明的优选例。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种帧结构，其特征在于，包括通信协议帧和业务协议帧，通信协议帧被配置为通信双方实体在通信时应当遵守的规则和约定，能够保障数据传输；业务协议帧被配置为业务交互时通信或服务应当遵守的规则和约定，能够保障设备与设备、用户与设备之间的业务交互。
2.根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于，所述通信协议帧包括COAP协议、MQTT协议和私有协议；
COAP协议被配置为使用在资源受限的物联网设备上；
MQTT协议被配置为使用在TCP/IP协议栈上；
私有协议部分被配置为满足设定场景和业务的应用层通信协议，能够支持自定义或者扩展。
3.根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于，所述业务协议帧包括二进制部分、十六进制字符串部分、Json格式字符串部分和XML格式字符串部分。
4.根据权利要求1所述的帧结构，其特征在于，还包括通信协议头部分和通信协议荷载部分，通信协议头部分被配置为固定协议头部分和可选消息头部分，所述协议头部分包括消息ID和与消息控制协议信息，所述协议荷载部分携带业务消息内容。
5.根据权利要求2所述的帧结构，其特征在于，基于COAP协议的数据帧在TCP、UDP通道传输，基于MQTT协议的数据帧在TCP通道传输，基于私有协议的数据帧通过TCP或UDP通道传输。
6.根据权利要求3所述的帧结构，其特征在于，所述二进制部分被配置为传输COAP协议或者MQTT协议的数据服务；
十六进制字符串部分被配置为需要bit位信息传输的业务场景；
Json格式字符串部分被配置为需要轻量级数据交换的业务场景；
XML格式字符串部分被配置为应用服务之间交互或者仅支持xml解析的应用和设备。
7.一种通信方法，其特征在于，通信设备之间采用权利要求1至6中的任一项所述的帧结构进行通信。
8.一种通信系统，其特征在于，通信设备之间采用权利要求1至6中的任一项所述的帧结构进行通信。
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