CN109361771A - 一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法，属于网络信息技术领域。物联网***包括接入层和感知层，其中，接入层包括认证服务器、数据库和连接服务器，感知层包括传感器、通讯模块和执行器，通过物联网设备的注册、认证、连接方法解决物联网接入层的认证和连接问题，提高数据认证和传输安全，提升海量设备的连接能力。

Description

一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法

技术领域

本发明属于网络信息技术领域，涉及一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法。

背景技术

现有的物联网***，如说明书附图1所示，分为4个层次：感知层、接入层(或网络层)、处理层、应用层。感知层，由传感器、执行器、嵌入式通讯模块组成，实现数据的采集与控制；接入层，实现海量设备与服务器的连接、认证，和通信协议与数据的标准化；处理层，按照规则对汇聚信息进行实时处理,对时序数据、键值对数据、关联数据等信息实现存储；应用层，实现各种逻辑业务的计算和分析，通过可视化方式，实现用户与设备的交互。

感知层设备，种类繁多、通讯手段多元化、嵌入式***多样性，接入物联网平台存在一定的复杂性和安全隐患。让传统设备，基于差异化的通讯模块和操作***，实现快速认证与连接，是物联网平台接入层需要解决的关键问题之一。

目前，物联网设备，大部分采用TCP协议通信。根据TCP Socket通信原理，步骤如下：客户端向服务端发送一个账户和密码的字符串，服务器接收到这个字符串之后调用数据库查看是否有这个用户，有的话允许登陆，否则不允许，如说明书附图2所示。TCP通信的优点具有可靠性，可共享所有被发送的数据，但通信过程都需要验证，消耗时间比较久。

物联网设备的特点是：硬件能力差(存储能力基本只有几MB,CPU频率低连使用HTTP请求都很奢侈)；***千差万别(FreeRTOS、ucos、linux等)；如使用电池供电,电量消耗敏感；如果是小设备设备基数大需要维持大量在线链接；网络情况不稳定,移动网络网络资费贵,需要尽量减少开销和稳定；在以上这样苛刻的工作模式，智能设备的开发存在诸多障碍。设备接入存在的技术缺点明显：

1、TCP/IP自定协议，虽然不用在意***环境，但自定义报文的网络开销仍然较大。

2、Socket线程、Websocket技术等，IOT设备可能无法使用HTTP协议。

3、自主研发成本高,使用第三方IOT平台容易被技术或硬件绑定。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法，本发明所要解决的技术问题是如何提高数据认证和传输安全，提升海量设备的连接能力。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种物联网***及其设备的注册、认证、连接方法，其特征在于，物联网***包括接入层和感知层，其中，接入层包括认证服务器、数据库和连接服务器，感知层包括传感器、通讯模块和执行器；认证服务器主要负责设备认证及密钥推送；认证服务器采用Coap协议，提供URI和REST形式；物联网设备与认证服务器建立通信，连接服务器基于物联网设备MAC地址，查询数据库中物联网设备的连接配置信息；物联网设备即可与平台的MQTT服务器发起通信；CoAP协议是一个基于REST模型的网络传输协议，主要用于轻量级M2M通信；连接服务器用于建立物联网设备与应用层的桥接；感知层的设备，与服务器建立两次不同的通信，第一次通信基于COAP协议，查询服务器分配给设备的连接服务器配置信息；第二次通信基于MQTT协议，发布订阅设备状态；

注册方法为：Web服务器根据物联网设备MAC地址，在MQTT连接服务器中注册设备的信息后，将信息存储在Mysql数据库中，Web服务器添加设备的MAC地址时，需首先查询数据库中是否已经存在相同MAC地址，如MAC地址已存在，平台不发起连接服务器的设备注册申请，保证平台中设备的唯一性；

认证方法为：物联网设备基于Coap协议和Json数据格式，采用POST和GET方法，向Californium认证服务器发起请求，认证服务器根据设备MAC地址，查询数据库；物联网设备基于无效MAC地址向认证服务器发起请求，查询数据库失败后，认证服务器返回连接错误的提示信息“error”，如果三分钟内，连续发起五次及以上次数的无效认证申请，认证服务器可屏蔽该MAC地址的设备请求；

连接方法为：物联网设备获得正确的连接配置信息时，将再次与物联网平台的连接服务器发起连接，本次连接，设备基于MQTT协议和Json数据格式，采用“发布/订阅”的工作模式，与MQTT连接服务器保持通信；MQTT代理服务器，一方面订阅物联网设备状态，配合web服务器将数据存储到TSDB时序数据库；另一方面协助Web服务器，发布控制类指令，设备端订阅后，可以执行用户命令。

由于物联网中的很多设备都是资源受限型的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。CoAP是建立在UDP栈上，模拟HTTP协议的使用方式，适合设备的认证请求服务。

连接服务器，建立设备与应用层的桥接，用户不能直接访问设备资源，有效提高***安全。连接服务器采用MQTT协议，“发布/订阅”式的工作机制，适合设备在低功耗模式下的窄带数据传输场景，为海量的设备连接，提供可靠保障。MQTT协议遥测传输，是一个面向IoT应用程序的轻量级连接协议，它基于TCP/IP网络连接，使用发布/订阅方法来传输数据，设计思想是开放、简单、轻量、易于实现，使它成为物联网设备连接的理想中间件。

感知层的设备，与服务器建立两次不同的通信。第一次通信基于COAP协议，查询服务器分配给设备的连接服务器配置信息；第二次通信基于MQTT协议，发布订阅设备状态。设备连接过程复杂了，但连接效率更快，且有效提高通信安全和设备连接的并发问题。

本方法的有益效果在于：

1、支持设备安全认证，提供权限管理能力，通过SSL双向认证保证设备数据安全传输。

2、支持MQTT协议，基于可支撑亿级设备连接及双向大规模消息传输的高可用架构。

3、适配主流操作***，支持多种语言，多种平台开发，兼容主流设备平台。

附图说明

图1是背景技术中现有物联网***的结构示意图。

图2是现有技术中物联网设备的连接方式拓扑图。

图3是本物联网***的结构示意图。

图4是本物联网***的拓扑图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本技术解决物联网接入层的认证和连接问题，提高数据认证和传输安全，提升海量设备的连接能力。如图3所示，物联网接入层，由认证服务器和连接服务器两部分组成。

其中，认证服务器主要负责设备认证及密钥推送。认证服务器采用Coap协议，提供URI和REST形式，如GET，POST，PUT和DELETE方法。设备与认证服务器建立通信，服务器基于设备MAC地址，查询数据库中设备的连接配置信息。设备即可与平台的MQTT服务器发起通信。CoAP是一个基于REST模型的网络传输协议。主要用于轻量级M2M通信。由于物联网中的很多设备都是资源受限型的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。CoAP是建立在UDP栈上，模拟HTTP协议的使用方式，适合设备的认证请求服务。

连接服务器，建立设备与应用层的桥接，用户不能直接访问设备资源，有效提高***安全。连接服务器采用MQTT协议，“发布/订阅”式的工作机制，适合设备在低功耗模式下的窄带数据传输场景，为海量的设备连接，提供可靠保障。MQTT遥测传输，是一个面向IoT应用程序的轻量级连接协议。它基于TCP/IP网络连接，使用发布/订阅方法来传输数据，设计思想是开放、简单、轻量、易于实现，使它成为物联网设备连接的理想中间件。

感知层的设备，与服务器建立两次不同的通信。第一次通信基于COAP协议，查询服务器分配给设备的连接服务器配置信息；第二次通信基于MQTT协议，发布订阅设备状态。设备连接过程复杂了，但连接效率更快，且有效提高通信安全和设备连接的并发问题。

利用物联网接入层的注册、认证、连接方法，可有效兼容各类硬件设备的接入，忽略底层硬件设备的差异，达到统一设备与平台的通信和控制协议的目的。

物联网平台，由Web服务器，Mysql数据库、Californium认证服务器、ActiveMQ连接服务器、TSDB数据库等部分组成。Web服务器面向用户提供应用服务，采用Java技术实现；Mysql数据库存储用户、设备的基本信息和关联信息；Californium认证服务器，协助设备查询MQTT代理服务器的连接配置信息；MQTT连接服务器，实现海量设备的“订阅与发布”；TSDB数据库，管理设备的时间序列数据，并具有高性能读写和强计算能力，适合物联网设备监控。设备基于JSON的数据格式，支持双协议通信方式，实现快速联网。

***拓扑图4所示：

物联网平台接入层由设备注册(图中的步骤：1-4)、设备认证(图中的步骤：5-8)、设备连接组成(图中的步骤：9-13)。

一、设备注册

Web服务器根据设备MAC地址，在MQTT连接服务器中注册设备信息后，将上述信息存储在Mysql数据库中。(每个设备的账号和密钥不同)，具体如下所示：

Web服务器添加设备的MAC地址时，需首先查询数据库中是否已经存在相同MAC地址。如MAC地址已存在，平台不发起连接服务器的设备注册申请，保证平台中设备的唯一性。

二、设备认证

设备基于Coap协议和Json数据格式，采用POST和GET方法，向Californium认证服务器发起请求，认证服务器根据设备MAC地址，查询数据库。查询过程如下：

查询返回的数据格式：

设备基于无效MAC地址(备注：无效MAC地址，是指Web服务器未注册的设备地址)向认证服务器发起请求，查询数据库失败后，认证服务器返回连接错误的提示信息“error”。如果三分钟内，连续发起五次及以上次数的无效认证申请，认证服务器可屏蔽该MAC地址的设备请求。请求及返回数据如下：

请求格式：{"Device_Mac":""}；

示例：{"Device_Mac":"867959033022279"}

返回格式：

{Service_IP:"",Client_User:"",Client_Pass:"",AK:"",Service_ID:"",Entity_Name:""}

示例：

{

Service_IP:"smart_kitchen.mqtt.iot.gz.***bce.com",//MQTT的IP和端口

Client_User:"smart_kitchen/device",//MQTT的用户名

Client_Pass:"S4oJsy4WhMePXhCsuJkUtyGi96zFLz8v3Ffl2J7F+ZY＝",

//MQTT的密码

}

三、设备连接

设备获得正确的连接配置信息时，将再次与物联网平台的连接服务器发起连接。本次连接，设备基于MQTT协议和Json数据格式，采用“发布/订阅”的工作模式，与MQTT连接服务器保持通信。

设备将传感器和执行器状态的工作方式：

设备向连接服务器发布数据的主题号：$***/iot/shadow/***/update

设备向连接服务器订阅返回数据的主题号：$***/iot/shadow/***/delta

备注：“***”代表设备MAC地址

MQTT代理服务器，一方面订阅设备状态，配合web服务器将数据存储到TSDB时序数据库；另一方面协助Web服务器，发布控制类指令，设备端订阅后，可以执行用户命令。

数据格式：

设备上报数据格式为，***存储在TSDB数据库：

用户通过Web页面发布控制指令，指令格式如下所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种物联网***，其特征在于，物联网***包括接入层和感知层，其中，接入层包括认证服务器、数据库和连接服务器，感知层包括传感器、通讯模块和执行器；认证服务器主要负责设备认证及密钥推送；认证服务器采用Coap协议，提供URI和REST形式；物联网设备与认证服务器建立通信，连接服务器基于物联网设备MAC地址，查询数据库中物联网设备的连接配置信息；物联网设备即可与平台的MQTT服务器发起通信；CoAP协议是一个基于REST模型的网络传输协议，主要用于轻量级M2M通信；连接服务器用于建立物联网设备与应用层的桥接；感知层的设备，与服务器建立两次不同的通信，第一次通信基于COAP协议，查询服务器分配给设备的连接服务器配置信息；第二次通信基于MQTT协议，发布订阅设备状态。

2.一种物联网***中物联网设备的注册、认证、连接方法，其特征在于，注册方法为：Web服务器根据物联网设备MAC地址，在MQTT连接服务器中注册设备的信息后，将信息存储在Mysql数据库中，Web服务器添加设备的MAC地址时，需首先查询数据库中是否已经存在相同MAC地址，如MAC地址已存在，平台不发起连接服务器的设备注册申请，保证平台中设备的唯一性；

认证方法为：物联网设备基于Coap协议和Json数据格式，采用POST和GET方法，向Californium认证服务器发起请求，认证服务器根据设备MAC地址，查询数据库；物联网设备基于无效MAC地址向认证服务器发起请求，查询数据库失败后，认证服务器返回连接错误的提示信息“error”，如果三分钟内，连续发起五次及以上次数的无效认证申请，认证服务器可屏蔽该MAC地址的设备请求；

连接方法为：物联网设备获得正确的连接配置信息时，将再次与物联网平台的连接服务器发起连接，本次连接，设备基于MQTT协议和Json数据格式，采用“发布/订阅”的工作模式，与MQTT连接服务器保持通信；MQTT代理服务器，一方面订阅物联网设备状态，配合web服务器将数据存储到TSDB时序数据库；另一方面协助Web服务器，发布控制类指令，设备端订阅后，可以执行用户命令。