TCP协议在物联网中的实战

一、TCP协议介绍

网上对TCP协议介绍众多，本人按照自己的理解简单介绍一下。

TCP（Transmission Control Protocol， 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输控制层通信协议。

1.1 协议机制

1.1.1 三次握手

在这里插入图片描述
（图片来自https://baijiahao.baidu.com/s?id=1790500638479044426&wfr=spider&for=pc，侵权删）

TCP三次握手的过程如下：
1.客户端发送SYN（seq=x）报文给服务器端，进入SYN_SENT状态。
2.服务器端收到SYN报文，回应一个SYN （seq=y）ACK（ack=x+1）报文，进入SYN_RECV状态。
3.客户端收到服务器端的SYN报文，回应一个ACK（ack=y+1）报文，进入Established状态。

1.1.2 四次挥手

在这里插入图片描述
（图片来自：https://cloud.tencent.com/developer/article/2094245）

第一次挥手： 主动关闭的一方（客户端或服务器）发送一个TCP段，其中包含一个FIN标记（Finish），表示它没有数据要发送给对方，但它仍能接收数据。
第二次挥手： 接收到FIN的一方发送一个ACK（Acknowledgement），确认收到FIN。
第三次挥手： 接收到FIN的一方发送一个FIN，表示它也没有数据要发送了，但它仍能接收数据。
第四次挥手： 主动关闭的一方发送一个ACK，确认收到FIN。
在经过2MSL（Maximum Segment Lifetime，最大报文存活时间）后，TCP连接正式结束

1.1.3 拥塞控制

推荐视频：https://www.bilibili.com/video/BV1L4411a7RN/?spm_id_from=333.999.0.0

（1）慢启动：在连接刚建立时，发送方将初始拥塞窗口设置为一个较小的值（通常是一个报文段的大小）。然后，每当发送方收到一个确认应答时，拥塞窗口就会加倍（指数增长）。这样，发送方会逐渐增加发送的数据量，从而实现慢慢地探测网络的容量。一但出现丢包，就将拥塞窗口减半，进入拥塞避免阶段。
（2）拥塞避免：一旦拥塞窗口达到一个阈值（通常是网络的带宽和延迟的函数），发送方将进入拥塞避免阶段。在拥塞避免阶段，发送方每收到一个确认应答时，拥塞窗口的增长将变慢（线性增长），谨慎地增加数据发送量，以防止过度拥塞网络。
（3）快速重传：发送方连续收到3个重复的确认应答时，它会推断某个报文段丢失，并立即重传该报文段，而不等待超时重传的时间。这样可以更快地恢复丢失的报文段，提高传输效率。
（4）快速恢复：当发送方接收到重复确认应答时，它会将拥塞窗口减半，并进入快速恢复阶段。在快速恢复阶段，发送方每收到一个确认应答时，拥塞窗口的增长将变得更慢，并且不再执行慢启动算法，而是执行拥塞避免算法。

1.2 协议报文

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

1、端口号： 用来标识同一台计算机的不同的应用进程。
1）源端口：源端口和IP地址的作用是标识报文的返回地址。
2）目的端口：端口指明接收方计算机上的应用程序接口。
TCP报头中的源端口号和目的端口号同IP数据报中的源IP与目的IP唯一确定一条TCP连接。
2、序号和确认号： 是TCP可靠传输的关键部分。序号是本报文段发送的数据组的第一个字节的序号。在TCP传送的流中，每一个字节一个序号。e.g.一个报文段的序号为300，此报文段数据部分共有100字节，则下一个报文段的序号为400。所以序号确保了TCP传输的有序性。确认号，即ACK，指明下一个期待收到的字节序号，表明该序号之前的所有数据已经正确无误的收到。确认号只有当ACK标志为1时才有效。比如建立连接时，SYN报文的ACK标志位为0。
3、数据偏移／首部长度： 4bits。由于首部可能含有可选项内容，因此TCP报头的长度是不确定的，报头不包含任何任选字段则长度为20字节，4位首部长度字段所能表示的最大值为1111，转化为10进制为15，15*32/8 = 60，故报头最大长度为60字节。首部长度也叫数据偏移，是因为首部长度实际上指示了数据区在报文段中的起始偏移值。
4、保留： 为将来定义新的用途保留，现在一般置0。
5、控制位： URG ACK PSH RST SYN FIN，共6个，每一个标志位表示一个控制功能。
1）URG：紧急指针标志，为1时表示紧急指针有效，为0则忽略紧急指针。
2）ACK：确认序号标志，为1时表示确认号有效，为0表示报文中不含确认信息，忽略确认号字段。
3）PSH：push标志，为1表示是带有push标志的数据，指示接收方在接收到该报文段以后，应尽快将这个报文段交给应用程序，而不是在缓冲区排队。
4）RST：重置连接标志，用于重置由于主机崩溃或其他原因而出现错误的连接。或者用于拒绝非法的报文段和拒绝连接请求。
5）SYN：同步序号，用于建立连接过程，在连接请求中，SYN=1和ACK=0表示该数据段没有使用捎带的确认域，而连接应答捎带一个确认，即SYN=1和ACK=1。
6）FIN：finish标志，用于释放连接，为1时表示发送方已经没有数据发送了，即关闭本方数据流。
6、窗口： 滑动窗口大小，用来告知发送端接受端的缓存大小，以此控制发送端发送数据的速率，从而达到流量控制。窗口大小时一个16bit字段，因而窗口大小最大为65535。
7、校验和： 奇偶校验，此校验和是对整个的 TCP 报文段，包括 TCP 头部和 TCP 数据，以 16 位字进行计算所得。由发送端计算和存储，并由接收端进行验证。
8、紧急指针： 只有当 URG 标志置 1 时紧急指针才有效。紧急指针是一个正的偏移量，和顺序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。 TCP 的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。
9、选项和填充： 最常见的可选字段是最长报文大小，又称为MSS（Maximum Segment Size），每个连接方通常都在通信的第一个报文段（为建立连接而设置SYN标志为1的那个段）中指明这个选项，它表示本端所能接受的最大报文段的长度。选项长度不一定是32位的整数倍，所以要加填充位，即在这个字段中加入额外的零，以保证TCP头是32的整数倍。
10、数据部分： TCP 报文段中的数据部分是可选的。在一个连接建立和一个连接终止时，双方交换的报文段仅有 TCP 首部。如果一方没有数据要发送，也使用没有任何数据的首部来确认收到的数据。在处理超时的许多情况中，也会发送不带任何数据的报文段。

（参考：https://cloud.tencent.com/developer/article/2054909）

二、物联网中实战

不同物联网平台对协议中所承载的业务内容均有自己的规范，但原理基本一致，本文基于中国电信AIoT物联网平台进行实战。

2.1 在物联网平台创建产品设备

具体操作流程可见平台操作手册

重点关注：

  • 创建产品时，通信协议选择TCP
  • 创建产品时，“是否透传”，选择透传或者物模型，将对应不同的上下行报文格式。透传：平台对报文不进行解析，将报文透传给应用或终端；物模型：按照在平台定义的服务与属性，对上下行报文进行解析。

在这里插入图片描述

2.2 交互流程

在这里插入图片描述
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2.3 报文格式

在这里插入图片描述
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2.4 代码

2.4.1 代码总体框架

每一次进行业务交互，主要是对client.sendall(payload) 中payload部分和client.recv(1024)的内容进行编辑与解析。

import socket
# 创建一个socket对象
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252“
# 设置端口与服务器端一致
port = 8996
# 连接服务器
client.connect((host, port))

# 发送报文数据
# client.sendall(payload)

# 接收小于 1024 字节的数据
# client.recv(1024)

# 关闭socket连接
client.close()

2.4.1 TCP透传设备

2.4.1.1. 登录

1.登录报文

消息格式：0x01 +deviceId_length（2字节） +deviceId +password_length（2字节） +password +version_length（2字节） +version

注：字符串转十六进制可用在线工具：https://www.sojson.com/hexadecimal.html，也可以直接使用python中的bytes(data, "utf-8").hex()方式。


deviceId：17081879tcpdeviceNo

# 可在物联网平台，设备管理->设备->设备详情中查看
password：l8SCsoL26wzNmXh7qZDlYDJWvKyyt1NCEXk2c_aoleM

version：1.0

登录请求编码为(16进制)：

•             登录报文标识符：0x01

•             deviceId_length：0x0013

•             deviceId：0x31373038313837397463706465766963654E6F

•             password_length：0x002B

•             password：0x6C385343736F4C3236777A4E6D586837715A446C59444A57764B797974314E4345586B32635F616F6C654D

•             version_length：0x0003

•             version：0x312e30

登录请求的完整报文为：
01 0013 31373038313837397463706465766963654E6F 002B 6C385343736F4C3236777A4E6D586837715A446C59444A57764B797974314E4345586B32635F616F6C654D 0003 312E30

2. 登录代码全貌

import socket
import binascii
# 创建一个socket对象
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252"
# 设置端口与服务器端一致
port = 8996
# 连接服务器
client.connect((host, port))
payload="01001331373038313837397463706465766963654E6F002B6C385343736F4C3236777A4E6D586837715A446C59444A57764B797974314E4345586B32635F616F6C654D0003312E30"
# 发送报文数据
client.sendall(binascii.unhexlify(payload))  # 将消息编码后发送给服务器

# 接收小于 1024 字节的数据
msg = client.recv(1024)
print(binascii.hexlify(msg).decode("utf-8"))

# 关闭socket连接
client.close()

根据平台定义的登录响应格式，TCP模拟器收到“050000”的报文，则登录成功，在物联网平台可查看设备状态也应该为在线。

2.4.1.2 数据上报

1.上报报文

消息格式：0x02 +数据长度（2字节） +业务数据

业务数据："hello"

上行数据编码为(16进制)：

•             上行报文标识符：0x02

•             payload_length：0x0005

•             payload：0x68656c6c6f

上行数据报文完整报文为：02 0005 68656c6c6f

2. 上行代码全貌
根据业务规则，设备需先登录，才能进行数据上报。

import socket
import binascii
# 创建一个socket对象
client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# 获取服务端主机与端口，可在设备管理->产品->产品概况中查看，如果是域名，可在本地ping一下获得IP
host = "180.109.255.252"
# 设置端口与服务器端一致
port = 8996
# 连接服务器
client.connect((host, port))
payload="01001331373038313837397463706465766963654E6F002B6C385343736F4C3236777A4E6D586837715A446C59444A57764B797974314E4345586B32635F616F6C654D0003312E30"
# 发送报文数据
client.sendall(binascii.unhexlify(payload))  # 将消息编码后发送给服务器

# 接收小于 1024 字节的数据
msg = client.recv(1024)
print(binascii.hexlify(msg).decode("utf-8"))

payload2 = "02000568656c6c6f"
client.sendall(binascii.unhexlify(payload2))

# 关闭socket连接
client.close()

可在物联网平台中看到我们的上报的数据，此处对报文进行了base64编码。
在这里插入图片描述

经过登录和上行报文的实战，有没有发现TCP协议在物联网领域中，实质是将业务数据封装在了TCP报文的data部分。data部分按照业务规则进行”拼接“即可。

（原先上传的代码，发现只有VIP才能下载，故将代码中重要部分进行了提取，直接附在正文，如需代码可留言！）

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