【基础】LwM2M 通讯协议

LwM2M 协议基础
- LwM2M 简介
- LwM2M 基本架构
- LwM2M 资源定义
LwM2M 协议实现
- 开源协议实现
- Java LwM2M Client

LwM2M 协议基础

LwM2M 简介

LwM2M 的全称为 Lightweight Machine-To-Machine，是一种适用于物联网设备的轻量级的通讯协议，由 OMA（Open Mobile Alliance）公司提出并定义。LwM2M 协议适用于资源有限的终端设备。

LwM2M 协议的突出特点如下：

协议基于 REST 框架实现；
协议中消息的传输采用 CoAP 协议实现；
协议定义了紧凑、高效且兼具扩展性的数据模型；

LwM2M 基本架构

LwM2M 协议的基本框架如下图所示：
在这里插入图片描述

协议的架构当中包含两个实体，分别为 LwM2M Server 以及 LwM2M Client：

LwM2M Server 为服务器，部署在 LwM2M 服务供应商处或者网络服务供应商处；
LwM2M Client 为客户端，部署在各个实际设备上；

除此之外，还可以加入 LwM2M Bootstrap Server（引导服务器）或者 SmartCard（智能卡）以实现对客户端的初始引导（告知客户端服务器的相关信息）。

LwM2M 协议在各个实体之间规定了 4 个接口来实现响应的功能：

Bootstrap（引导接口）：引导接口的目的是向 LwM2M 客户端提供注册到 LwM2M 服务器的必要信息，如服务器的访问信息、客户端支持的资源信息等。这些信息可以由设备厂商预先存储在设备中，也可以通过引导服务器或者智能卡写入设备；
Client Registration（客户端注册接口）：注册接口的目的是将 LwM2M 客户端与 LwM2M 进行互联，将 LwM2M 客户端的相关信息存储在 LwM2M 服务器上。只有完成了客户端的注册，LwM2M 才能实现与服务端之间的通信；
Device Management and Service Enablement（设备管理与服务实现接口）：设备管理与服务实现接口的主控方为 LwM2M 服务器，其可以向客户端发送指定，由客户端对指令进行响应并将响应消息发送给服务器；
Information Reporting（信息上报接口）：信息上报接口允许 LwM2M 服务器向客户端订阅资源信息，客户端接收到订阅消息后，按照约定的模式向服务器报告自身资源的变化情况，即观察者模式；

LwM2M 资源定义

LwM2M 协议的服务对象为资源有限的终端设备，因此选择支持 REST 架构的 CoAP 来实现消息的传递。（CoAP 协议的相关内容可以参看：【基础】CoAP 通讯协议-CSDN博客）。

为进一步节省数据传输的开销，协议的数据结构也必须足够简单。LwM2M 协议定义了以资源为基本单位的模型，所有的数据都存储在资源当中。数据的体系架构为“对象-实例-资源”三级架构，对应到 Java 中可以理解为“类-实例化对象-对象属性”。

LwM2M 协议预定义了 8 种对象（Object）来满足基本的需求，如下表所示：

Object 对象	Object ID
Security（安全对象）	0
Server（服务器对象）	1
Access Control（访问控制对象）	2
Device（设备对象）	3
Connectivity Monitoring（连通性监控对象）	4
Firmware（固件对象）	5
Location（位置对象）	6
Connectivity Statistic（连通性统计对象）	7

考虑到扩展性，协议也允许用户根据实际需要自定义更多对象，对象的定义与资源代号可以参考 Lwm2m-registry。

在这样的数据模型中，资源、实例以及对象都是用数字对应的ID来表示的，以实现最大程度的压缩，因此任何资源都可以用最多 3 级的简洁方式表示，例如/1/0/1表示服务器对象（Server Object）第1个实例中的服务器短 ID 资源。在注册阶段，LwM2M 客户端把携带了资源信息的对象实例传递给 LwM2M 服务器，以通知服务器自身设备所具备的能力。

LwM2M 协议实现

开源协议实现

LwM2M协议的主要开源实现有以下几个：

OMA LwM2M DevKit：提供可视化界面与 LwM2M 服务器交互；
Eclipse Leshan：基于 Java，提供了 LwM2M 服务器与 LwM2M 客户端的实现；
Eclipse Wakaama：基于 C，提供了LwM2M 服务器与 LwM2M 客户端的实现；
AVSystem Anjay：基于 C，提供了 LwM2M 客户端的实现；

Java LwM2M Client

LwM2M 客户端的代码基于 Eclipse Leshan 库编写（Github 地址）。

下述代码创建了 LwM2M Client 并连接到 Leshan 提供的公共服务器。

public class MyClientDemo {

    private static final int OBJECT_ID_TEMPERATURE_SENSOR = 3303;

    public static void main(String[] args) {
//        String url = "coap://localhost:5685";
        String url = "coap://leshan.eclipseprojects.io:5683";
        String endpoint = "lwM2M-test-client";
        LeshanClientBuilder builder = new LeshanClientBuilder(endpoint);

        List<ObjectModel> models = ObjectLoader.loadAllDefault();
        String[] modelsPath = new String[] {"3303.xml"};
        try {
            models.addAll(ObjectLoader.loadDdfResources("/models", modelsPath));
        } catch (IOException | InvalidModelException | InvalidDDFFileException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        ObjectsInitializer initializer = new ObjectsInitializer(new StaticModel(models));
        initializer.setInstancesForObject(LwM2mId.SECURITY, Security.noSec(url, 123));
        initializer.setInstancesForObject(LwM2mId.SERVER, new Server(123, 300, EnumSet.of(BindingMode.U), false, BindingMode.U));
        initializer.setInstancesForObject(LwM2mId.DEVICE, new Device("LwM2M-Client", "model Y", "88.163", EnumSet.of(BindingMode.U)));
        initializer.setInstancesForObject(LwM2mId.LOCATION, new MyLocation());
        initializer.setInstancesForObject(OBJECT_ID_TEMPERATURE_SENSOR, new RandomTemperatureSensor());

        builder.setObjects(initializer.createAll());
        builder.setEndpointsProviders(new JavaCoapClientEndpointsProvider());

        LeshanClient client = builder.build();
        client.start();
    }

}