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物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入篇-應(yīng)用層協(xié)議一（4）

躍曰

2024-06-13

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20 分鐘

前三篇文章講述的是TCP/IP 模型中的網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，這里到了第四層應(yīng)用層。由于協(xié)議比較多，就分兩篇來介紹。

這一篇講 HTTP、Websocket、郵件傳輸協(xié)議、遠程登錄協(xié)議、文件傳輸協(xié)議、文件共享協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。下一篇再講物聯(lián)網(wǎng)常用的 Modbus 協(xié)議、MQTT、協(xié)議、CoAP 協(xié)議、OPC 框架。

第四層：應(yīng)用層協(xié)議之一

應(yīng)用層是 TCP/IP 模型中的最上層，直接與應(yīng)用程序交互，為應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

提供各種應(yīng)用服務(wù)、對數(shù)據(jù)進行特定的處理和格式化、與用戶交互、定義應(yīng)用程序之間通信的規(guī)則和協(xié)議、適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和需求、為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口。

TCP 通過不同的端口號，來把信息轉(zhuǎn)達給應(yīng)用程序。端口號類似于房間的門，TCP 快遞上門了，送到哪個房間，就是用端口號來充當門牌號的。

應(yīng)用層協(xié)議主要包括基于 TCP 的MQTT、DDS、Modbus-TCP、XMPP、AMQP、POP3、HTTP、HTTPS、FTP、Telnet、SMTP、Samba、CIFS、NFS。

應(yīng)用層協(xié)議還包括基于 UDP 的 DNS、SNMP、TFTP、DHCP、CoAP、Modbus-UDP、RIP、NTP。

還有即不基于 TCP，也不基于 UDP 的應(yīng)用層協(xié)議。

1. HTTP 協(xié)議

超文本傳輸協(xié)議，HyperText Transfer Protocol，HTTP 是一種用于分布式、協(xié)作式和超媒體信息系統(tǒng)的應(yīng)用層協(xié)議。HTTP是萬維網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。

HTTP是一個客戶端（用戶）和服務(wù)端（網(wǎng)站）之間請求和應(yīng)答的標準，通常使用TCP協(xié)議。通過使用網(wǎng)頁瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)爬蟲或者其它的工具，客戶端發(fā)起一個HTTP請求到服務(wù)器上指定端口（默認端口為80）。我們稱這個客戶端為用戶代理程序（user agent）。應(yīng)答的服務(wù)器上存儲著一些資源，比如HTML文件和圖像。我們稱這個應(yīng)答服務(wù)器為源服務(wù)器（origin server）。在用戶代理和源服務(wù)器中間可能存在多個“中間層”，比如代理服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)或者隧道（tunnel）。

通俗講，HTTP 是一個在計算機世界里專門在「兩點」之間「傳輸」文字、圖片、音頻、視頻等「超文本」數(shù)據(jù)的「約定和規(guī)范」?！敢眯×?coding」

設(shè)計HTTP最初的目的是為了提供一種發(fā)布和接收HTML頁面的方法。通過HTTP或者HTTPS協(xié)議請求的資源由統(tǒng)一資源標識符（Uniform Resource Identifiers，URI）來標識，也叫 URL。

組成部分

HTTP是一個客戶端（用戶）和服務(wù)端（網(wǎng)站）之間請求和應(yīng)答的標準，通常使用TCP協(xié)議。

請求部分：

請求行：包含請求方法（如 GET、POST 等）、請求的資源路徑和 HTTP 版本。
請求頭：包含各種描述請求屬性的字段，如 Accept（接受的內(nèi)容類型）、content-type（發(fā)送的數(shù)據(jù)類型）、user-agent（用戶代理信息）等。
請求體（可選）：當有具體數(shù)據(jù)要發(fā)送時，如 POST 請求提交表單數(shù)據(jù)等。

響應(yīng)部分：

響應(yīng)行：包含 HTTP 版本、狀態(tài)碼（如 200 表示成功、404 表示未找到等）和狀態(tài)描述。
響應(yīng)頭：類似請求頭，包含關(guān)于響應(yīng)的各種屬性信息，如 content-length（響應(yīng)體長度）、content-type（響應(yīng)的數(shù)據(jù)類型）等。
響應(yīng)體：實際返回給客戶端的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

工作原理

由HTTP客戶端發(fā)起一個請求，建立一個到服務(wù)器指定端口（默認是80端口）的TCP連接。HTTP服務(wù)器則在那個端口監(jiān)聽客戶端的請求。一旦收到請求，服務(wù)器會向客戶端返回一個狀態(tài)，以及返回的內(nèi)容，如請求的文件、錯誤消息、或者其它信息。

基于 HTTP 通信的流程：

HTTP 9 種請求方法：

啥是冪等？冪等意味著對一個資源進行多次相同的操作，其產(chǎn)生的效果與一次操作是相同的。

特點

簡單快速：請求方法和首部字段定義簡潔，傳輸效率較高。
靈活：可以傳輸各種類型的數(shù)據(jù)。
無狀態(tài)：服務(wù)器不保存客戶端的狀態(tài)信息。

應(yīng)用

網(wǎng)頁瀏覽：瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。
Web API 開發(fā)：移動端或其他客戶端與服務(wù)器端的通信。
內(nèi)容分發(fā)：如靜態(tài)資源的傳輸。

各種基于 Web 的應(yīng)用。

2. HTTPS 協(xié)議

超文本傳輸安全協(xié)議，HyperText Transfer Protocol Secure，HTTPS 是一種通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行安全通信的傳輸協(xié)議。HTTPS經(jīng)由HTTP進行通信，但利用SSL/TLS來加密數(shù)據(jù)包。HTTPS開發(fā)的主要目的，是提供對網(wǎng)站服務(wù)器的身份認證，保護交換資料的隱私與完整性。

HTTP的URL是由“http://”起始與默認使用端口80，而HTTPS的URL則是由“https://”起始與默認使用端口443。

3. WebSocket 協(xié)議

WebSocket是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，可在單個TCP連接上進行全雙工通信，位于 OSI 模型的應(yīng)用層。

他的出現(xiàn)，是因為 HTTP 是半雙工，采用的是客戶端請求服務(wù)端才應(yīng)答，不請求就無法主動給用戶推送數(shù)據(jù)（采用輪休可以實現(xiàn)偽主動推送）。WebSocket 允許服務(wù)端主動向客戶端推送數(shù)據(jù)，比如瀏覽網(wǎng)頁的時候，主動給你推一個彈窗廣告。

對于客戶端和服務(wù)端之間需要頻繁交互的復雜場景，比如網(wǎng)頁游戲，都可以考慮使用 WebSocket 協(xié)議。

4. 郵件協(xié)議：STMP、POP、IMAP

郵件協(xié)議是用于規(guī)范電子郵件在不同系統(tǒng)和設(shè)備之間傳輸、接收、存儲和管理等操作的一組規(guī)則和標準。

SMTP 協(xié)議

SMTP：Simple Mail Transfer Protocol，即簡單郵件傳輸協(xié)議。將郵件從發(fā)送方的郵件服務(wù)器傳輸?shù)浇邮辗降泥]件服務(wù)器。

POP 協(xié)議

POP：Post Office Protocol，即郵局協(xié)議，允許用戶從郵件服務(wù)器上把郵件下載到本地計算機進行離線閱讀和管理。

IMAP 協(xié)議

IMAP：Internet Message Access Protocol，即互聯(lián)網(wǎng)消息訪問協(xié)議，與 POP 不同，它可以讓用戶在多個設(shè)備上同步郵件狀態(tài)，比如已讀、未讀等。（SMTP 專注于郵件發(fā)送，POP 適合簡單的郵件下載與離線管理，而 IMAP 則為用戶提供了更強大和靈活的郵件在線管理體驗。）

某些郵件客戶端，需要整合 qq 郵箱、網(wǎng)易郵箱、Gmail 等等，就需要配置 SMTP、POP、IMAP。

5. 遠程登錄協(xié)議

Telnet 電傳打字機網(wǎng)絡(luò)

Telnet：Teletype Network。當用戶在本地終端上發(fā)起 TELNET 連接請求時，本地的 TELNET 客戶端與遠程主機的 TELNET 服務(wù)器建立 TCP 連接。連接建立后，客戶端與服務(wù)器之間開始進行交互。

SSH 安全外殼協(xié)議

SSH：Secure Shell，安全外殼協(xié)議。身份驗證、通信加密、建立安全通道。

這兩個大家都熟悉，遠程登錄服務(wù)器的時候用到其中一種或者兩種。

6. 文件傳輸協(xié)議

FTP 協(xié)議

FTP：File Transfer Protocol，即文件傳輸協(xié)議。戶在本地計算機和遠程服務(wù)器之間進行文件的上傳和下載操作，方便文件的共享和交換。

TFTP 協(xié)議

TFTP，Trivial File Transfer Protocol，簡單文件傳輸協(xié)議位于應(yīng)用層，基于 UPD 無連接、簡單的文件傳輸協(xié)議。

TFTP 的應(yīng)用場景包括：

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置文件傳輸。
某些嵌入式系統(tǒng)中軟件的更新和部署。

特點：簡單、開銷小。

7. 應(yīng)用層文件共享協(xié)議

文件服務(wù)器

文件服務(wù)器包含 Windows 文件服務(wù)器、UNIX 文件服務(wù)器以及 Linux 文件服務(wù)器，具體是哪種類型取決于所采用的操作系統(tǒng)。

其中，Windows 文件服務(wù)器利用常見的 Internet 文件系統(tǒng)（CIFS）來向客戶端共享存儲。通常情況下，這可通過在計算機資源管理器中的屬性/共享操作以及在其他計算機上連接網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器來實現(xiàn)對文件夾的共享。文件服務(wù)器因操作系統(tǒng)的不同而顯得極為重要。

Windows – Windows：CIFS（Windows自助共享）

Linux – Windows：SMB（使用Samba）

Linux – Linux：NFS

Samba 服務(wù)器消息塊

Samba：Server Message Block。它主要用于實現(xiàn) Linux 和 Windows 系統(tǒng)之間的文件和打印共享等交互操作。可以讓 Linux 系統(tǒng)模擬 Windows 文件共享服務(wù)器的功能，方便不同操作系統(tǒng)之間的資源共享，基于 TCP。

CIFS 通用互聯(lián)網(wǎng)文件系統(tǒng)

CIFS：Common Internet File System。是微軟主導開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)文件共享協(xié)議。它基于 SMB（Server Message Block）協(xié)議，廣泛應(yīng)用于 Windows 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中?；?TCP。

NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)

NFS：Network File System。主要用于在 Unix/Linux 系統(tǒng)之間進行文件共享。具有高效、靈活的特點，能夠方便地實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)的文件訪問和共享。主要基于 TCP。

8. 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

SNMP 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

SNMP：Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、故障管理、配置管理、性能管理。大家熟悉的網(wǎng)吧的網(wǎng)管，就是操作 SNMP 服務(wù)器程序來管理網(wǎng)吧網(wǎng)絡(luò)的。

DNS 域名系統(tǒng)

DNS：Domain Name System，域名系統(tǒng)。維護主機名和 IP 之間關(guān)系，根據(jù)域名尋找 IP。

DNS 的根服務(wù)器不給出具體答案，而是給下一級服務(wù)器的地址，只指路不帶路。

域名和 IP 的對應(yīng)關(guān)系，保存在電腦中的 hosts 文件中，查看本地的域名表 hosts 文件：cat /etc/hosts

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NAT 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

NAT：Network Address Translator 是用于在本地網(wǎng)絡(luò)中使用私有地址，在連接互聯(lián)網(wǎng)時轉(zhuǎn)而使用全局 IP 地址的技術(shù)。是因為 IPv4 不夠分。

除轉(zhuǎn)換 IP地址外，還出現(xiàn)了可以轉(zhuǎn)換TCP、UDP 端口號的NAPT (Network Address Ports Translator) 技術(shù)，由此可以實現(xiàn)用一個全局 IP 地址與多個主機的通信。

NAT 把同個公司、家庭、學校內(nèi)的主機對外部通信時，把私有 IP 地址轉(zhuǎn)換成公有 IP 地址。

DHCP 動態(tài)主機配置協(xié)議

DHCP：Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP可以自動分配IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS。使用 DHCP 之前，首先要架設(shè)一臺 DHCP 服務(wù)器”。然后將 DHCP 所要分配的 IP 地址設(shè)置到服務(wù)器上。此外，還需要將相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼、路由控制信息以及DNS 服務(wù)器的地址等設(shè)置到服務(wù)器上。

DHCP客戶端使用的端口68，服務(wù)端使用端口67，使用的UDP應(yīng)用層的協(xié)議。為什么一開始沒有 IP 的設(shè)備能請求到 DHCP 服務(wù)器數(shù)據(jù)，因為沒有 IP 的設(shè)備，默認 IP 是 0.0.0.0。

DHCP 一般不為服務(wù)器分配IP，因為他們要使用固定IP，所以 DHCP 一般只為辦公環(huán)境的主機分配 IP。

DHCP 服務(wù)器和客戶端一般需要在一個局域網(wǎng)內(nèi)，在為客戶端分配IP的時候需要進行多次廣播。不在一個局域網(wǎng)內(nèi)，需要用到 DHCP 中繼代理。

有三種分配方式

自動分配：MAC 地址與 IP 綁定，適用于服務(wù)器、打印機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
動態(tài)分配：IP 使用時有時間限制的，到期需要續(xù)租，否則就會釋放，適用于大量移動設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)的場景，如公司辦公室或公共無線網(wǎng)絡(luò)。
手動分配：手動分配是由DHCP服務(wù)器管理員專門為客戶端指定IP地址。有利于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理。

RIP 路由信息協(xié)議

RIP，Routing Information Protocol，路由信息協(xié)議是一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP），不常用。

RIP 協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)里的每一個路由器均需維護由其自身至其他每一個目的網(wǎng)絡(luò)的距離記錄，即距離向量。RIP 協(xié)議對于距離的界定如下：其一，從一個路由器到直接相連的網(wǎng)絡(luò)的距離被定義為 1；其二，從一個路由器到非直接連接的網(wǎng)絡(luò)的距離被定義為所歷經(jīng)的路由器數(shù)量加 1。RIP 協(xié)議中的距離又被稱作跳數(shù)，并且 RIP 協(xié)議準許一條路徑最多僅能包含 15 個路由器。故而，當距離等于 16 時就等同于不可達。

NTP 網(wǎng)絡(luò)事件協(xié)議

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），基于UDP的一種用于計算機時間同步的應(yīng)用層協(xié)議，用于在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)時鐘同步。

后記

前三篇文章講述的是TCP/IP 模型中的網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，這里到了第四層應(yīng)用層。由于協(xié)議比較多，就分兩篇來介紹。

理解 TCP/IP 四層框架是學習物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)。學習協(xié)議是做好物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)接入、監(jiān)控、報警、下控、運維、數(shù)據(jù)分析、智控的基礎(chǔ)。

我閱讀了大量的書籍和文章，匯總出了 TCP/IP 四層框架的主要協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主要協(xié)議。工作量之大，超出預(yù)期。我看了 B 站《希賽關(guān)于軟考網(wǎng)絡(luò)工程師的全套視頻教程》，看了《圖解 TCP/IP》，看了大量的文章。又結(jié)合之前的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的從業(yè)經(jīng)驗，整理出來這篇文章。期望大家的鼓勵與支持，歡迎大家交流。