287 lines
7.4 KiB
Markdown
287 lines
7.4 KiB
Markdown
|
||
|
||
# 🟣 第六层：网络通信与物联网协议（Network & IoT）
|
||
|
||
本模块聚焦于嵌入式系统中的通信机制和物联网协议栈，涵盖串口通信、无线模块、MQTT 等协议到云平台对接，适用于 IoT 产品开发全流程。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 串口通信与Socket通信
|
||
|
||
### 串口通信
|
||
- 串口基础：波特率、校验位、停止位、数据位
|
||
- 应用：模块通信、调试信息输出
|
||
- 中断方式与 DMA 模式接收
|
||
```c
|
||
// 基本 UART 初始化
|
||
USART1->BRR = 0x1A1; // 设置波特率
|
||
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_UE; // 使能收发
|
||
```
|
||
|
||
### Socket网络通信
|
||
- Socket 基础：TCP/UDP 区别、连接建立过程
|
||
- 在 ESP32 等模块中使用 LWIP 实现 TCP 客户端/服务器
|
||
```c
|
||
// TCP 客户端基础逻辑 (伪代码)
|
||
socket();
|
||
connect();
|
||
send();
|
||
recv();
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 无线通信协议
|
||
|
||
### Wi-Fi
|
||
- ESP32 支持 STA / AP 模式，常用于联网或热点传输
|
||
- SmartConfig、ESP-NOW、HTTP Server 应用
|
||
|
||
### BLE（蓝牙低功耗）
|
||
- GATT 协议模型：服务、特征值、通知机制
|
||
- 使用 nRF52、ESP32 等平台进行广播、连接和数据交互
|
||
|
||
### LoRa / ZigBee
|
||
- 长距离通信：适用于室外传感器
|
||
- 使用 Semtech SX1278 / ZigBee 模块通信帧格式解析
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 物联网协议栈
|
||
|
||
### MQTT
|
||
- 轻量级发布-订阅协议，常用于设备与云平台交互
|
||
- QoS 等级、主题结构、客户端连接
|
||
- 常见平台支持：EMQX、OneNet、阿里云 IoT
|
||
|
||
### HTTP / HTTPS
|
||
|
||
#### HTTP 请求方法（Methods）
|
||
|
||
* **GET**：请求指定资源。常用于获取数据。
|
||
* **POST**：提交数据到服务器，如表单、上传。
|
||
* **PUT**：上传数据，通常是更新资源。
|
||
* **DELETE**：删除指定资源。
|
||
* **HEAD**：与 GET 类似，但不返回响应体。
|
||
* **OPTIONS**：返回服务器支持的请求方法。
|
||
* **TRACE**：诊断请求响应路径，回显请求报文。
|
||
* **CONNECT**：用于建立隧道（如 HTTPS 代理）。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
#### HTTP 状态码
|
||
|
||
| 分类 | 范围 | 含义 |
|
||
| --- | -------- | -------- |
|
||
| 1xx | 100\~199 | 接收中，继续处理 |
|
||
| 2xx | 200\~299 | 请求成功 |
|
||
| 3xx | 300\~399 | 重定向或更多操作 |
|
||
| 4xx | 400\~499 | 客户端错误 |
|
||
| 5xx | 500\~599 | 服务器错误 |
|
||
|
||
**部分状态码示例：**
|
||
|
||
* 200 OK
|
||
* 201 Created
|
||
* 204 No Content
|
||
* 301 Moved Permanently
|
||
* 302 Found
|
||
* 304 Not Modified
|
||
* 400 Bad Request
|
||
* 401 Unauthorized
|
||
* 403 Forbidden
|
||
* 404 Not Found
|
||
* 500 Internal Server Error
|
||
* 502 Bad Gateway
|
||
|
||
---
|
||
|
||
#### HTTP 长连接与短连接
|
||
|
||
* **HTTP/1.0** 默认使用短连接（每次请求后断开）
|
||
* **HTTP/1.1** 默认使用长连接（`Connection: keep-alive`）
|
||
|
||
---
|
||
|
||
#### HTTP 请求报文格式
|
||
|
||
```
|
||
GET /hello.htm HTTP/1.1
|
||
Host: www.example.com
|
||
User-Agent: Mozilla/5.0
|
||
Accept: */*
|
||
Connection: Keep-Alive
|
||
... 其他头部字段
|
||
```
|
||
|
||
#### HTTP 响应报文格式
|
||
|
||
```
|
||
HTTP/1.1 200 OK
|
||
Content-Type: text/html
|
||
Content-Length: 158
|
||
Server: Apache
|
||
Date: Sun, 14 Jun 2025 10:00:00 GMT
|
||
|
||
<html>...</html>
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### HTTPS 通信过程
|
||
|
||
HTTPS = HTTP + TLS/SSL 加密
|
||
|
||
#### 通信过程：
|
||
|
||
1. 客户端发起 HTTPS 请求（握手开始）
|
||
2. 服务器返回证书（含公钥）
|
||
3. 客户端验证证书合法性
|
||
4. 客户端生成随机对称密钥（用公钥加密传给服务器）
|
||
5. 双方使用对称密钥开始加密通信
|
||
|
||
---
|
||
|
||
#### 对称加密（加解密使用同一密钥）
|
||
|
||
* **DES**（56 位）
|
||
* **AES**（128/192/256 位）
|
||
|
||
#### 非对称加密（加密/解密使用公钥/私钥）
|
||
|
||
* **RSA**：支持加密、签名
|
||
* **DSA**：只支持签名（效率高，但不用于加解密）
|
||
|
||
#### 哈希算法（不可逆）
|
||
|
||
* **MD5**（128 位）
|
||
* **SHA-1**（160 位）
|
||
* **SHA-256**（256 位）
|
||
|
||
### CoAP / LwM2M
|
||
- 适合低功耗终端的简化协议，UDP 传输，可压缩
|
||
- 用于 NB-IoT、LwIP 等网络栈中
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## TCP/IP 协议栈基础与嵌入式实现
|
||
|
||
### TCP/IP 协议栈分层结构（四层模型）
|
||
|
||
| 层级 | 协议/组件 | 功能说明 |
|
||
|----------------|----------------------------|----------------------------------|
|
||
| 应用层 | HTTP, MQTT, CoAP, DNS | 面向用户的协议 |
|
||
| 传输层 | TCP, UDP | 数据传输可靠性与端口管理 |
|
||
| 网络层 | IP, ICMP, ARP | 地址与路由 |
|
||
| 链路层 | Ethernet, Wi-Fi, BLE | 硬件通信和数据帧传输 |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### TCP 与 UDP 区别
|
||
|
||
| 特性 | TCP | UDP |
|
||
|----------------|----------------------------|----------------------------|
|
||
| 是否连接 | 是（面向连接） | 否（无连接） |
|
||
| 是否可靠 | 是（有重传、确认） | 否（可能丢包） |
|
||
| 适用场景 | Web、文件传输、SSH | 视频流、语音、广播 |
|
||
| 开销 | 较大（握手、窗口等） | 较小（直接发送） |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### 嵌入式 TCP/IP 协议栈组件
|
||
|
||
- **LwIP（Lightweight IP）**
|
||
- 开源轻量级 TCP/IP 协议栈
|
||
- 支持 TCP/UDP/IP/DNS/DHCP 等
|
||
- 常用于 STM32、ESP32、RT-Thread 中
|
||
- **uIP（micro IP）**
|
||
- 更轻量，适合资源极小的 MCU
|
||
- **FreeRTOS+TCP**
|
||
- 与 FreeRTOS 配套的 TCP/IP 协议栈
|
||
- **Nut/Net、CycloneTCP**：其他常用协议栈
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### 嵌入式 TCP/IP 通信流程（以 LwIP 为例）
|
||
|
||
1. **初始化网络接口**：配置 IP、MAC、网关
|
||
2. **创建 socket 套接字**：TCP 或 UDP
|
||
3. **建立连接 / 绑定端口**
|
||
4. **接收/发送数据**：`recv()`, `send()`
|
||
5. **关闭连接**：`close()`
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### 常用 API 示例（LwIP BSD socket）
|
||
|
||
```c
|
||
// TCP 客户端示例
|
||
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
|
||
struct sockaddr_in server;
|
||
server.sin_family = AF_INET;
|
||
server.sin_port = htons(12345);
|
||
server.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.10");
|
||
|
||
connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
|
||
send(sock, "Hello", strlen("Hello"), 0);
|
||
recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);
|
||
close(sock);
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### DHCP / DNS / ICMP 说明
|
||
|
||
* **DHCP**：动态分配 IP（LwIP 可配置）
|
||
* **DNS**：域名解析，调用 `gethostbyname()` 等
|
||
* **ICMP**：如 `ping` 实现通信测试
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### 推荐阅读资料
|
||
|
||
* [LwIP 官方文档](https://savannah.nongnu.org/projects/lwip/)
|
||
* [FreeRTOS+TCP 文档](https://freertos.org/FreeRTOS-Plus/FreeRTOS_Plus_TCP/index.html)
|
||
* [TCP/IP Illustrated (Vol 1)](https://book.douban.com/subject/1088054/)
|
||
|
||
---
|
||
|
||
|
||
|
||
## 云平台接入 & OTA 实现
|
||
|
||
### 云平台对接
|
||
- 主流平台：阿里云 IoT、腾讯连连、OneNet、ThingsBoard
|
||
- 认证方式：三元组 / MQTT 密钥 / TLS 证书
|
||
|
||
### OTA 升级机制
|
||
- 本地或远程固件更新，防止刷写失败
|
||
- 双分区设计（bootA / bootB）
|
||
- 签名验证与版本控制
|
||
|
||
```c
|
||
// OTA 示例流程
|
||
1. 下载固件至指定 Flash 区域
|
||
2. 校验 MD5 / 签名
|
||
3. 更新启动地址 / 重启
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## ✅ 推荐学习顺序
|
||
|
||
1. 学习 UART 通信与基本网络 socket 原理
|
||
2. 掌握 Wi-Fi / BLE 开发流程（推荐 ESP32/nRF52）
|
||
3. 理解 MQTT 协议与平台接入逻辑
|
||
4. 实践 OTA 升级流程，构建远程维护能力
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 📌 常见问题 FAQ
|
||
|
||
| 问题 | 解答 |
|
||
|------|------|
|
||
| MQTT 断线如何重连？ | 设置心跳机制与 reconnect 回调逻辑 |
|
||
| OTA 更新失败怎么办？ | 回退机制 + 双镜像分区设计 |
|
||
| CoAP 和 MQTT 有何区别？ | CoAP 基于 UDP，适合低功耗设备；MQTT 基于 TCP，稳定性好 |
|