基于STUN和STUNT協(xié)議的M2M通信方案的設(shè)計與研究

王克敬

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是目前我國發(fā)展最快，應用范圍最廣的一種新型網(wǎng)絡(luò)，其本質(zhì)屬于M2M系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性較強，因此導致各種通信協(xié)議、組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)出多樣化的特點，這對數(shù)據(jù)的快速傳輸造成了極大的障礙。該文在分析了M2M系統(tǒng)工作原理和運行機制的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NA丁技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于STUN和STUNT協(xié)議的通信方案。在保持網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不變的條件下，通過添加兩個客戶端模塊即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；M2M系統(tǒng)；NAT；STUN；STUNT

1概述

在進入快速發(fā)展的信息化時代以后，物聯(lián)網(wǎng)作為后互聯(lián)網(wǎng)時代的代表性產(chǎn)物，收到了社會各界的普遍關(guān)注，各國都紛紛在該領(lǐng)域內(nèi)加大了投資和人力資源配置規(guī)模，相關(guān)的標準、協(xié)議也不斷地推出。物聯(lián)網(wǎng)的推廣，將物理世界與信息時間有機的結(jié)合，使得人們從自然界乃至各種工業(yè)生產(chǎn)場合獲取信息并加以快速分析的能力大大提高了，以此為基礎(chǔ)，各種智能化管理和監(jiān)控系統(tǒng)也不斷地被研發(fā)和投入使用，有力促進了生產(chǎn)力的進步。從廣義上講，物聯(lián)網(wǎng)屬于M2M系統(tǒng)的一部分，及人機之間和機器之間的雙重交互，而前者在互聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)得到了發(fā)展成熟，因此，對于物聯(lián)網(wǎng)而言，M2M研究的重點實質(zhì)上是落在了機器間的快速智能化通信方面。

在物聯(lián)網(wǎng)的M2M通信體系中包含多種組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸類型，一般以Internet為核心網(wǎng)絡(luò)、以固定和移動IP為接入網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)將處于各地現(xiàn)場的IP進行終端互聯(lián)，這也是最能體現(xiàn)物料網(wǎng)性能優(yōu)勢的一種通信模式。但這種模式在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在一些問題，例如當通信受到地址數(shù)量限制和網(wǎng)絡(luò)安全威脅時，如何自適應的解決在機器之間的傳輸，以及在自適應組網(wǎng)的過程中如何合理的分配節(jié)點能耗等。本文以物聯(lián)網(wǎng)通信特點為參考依據(jù)，提出對現(xiàn)行的STUN和STUNT協(xié)議的應用進行改進，并結(jié)合NAT穿越技術(shù)來完成M2M設(shè)備間通信的自適應調(diào)整，最終形成了一套行之有效的M2M通信解決方案。

2M2M系統(tǒng)的通信特點

由于M2M系統(tǒng)具有邊界明晰的功能域劃分，所以其通信特點主要反映在不同域的界面處，具體表現(xiàn)在連接設(shè)備域與網(wǎng)絡(luò)域的M2M網(wǎng)關(guān)處以及連接應用域與網(wǎng)絡(luò)域的服務(wù)能力處。

M2M網(wǎng)關(guān)作為典型的通信分界點，具有雙重身份，即網(wǎng)絡(luò)域邊緣節(jié)點和設(shè)備與的最高層節(jié)點。利用這一特點，M2M網(wǎng)關(guān)，承擔起了與設(shè)備域中如傳感器、射頻讀寫器等各種終端設(shè)備的通信交互。在M2M分布式系統(tǒng)中，大量來源于不同域的數(shù)據(jù)均在此處完成轉(zhuǎn)換工作，尤其是一些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，更需要在此處進行協(xié)議的映射，因此可以說，網(wǎng)關(guān)陸能的優(yōu)劣，直接決定了M2M系統(tǒng)整體的通信質(zhì)量。

3NAT穿越技術(shù)

3.1NA了穿越原理與M2M通信的有機結(jié)合

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)為了解決內(nèi)網(wǎng)至外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸而采用的一項地址映射技術(shù)，通過采用NAT，極大節(jié)約了IP地址的消耗，同時也很好隱藏了企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)布局狀況，隨著IP網(wǎng)絡(luò)應用的迅速擴張，NAT技術(shù)在迅速推廣的過程中也得到了不斷的改善。對于M2M通信而言，NAT技術(shù)的應用將顯著提高系統(tǒng)通信的效率，尤其當M2M局域網(wǎng)是EPC系統(tǒng)、WPAN等直接支持IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時，就可方便地將NA了技術(shù)融入至M2M網(wǎng)關(guān)中，使得M2M網(wǎng)管身兼二職，在完成協(xié)議映射任務(wù)的同時也解決了地址映射的需求。而當M2M局域網(wǎng)不支持IP協(xié)議時，則需要將在M2M網(wǎng)關(guān)中配置相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

在采用NAT技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)被分割成本地網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)兩種不用的應用域。而在傳統(tǒng)的NAT技術(shù)中，處在異地的兩個本地網(wǎng)絡(luò)中的用戶是無法完成直接通信的，因為這兩個用戶均只擁有本地地址，因而無法穿過公共網(wǎng)絡(luò)，同時處于公共網(wǎng)絡(luò)中的某站點也無法首先向本地網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點發(fā)起通信，這顯然造成了網(wǎng)絡(luò)通信的局限性，為了解決這一問題，各種NAT穿越技術(shù)被研發(fā)問世，主要有ALG、UPnP、STUN/STUNT等。

3.2STUN協(xié)議

STUN是一款基于C/S模式的通信協(xié)議，其主要作用是幫助本地網(wǎng)絡(luò)中的客戶端主機獲得位于公共網(wǎng)絡(luò)中的目標服務(wù)器的IP地址和服務(wù)進程啟用的端口，并將該公網(wǎng)地址夾帶在用戶數(shù)據(jù)包中，這樣就可有效地減少網(wǎng)絡(luò)通信開銷，當用戶數(shù)據(jù)包到達NA了出口處時，即可從報文頭部中取出對應的源地址與目的地址，并根據(jù)預先保存的映射表進行IP地址的轉(zhuǎn)換。圖1描繪了STUN的工作流程，通過該機制，即可解決本地網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點之間的通信障礙問題。

3.3STUN了協(xié)議

M2M系統(tǒng)中大量的通信是由終端發(fā)起，如智能終端定期以UDP數(shù)據(jù)報的方式向應用系統(tǒng)發(fā)送收集到的信息或向控制中心發(fā)送報警信息，以及終端之間定期交換報文等，STUN很好地滿足了這一應用需求。但是，在一些特殊的情況下，控制中心需要穿越M2M網(wǎng)關(guān)對位于NAT后端的終端進行遠程管理，或應用系統(tǒng)需要主動向指定的終端發(fā)送請求報文，這時只能處理UDP數(shù)據(jù)報的STUN協(xié)議就無能為力，可以采用支持了CP報文段的STUNT協(xié)議來解決這一問題。圖2描繪了一種典型的STUNT協(xié)議的工作流程。

4M2M通信方案的設(shè)計

在對STUN和STUNT進行對比分析后，下一步工作就是在這兩種協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前M2M系統(tǒng)的通信狀況，設(shè)計一款具有實用性的通信方案。在參考了大量文獻之后，本位設(shè)計的具體方案如圖3所示。在本方案中，除STUN、STUNT服務(wù)器和M2M應用服務(wù)器需要位于公共網(wǎng)絡(luò)外，其余終端全部交由NAT負責管理的本地網(wǎng)絡(luò)中，以充分利用NAT穿越技術(shù)帶來的優(yōu)勢。另一方面，終端設(shè)備的IP地址與互聯(lián)網(wǎng)中其他設(shè)備的IP地址結(jié)構(gòu)一致，但應用方式有所區(qū)別，通過這樣的設(shè)置，就可借助NAT穿越技術(shù)完成M2M設(shè)備之間的點對點通信，同時有效的完善了M2M設(shè)備的地址分配與管理問題.

觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，圖中的任意一臺M2M設(shè)備均被配置了一個全網(wǎng)唯一的ID，并在該設(shè)備中設(shè)置了一個STUN/STUNTClient模塊，而在NA了服務(wù)器中結(jié)合了服務(wù)器進程STUN/STUNT Server，用來負責對客戶端發(fā)來的請求進行分析和處理，同時負責識別M2M設(shè)備端的NAT類型。集成了用戶注冊和認證功能的M2M應用服務(wù)器負責對M2M設(shè)備ID的管理，并記錄M2M設(shè)備的IP地址、端口號、NAT類型等信息。

從方案執(zhí)行流程方面來分析，可以分為三種情況，現(xiàn)對其進行逐一討論：

（1）M2M設(shè)備向M2M應用服務(wù)器發(fā)起通信

這種通信情況是物聯(lián)網(wǎng)中最常見的一種，由終端設(shè)備負責在感知層采集數(shù)據(jù)，并將其通過各種通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器進行處理，這種傳輸模式既可以采用實時化的快速傳輸，也可采用定期傳輸方法，待數(shù)據(jù)有了一定量的的積累后再統(tǒng)一傳送。由本文提出的通信模式可知，數(shù)據(jù)的傳輸方向是從本地網(wǎng)絡(luò)到外部的公共網(wǎng)絡(luò)的，因此需要由NAT允許其建立UDP和TCP連接請求。

（2）M2M設(shè)備之間的通信

在這種通信模式下，用戶數(shù)據(jù)通常在STUN協(xié)議下被封裝成UDP用戶數(shù)據(jù)報的形式進行傳送，以盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性能。由于參與通信的M2M設(shè)備均位于本地網(wǎng)絡(luò)中，因此可以利用其本地IP地址直接進行通信，而位于不同本地網(wǎng)絡(luò)中的M2M設(shè)備則可以通過NAT穿越技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。本方案中所設(shè)計的不同本地網(wǎng)絡(luò)間的M2M設(shè)備通信過程如圖4所示。

（3）M2M應用服務(wù)器向M2M設(shè)備發(fā)起通信

在大多數(shù)情況下，都是有終端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)起通信，服務(wù)器保持監(jiān)聽并被動地接受終端發(fā)來的請求，但在某些特殊的情況下（如服務(wù)器需要對終端進行遠程控制），服務(wù)器也可主動向終端發(fā)起通信，公共網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器向本地網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備發(fā)起TCP連接時，可采用支持TCP的STUNT協(xié)議來完成這一工作。這一過程與圖3所描述的流程向類似，在M2M設(shè)備已經(jīng)注冊的情況下，M2M應用服務(wù)器首先把通信建立請求發(fā)給STUNT Server，STUNT Server將其轉(zhuǎn)給M2M終端，后者在收到請求報文后將發(fā)回確認反饋，服務(wù)器再對此反饋做出響應，進過三次握手的過程即可建立可靠地了CP連接通道，從而實現(xiàn)從公共網(wǎng)絡(luò)到本地網(wǎng)絡(luò)的穿越。

5總結(jié)

本文提出了一種基于STUN和S7WUN了技術(shù)的M2M通信方案，較為有效地解決了M2M設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信障礙問題，為該類型通信方案的設(shè)計工作提供了良好的參考借鑒作用。相信隨著后期實踐調(diào)整工作的不斷推進，本方案會進一步完善，成為一款真正具有實用價值的通信方案。