智能家居背后的那些技术

【发布时间：2017-12-26】

WebSocket入门

在通常的智能家居场景中，我们可以很方便地从口袋中掏出手机，打开APP应用，点击几下，启动家里的热水器，这样下班回家后，马上就可以洗个热水澡。

在这点击的零点几秒的时间内，Internet网上的控制报文是如下传输的。

①客户手机连接到云服务器发出热水器的控制指令

②云服务器把控制指令转发给家中智能家居网关，控制热水器开关

③热水器响应控制指令，将结果反馈给云服务器

④云服务器再将结果反馈给客户APP，APP显示设置成功

大家可能会问一个问题，为什么客户APP不直接控制智能家居网关，而使用云服务器做中转？

答案：智能家居设备是躲在家用路由器的后面，它的ip地址并不是公网地址，因此用户手机是无法访问到智能家居设备。同理，云服务器也无法访问到智能家居设备。

因此智能家居设备需要主动向云服务器发起连接，并建立好连接。这样客户APP就可以就随时登录到云端，通过云端对智能家居进行控制。

我们拿在internet世界最常用的HTTP协议来实现智能家居网关和云服务器的交互控制。HTTP协议非常简单，客户端发起一个request，服务器回一个response。

大家注意，服务器是不能主动发起请求的，这是因为HTTP协议必须是客户端发起的。因此如果要控制智能家居设备，智能家居设备需要不停的向服务器发起询问，查看云服务器是否对它下控制命令。

设备不停地对服务器请求会造成以下问题：

1、无论设备还是云服务器，CPU很忙，设备性能下降

2、占用带宽，特别是云服务器的带宽资源是比较昂贵的

好，我们现在请出WebSocket协议来替换HTTP协议的实现，设备和服务器的请求变成下面的对话：

这样就明显合理多了，因此WebSocket协议有如下几个优点：

1、更小的控制开销。建立连接后，用于协议控制的数据包头部相对较小，在不扩展的情况下，只有2－10个字节。相对于HTTP请求每次都要带完整的头部，开销要小很多

2、更强的实时性，协议是双工的。客户端和服务器端都可以随时发起请求。

正因为WebSocket有这些优点，它当前被大量使用在如下领域：

1、社交聊天，如果WebSocket早一些出来，QQ和微信聊天的协议估计就是它了

2、弹幕

3、多玩家游戏

4、协同编辑，比如Google Docs，允许多人在线同时编辑相同一篇文档

5、股票基金报价

6、基于位置的应用

7、智能家居

可以看出来，需要实时性的场景都会使用WebSocket。

WebSocket vs HTTP

下图是WebSocket和HTTP协议层次模型：

从图上可以看出，HTTP和WebSocket有一些交集，我们通过下面一个典型的WebSocket握手请求来展示：

客户端请求

GET/webfin/websocket/ HTTP/1.1Host: localhostUpgrade: websocket

Connection:UpgradeSec-WebSocket-Key: xqBt3ImNzJbYqRINxEFlkg==Origin: http://服务器地址Sec-WebSocket-Version: 13

服务器回应

HTTP/1.1101 Switching ProtocolsUpgrade: websocketConnection: UpgradeSec-WebSocket-Accept: K7DJLdLooIwIG/MOpvWFB3y3FE8=

可以看出来，WebSocket建立连接是使用HTTP协议进行握手的，握手完成之后，WebSocket就和HTTP没有关系了，真正的数据传输阶段是不需要http协议参与的。

WebSocket和HTTP是独立的协议，那么为什么WebSocket协议借用了HTTP的协议来建立连接而不是自建一套独立的协议呢？

在前几年的时候，在大多数公司里，IT为了让大家安心工作，在公司的防火墙上把QQ的端口号封了，这样既解决了大家可以正常上网，但不能上网QQ聊天。如果QQ改用WebSocket来实现，WebSocket使用和HTTP相同的80端口，IT就没法限制了，除非把Web浏览也禁掉。因此WebSocket协议借用了HTTP的协议来建立连接，使用HTTP的端口号，可以绕过大多数防火墙的限制。有Web的地方，WebSocket就可以通行无阻。

浏览器的兼容性

由于WebSocket协议是在2011年最终定稿，因此一些旧款的浏览器还无法支持WebSocket，比如IE10以前的版本。下面是实现了WebSocket的浏览器（最终版本RFC6455）：

Web世界日新月异，但IE的对新技术的支持总要慢一拍，所以现在IE的份额也在逐年下降。来自Net Market Share 2016年7月份的统计，Google的Chrome浏览器（48.65%）已经超越 IE（31.65%）的市场份额。这里提醒，还在用IE老版本的朋友们，赶快升级吧。

WebSocket之前

大家可能会有疑问，2011年WebSocket才最终定稿，那么之前如何实现像聊天室之类的实时应用呢？答案是：使用tcp编程。所以像QQ这样的聊天程序，腾讯需要自己开发私有的SDK来实现。如果今天开发QQ聊天程序，直接拿WebSocket来用就好了，浏览器、客户端程序、服务器程序、各种编程语言都已经开发了现成的WebSocket库函数，可以直接调用。底层的通信协议和实现细节不用再考虑了。

HTTP和WebSocket的编程对应于OSI七层协议中的第七层，而tcp编程在第三层。从编程角度来说，层次越高，编码越简单。原理类似于，程序员用c语言编程还是python编程一样，python写几句话，c可能需要写几页的程序。

总结

在web开发之前是没有保持长链接的协议，WebSocket的诞生使其从无到有，全双工、实时、高效，WebSocket迎合了实时通讯的需求。

参考

1、维基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/WebSocket

2、知乎https://www.zhihu.com/question/20215561