福利 | Python 物联网全栈开发实践

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编者按：昨日，第一届小米 IoT 开发者大会在京召开，大会上正式发布了小米IoT 开发者计划，此外，百度集团总裁兼首席运营官陆奇宣布百度和小米达成战略合作，将联手共建“AI+IoT”软硬一体模式。在如今 IoT 大行其道，定义却模糊不清之时，作为开发者我们该如何进行物联网全栈开发？

在这篇文章中，我们以 Twisted 为例，分享物联网设备接入的基本协议及架构搭建，希望能给诸多开发者一些思考，更加快速地上手物联网开发。

本章节选自图书《从芯片到云端：Python物联网全栈开发实践》。同时为了回馈大家长久以来的支持与关注，特申请 5 本技术图书赠于物联网开发道路上的同行者，详细规则可见文末。

远程设备可以通过4G网络或者Wi-Fi直接连接TCP/IP网络，也可通过网关、边缘服务器等设备转换到TCP/IP网络，再连接到设备云、应用云、大数据分析服务器和用户APP。本节内容将总结设备云各种接入协议的实现，包括：

• 基于TCP/UDP的套接字服务器；

• 基于UDP的CoAP协议；

• 基于TCP的MQTT协议；

• 基于HTTP的REST API Web服务。

除了这几种，还可以找到其他一些协议：

• HTML5 WebSocket/SSE，可以支持持久连接和服务器推送；

• XMPP，用于即时通信等。

严格地说，应该将后两类定义为互联网客户端接入协议。客户端本质上也是设备端，但是其已经独立发展，形成了自己的特点。

从目前来看，许多设备联网都采用私有协议，需要定制接入服务；物联网专用协议CoAP/MQTT也很热门；而基于Web的REST API和其他方式也是互联网标准。所以，本节将以Twisted为例，讲解如何接入这些协议。

异步通信框架Twisted

Twisted设计于2000年，是事件驱动的异步网络引擎架构，作者是Glyph Lefkowitz。Twisted最初是针对一款多人在线游戏（Twisted Reality）而设计的网络通信框架，其后来发展成为一个事件驱动、跨平台的可扩展型通用网络应用开发框架。

Twisted自推出以来广泛用于生产环境中，Google、Lucas Film、Justin.TV及Launchpad软件协作平台都采用Twisted设计过产品和网络服务。此外，Twisted还驱动着BuildBot（自动构建工具）、BitTorrent（著名P2P分享服务）及TahoeLAFS（开源云存储服务）。

作为网络应用的重型框架，Twisted支持常见的传输层和应用层协议，包括TCP、UDP、SSL/TLS、HTTP、IMAP、SSH、IRC、FTP和DNS。用Twisted定制开发客户协议也很简单。Twisted对于其支持的协议都带有客户端和服务器端，同时附有命令行工具和Log日志输出，这可以用于配置和部署产品级的网络应用。

图9-10来自Twisted的参考设计：Poetry Server。Twisted是单线程设计，运行于单一CPU核心中，可以在单一线程中集成多个端口服务。但Twisted通过Reactor模型构建了高速异步事件驱动型网络编程框架。

图9-10  Twisted系统运行示意图

多核服务器与负载均衡

Ngnix由俄罗斯工程师Igor Sysoev开发，其徽标如图9-11所示。Ngnix可以作为Web代理服务器、Mail代理服务器和通用的TCP/UDP代理服务器。套接字服务器、Web服务器、Web API服务器的负载均衡可以采用Ngnix来实现，这几乎是行业标配之一了。

图9-11  Nginx徽标

在多核服务器中可以运行多个Twisted实例，并可以非常容易地进行规模性能扩展。但一台服务器一般只会分配一个公网IP。如果Twisted实例分别侦听不同端口也没有问题；如果共享一个侦听端口，则需要负载均衡服务器来实现。

作为主流的反向代理服务器，Ngnix可以支持多台多核高配主机，运行多个Twisted实例实现横向规模扩展。具体实现方法如图9-12所示。

• Twisted 1，运行于Server A，CPU1，侦听端口5000；

• Twisted 2，运行于Server A，CPU2，侦听端口5010；

• Twisted x，运行于Server A，CPUx，侦听端口50x0；

• ……

• Twisted 1，运行于Server B，CPU1，侦听端口5000；

• Twisted 2，运行于Server B，CPU2，侦听端口5010；

• Twisted x，运行于Server B，CPUx，侦听端口50x0；

• ……

• Ngnix，侦听指定端口6000，并按照预先定义的分配策略将流量转发给 Server A/B/Z中的CPU1/CPU2/CPUx。

• 还可以在Ngnix处部署TLS证书等。

图9-12  Ngnix与多个Twisted服务器实例构成负载均衡设计

基于TCP的四层负载均衡并发能力是50万个长连接，这可以满足大多数物联网需求了。如果需要更多连接数，可以通过子域名将流量分配到多台负载均衡的方式实现规模扩展。

客户端

在Twisted的参考设计中，一般会对等提供服务器和客户端设计。在应用层上，用户还可以自行替换或者扩展Twisted的客户端。Web客户端中较为出名的是网络爬虫框架Scrapy。

服务器端

Twisted虽然提供HTTP端口的客户端和服务器，但是其仅支持简单的HTTP开发。基于Twisted，可以使用更加完整的 Web框架，如Klein或Cyclone等。物联网CoAP协议对应的代理服务器是txThings。MQTT有twisted-mqtt-client客户端。笔者曾经误以为Twisted方案是实现MQTT服务器，但其实它是作为MQTT客户端存在的：

• MQTT broker是服务器，比如开源的mosquitto，或者云服务供应商的IoT套件；

• twisted-mqtt-client作为broker的客户端，挂接在broker服务器上；

• twisted-mqtt-client将数据保存在持久层（如SQL/NoSQL/NewSQL数据库服务器）中。

所以在基于MQTT的设计中，Twisted提供的都是客户端设计。但之所以将其归类到服务器，主要因为这都是服务器端领域的设计。

从物联网接口来看，Twisted已经支持了大多数的设备接入协议：

• REST Web API，基于Web 服务器；

• Raw TCP/UDP，定制客户协议，用于传统设备升级；

• CoAP，用于超轻量级物联网；

• MQTT，用于轻量级物联网。

与Twisted相关联的有Tornado和Cyclone。Twisted/Tornado/Cyclone的英文含义是类似的。这些开源工程的名称暗示自己的设计运行速度飞快。

这三者间存在联系和差异：

• Twisted是独立发展的网络编程架构，基于epoll/poll/select，跨操作系统。

• Twisted不仅仅针对Web，它还包括了许多其他网络协议。

• Tornado是FriendFeed设计的异步非堵塞Web网络框架，基于epoll。

• Tornado虽然也可以支持套接字服务器，但其主要作为Web服务器使用。

• Twisted的Web过于简单，Cyclone项目将Tornado API在Twisted上重新实现，是Twisted Web完整框架。

• Cyclone的缺陷在于生态和社区不够强，只有作者一人维护。

• Twisted上还推荐Klein做Web，Klein比Cyclone更加简单，但Cyclone更加完整。

虽然Tornado也支持socket/WebSocket/Web Server，社区生态也很强，但笔者希望尽量减少框架种类，还是采用了基于Twisted/Cyclone的完整生态开发。

在服务客户定制项目的过程中，笔者以Twisted为基础实现了EPIC设备连接服务器，具备以下特点：

• 物联网设备联网使用Twisted TCP/UDP套接字服务器；

• Web/Web API使用Cyclone；

• MQTT接入采用mosquitto开源服务器；

• CoAP 接入采用txThings代理服务器；

• 消息队列采用Redis/ZeroMQ；

• 负载均衡使用Ngnix或PaaS；

• SQL数据库采用MySQL/MariaDB；

• 内存数据库采用Redis。 

因文章篇幅有限，更多有关 Twisted 套接字服务器设计、协议接入可查看《从芯片到云端：Python物联网全栈开发实践》。

图书详情

摘要：本书讲述如何以Python为主要编程语言，实现“从芯片到云端”的物联网应用系统快速开发和系统扩展。通过阅读本书，读者可以充分体会Python作为一门全栈开发语言，是如何在物联网的设备端、应用端、服务器端和数据端环节中发挥作用的。

作者：刘凯，服务于微电子行业二十余载的资深工程师。曾在飞利浦半导体（即NXP恩智浦半导体前身）任资深工程师，从事软、硬件开发与产品设计等工作，有用汇编/C/C++开发嵌入式系统固件、用Perl/Python脚本做开发支持工具、用PHP/Java/Python做设备云和Web应用的丰富经验。

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