M2M通信协议综述

交互， 每一个请求报文须有一个应答报文 作为应答。WMMP报文由报文头和报文体构成，其结构如图所示。
起始
结束
报文头（定长）（必选）
报文体（变长）（可选）
图2.3 WMMP协议报文结构图
(1) 报文头 报文头是每个WMMP报文必要的公共部分，它描述了每个WMMP报文的最 基本信息，其长度固定；而且其格式固定，依次为报文总长度、报文命令代码、 报文流水号、报文协议版本、报文安全标识、保留字、终端序列号等字段。 在通用M2M终端设备与M2M平台间协议的基础上通过扩展TLV的方式来定 义某一类机器间的通信语义。 TLV是带格式的的数字或不定长字符串或字节数组， 它被用来动态扩展消息交互中的数据及参数，TLV的结构如图所示。
选择TCP协议作为传输方式。
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4、WMMP协议的安全机制
WMMP协议的完整的安全交互流程如下所示： 1．M2M终端接收上、下行接入密码和基础密钥短信后，应立即发起首次登 录M2M平台流程。若超时未登录，则M2M平台认为该终端接收密钥失败，将自 动消除该终端的注册信息，等待该终端再次重新发起新注册流程。 2． 当需要对M2M终端与M2M平台之间的数据交互进行加密时， 由M2M终端 在登录报文中向M2M平台请求会话密钥。 3．M2M终端成功接收到会话密钥之后，通信双方可根据其业务需要决定是 否对其发送的报文进行加密， 但一次报文交互的请求报文与应答报文是否加密必 须一致。若加密，则本次报文交互的请求与应答都必须加密处理；反之，则都是 明文发送。但由于某些应答报文中不携带实际意义的数据，仅是报文头，因此针 对这些应答报文无须加密。为区分报文是否加密，必须在报文头的加密标识位上 进行标识。 WMMP协议的安全机制主要是在应用协议层解决SIM卡与终端被非法使用 和M2M终端与M2M平台的数据交互安全问题，同时尽可能的不依赖于具体的通 信方式。 由于M2M终端使用环境的安全性无法得到保证， 以及其它通信方式存在一定 的安全风险，因此，WMMP协议的安全机制中所涉及的所有密码、密钥如无特 别的声明，都是具有生命周期的，必须定期或不定期更新，并且必须由M2M平 台通过下发给M2M终端。此外，在WMMP协议的安全机制中，根据M2M终端的 处理能力和承载业务的需要，可由M2M平台为其设置不同的安全机制级别，默 认情况不使用M2M终端与SIM卡的双向安全认证机制和数据加密机制， 仅对基于 GPRS方式采用接入安全验证。 （1） M2M终端与SIM卡的双向安全认证机制 只有M2M终端拥有正确的PIN1码才能启用合法的SIM卡，从而通过SIM卡接 入到M2M业务系统；与之对应，只有对应的SIM卡才能启动合法M2M终端，从 而通过M2M终端使用M2M业务系统。 （2）终端与平台的数据交互安全 采用报文内容加密的方式， 通过对内容体中的数据进行加密， 以实现M2M终 端与M2M平台之间交互报文来源的身份验证并保证报文的完整性，从而保证报 文内容在传输过程中的安全性。
本论文围绕中国M2M发展现状和关键技术展开综述。 在中国，为了实现对各类终端的安全管理，运营商提出了一套完整的无线 M2M 通信协议 （Wireless M2M Protocol,简称 WMMP） ， 它是 M2M 业务的核心。 从核心构成来说， 物联网由云计算的分布式中央处理单元、传输网络和感应识别 末梢组成。 就像互联网是由无数个局域网构成的一样，未来的物联网势必也是由 无数个 M2M 系统构成，就如人身体不同机能一样，不同的 M2M 系统会负责不 同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终组成智能化的社会系统。
1、介绍
对物联网发展和 M2M 技术的概述， 主要从物联网全球发展现状， 中国 M2M 技术两方面进行阐述。 就物联网的全球发展现状来看，各个国家地区都提出了各自的物联网计划与 标准。而同时国家和地区信息化战略的共同点是：融合各种信息技术，突破互联 网的限制，将物体接入信息网络，实现“物联网”；在网络泛在的基础上，将信息 技术应用到各个领域，从而影响到国民经济和社会生活的方方面面。 在我国，政府提出“感知中国”的发展计划，各大运营商也将其看做未来发展 的重点，提出M2M等物联网技术。 虽然物联网的发展前景无限，但也存在多方面的问题，涉及到标准、安全、 规划、管理等多个领域，此处只重点说明在协议方面的问题：物联网是互联网的 延伸， 在物联网核心层面是基于P网络， 但在接入层面， 协议类别五花八门， GPRS、 短信、传感器、TD-SCDMA 、/WCDMA/、CDMA2000、有线等多种通道，所 以物联网需要一个统一的接入协议。
内容体可以通过数据加密以保证其在传输过程中的安全性。对于内容体的加 密，既可以对整个内容体进行加密，也可以对某个或某几个TLV进行单独加密； 而加密结果也以特定的TLV在报文中表示。 （2）报文体 报文体是WMMP报文中承载交互数据的部分，其长度可变，格式不固定，甚 至可以缺省，一般由内容体和摘要体构成。内容体一般由固定参数部分和可变
2.2 WMMP协议概述
WMMP(Wireless M2M Protoc01)协议是为实现M2M业务中M2M终端与M2M 平台之间、M2M终端与终端之间、M2M终端与M2M应用平台之间的数据通信过 程而设计的应用层协议，其体系如下图所示：
图2.1 WMMP协议体系
WMMP协议是M2M架构中的一个协议泛称，它包括M2M终端和平台接口协 议，M2M终端与M2M终端接口协议，以及M2M终端和M2M应用接口协议。 其中，M2M终端和平台接口协议，完成M2M平台与M2M终端之间的数据通 信，以及M2M终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信，是 WMMP协议体系中最重要的部分。 2.2.1 WMMP协议栈结构 WMMP协议的核心是其可扩展的协议栈及报文结构，而在其外层是由 WMMP协议核心衍生的接入方式，与通信机制和安全机制不相关。在此基础之 上，由内向外依次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功 能。 WMMP协议建立在TCP/IP或UDP/IP协议、 SMS/USSD之上， 其协议栈结构如 图所示：
2、������������������������协议研究与分析
2.1 WMMP协议背景
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在WMMP协议提出之前，M2M技术采用如下两种方式实现： 1． 两台具有GPRS功能的M2M终端直接通讯， 双方通过无线方式接入核心网 后进行连续通讯； 2．将一台GPRS终端作为M2M终端，将一台电脑作为服务器放在Internet上 作为M2M应用，终端通过无线方式进行通讯。 第一种方式，整个系统过于简单，只要终端数量增加，相互问的逻辑关系就 会复杂到无法有条理地区分； 第二种方式则受到无线网内互联相关法规的约束而 发展缓慢。此外终端的合法性、终端产生通讯异常时候的处理、终端上报数据的 统计、终端与服务器之间通讯的协议也是当时M2M技术中难以解决的问题。 WMMP协议的提出解决了以上的问题，接下来进行详细的研究和分析。
TLV/TLV部分组构成。固定参数部分的格式是各类报文所独有的，不同类型的报 文其固定参数部分也不完全相同，某些类型的报文甚至缺省固定参数部分。摘要 体是一个可选的TLV，用于报文完整性和来源身份合法性的验证。 2、 WMMP 报文分类 根据报文是否采用安全机制，可将WMMP报文为四类：普通报文、接入安全 验证报文、部分加密报文、完全加密报文。 普通报文，以明文方式传送的、未采用任何安全机制的、仅有报文头和报文 体中的内容体WMMP报文。 接入安全验证报文，以明文方式传送的，除报文头和内容体之外，在报文体 的最后携带了用于接入验证的摘要体的WMMP报文。 部分加密报文，对内容体中的某个或某几个TLV进行单独加密的，除报文头 和内容体之外， 在报文体的最后携带了用于接入安全验证的摘要体的WMMP 报文。 完全加密报文，对整个内容体进行加密的，除报文头和内容体之外，在报文 体的最后携带了用于接入安全验证的摘要体的WMMP报文。 3、 WMMP协议通信方式 WMMP协议中采用了逻辑连接(接下来简称为“连接‟‟)的概念。所谓逻辑连接 是指M2M终端与M2M平台一次完整的报文交互过程， M2M终端以登录请求报文 向M2M平台登录，其后M2M平台鉴权成功并发送登录应答报文为开始，以通信 双方一端发起退出请求， 另一端发出退出应答为结束，在逻辑连接中通信超时也 视为连接结束。在此交互过程中，通信形式可以是SMS、USSD、或基于GPRS 的TCP或UDP方式，也可以是混合模式，即通信方式可在逻辑连接中切换。但需 要注意的是，对于一对请求、应答，必须在同一通信方式下完成。 采用基于IP的通信方式做承载时， 根据M2M终端与M2M平台之间的IP链路连 接是否一直存在，可分两种连接方式：长连接和短连接。所谓长连接，指在一个 连接过程中可以连续发送多个数据报文，如果没有数据报文发送，需要M2M终 端发送心跳报文以维持此连接。 短连接是指通信双方有数据交互时，就建立一个 WMMP连接过程，数据发送完成后，则断开此WMMP连接过程。 M2M终端平时处于离线状态， 当本地需要传输数据或达到定时上线时间等相 关策略时，M2M终端作为客户端以“客户一服务器”方式建立WMMP连接，传送 数据完成后，结束该连接。短连接的操作流程与长连接基本一致，唯一的区别在 于M2M终端不需要通过心跳报文来维持与M2M平台通信的连接链路，而是在结 束与M2M平台的数据传输之后，立即向M2M平台请求退出登录状态。短连接适 用于数据量少，不需要一直在线的M2M应用或服务。 无论长连接，还是短连接，在采用口方式时，都可以根据实际网络通信质量 采用TCP或UDP方式。若网络通信质量较好时(下行速率大于2Mbps)，可以优先
M2M 通信协议综述
2014.12.17
中南大学信息科学与工程学院 通信工程专业
摘
要
近年来，物联网以其跨学科特色成为信息科技产业的研究热点，它是互联网 的延伸，前景无限，但现阶段物联网发展处于萌芽时期，各国均处于探索阶段， 涉及到的研究领域和关键技术众多，协议类型五花八门，在国际上没有统一的规 范和协议，这深深影响着 M2M 以及物联网的发展。物联网需要一个统一的接入 协议。 为了对不同移动终端进行安全管理， 无线 M2M 协议 （WMMP） 作为 M2M 系统的核心元素被主要移动运营商所提倡。本文在对物联网发展和 M2M 业务进 行分析的基础之上，对不同的 MAC 协议、WMMP 协议以及 MDMP 协议进行了 概括介绍，重点对 WMMP 协议的协议栈结构、报文结构、通信方式和安全机制 进行了深入研究阐述与分析。