LoRaWAN中的网关和chirpstack到底如何通信的？UDP?GRPC?MQTT?

一，前言

在做标准的LoRaWAN项目中时，网关有着承上启下的作用，在MCU上跑的网关程序，既要接收来自节点的数据，又要将节点数据打包发到服务器（chirpstack）。
今天博主要讲的是网关和服务器的通信到底是怎么样的呢？
听上去，网关和服务器的连接不就是标准的socket流程吗，创建两个文件描述符一个负责上行，一个负责下行，往里面读写不就行了吗？其实非也，在这里面大有学问!

二，几个知识点

2.1，chirpstack组成

2.1.1，ChirpStack网关桥

位于数据包转发和MQTT代理之间。它将数据包转发器格式（例如 Semtech UDP数据包转发器协议）转换为ChirpStack组件使用的数据格式（GRPC）。它还提供与各种云平台的集成，例如GCP Cloud IoT Core 和Azure IoT Hub。

2.1.2，ChirpStack网络服务器（NS）

负责管理网络的状态。它具有网络上设备激活的知识，并且能够在设备要加入网络时处理加入请求。
当多个网关接收到数据时，ChirpStack网络服务器将对这些数据进行重复数据删除，并将其作为一个有效负载转发给ChirpStack应用服务器。当应用服务器需要将数据发送回设备时，ChirpStack网络服务器会将这些项目保留在队列中，直到能够发送到其中一个网关为止。

2.1.3，ChirpStack应用服务器（AS）

与ChirpStack网络服务器兼容。它提供了用于管理用户，组织，应用程序，网关和设备的Web界面和API。收到的上行链路数据将转发到一个或多个已配置的集成。

2.1.4，Redis

是由意大利人Salvatore Sanfilippo（网名：antirez）开发的一款内存高速缓存数据库。Redis全称为：Remote Dictionary Server（远程数据服务），该软件使用C语言编写，Redis是一个key-value存储系统，它支持丰富的数据类型，如：string、list、set、zset(sorted set)、hash。ChirpStack应用程序服务器将所有非持久性数据存储到 Redis数据存储中。

2.1.5，PostgreSQL

是一种特性非常齐全的自由软件的对象-关系型数据库管理系统（ORDBMS），是以加州大学计算机系开发的POSTGRES，4.2版本为基础的对象关系型数据库管理系统。ChirpStack应用程序服务器将网关数据保存到 PostgreSQL数据库中。

2.1.6 ，mosquitto

ChirpStack应用程序服务器利用MQTT来发布和接收应用程序有效负载。Mosquitto是流行的开源MQTT服务器。

2.2，GRPC

2.2.1，GRPC是啥？

是Goolge公司开发并工作在应用层的通信协议，RPC是指本地服务调用远程服务器上的程序或服务，是一种客户端服务器（C/S）通信模式。GRPC是由Google开发并且将其开源。 通过它，一个客户端消费者服务可以像调用本地方法一样，调用另一台主机上面的服务端方法。GRPC相对于RPC，在实现上使用了HTTP2.0，协议缓冲区（protobuf）等技术。

2.2.2，GRPC的优点？

1）在微服务的设计中，我们通常采用HTTP REST（网络应用程序的设计风格和开发方式）传输数据，并在两个服务之间进行序列化和反序列化操作；另外传统的RESTful接口使用JSON、XML或者其他的一些格式作为数据载体，使得服务运行缓慢，内存占用较高、并且传输过程没有压缩；grpc里面跑的是protobuf格式，依赖于客户端和服务端建立socket连接进行。

2）由于HTTP在应用层中完成，整个通信的代价较高，远程过程调用中直接基于TCP进行远程调用，数据传输在传输层TCP层完成，更适合对效率要求比较高的场景，RPC主要依赖于客户端和服务端之间建立Socket链接进行，底层实现比REST更复杂；

3）相比常规的RPC，GRPC拥有更好性能；

2.3，protobuf

2.3.1，protobuf是啥？

Protobuf全称是Google Protocol Buffer，是一种高效轻便的结构化数据存储方式，可用于（数据）通信协议、数据存储等。也可以理解为结构化数据的序列化方法，提供了高效率的序列化和反序列化机制，序列化就是把对象转换成二进制数据发送给服务端，反序列化就是将收到的二进制数据转换成对应的对象。

序列化将数据结构或对象转换成能够被存储和传输（例如网络传输）的格式，同时应当要保证这个序列化结果在之后（可能是另一个计算环境中）能够被重建回原来的数据结构或对象。

2.3.2，protobuf的优点

1）与语言无关、与平台无关。即 ProtoBuf 支持 Java、C++、Python 等多种语言，支持多个平台
2）高效。即比 XML 更小（3 ~ 10倍）、更快（20 ~ 100倍）、更为简单
3）扩展性、兼容性好。你可以更新数据结构，而不影响和破坏原有的旧程序

json是文本文件，文本文件是基于字符的。
protobuf是二进制编码，基于值的。

三，网关和chirpstack通信

3.1，不考虑MQTT

根据程序框图我们可以看出来，chirpstack_bridge位于NS之前，作用是将所有网关来的数据包都转换成适合chirpstack内部走的protobuf格式，然而显而易见的是，我们也可以在网关程序实现这个功能，即网关把收到的RF包组装成protobuf再发出，意思就是在网关程序内部实现chirpstack_bridge这个功能，那么这个数据便可以直接通过GRPC传送到chirpstack的NS而不经过chirpstack_bridge！

下面是我自己画的流程图：

3.2，考虑MQTT

依旧看流程图，MQTT的broker位于NS和chirpstack_bridge之间，那么我们实现mqtt的方式就会有两种：

第一种：
网关实现chirpstack_bridge功能（将数据封装成protobuf）以后，将数据pub到chirpstack的broker，再进行后面的操作，这种实现比较容易。

第二种:
网关不实现chirpstack_bridge功能，通过udp到chirpstack_bridge，然后chirpstack_bridge再pub到chirpstack的broker，再进行后面的操作，这种实现要在网关这边将数据包重新组包再通过udp发送，且在chirpstack内部与要进行多次mqtt的操作，比较困难，但是各部分分工明确，各部分之间能有交互性，扩展性好。

下面是我自己画的流程图：