抓住CoAP協議的“心”

三升水發表於2020-05-08

摘要

The Constrained Application Protocol（CoAP）是一種專用的Web傳輸協議，用於受約束的節點和受約束的(例如，低功率，有損)網路。

節點通常具有帶少量ROM和RAM的8位微控制器，而諸如低功耗無線個人區域網（6LoWPAN）上的IPv6之類的受限網路通常具有較高的分組錯誤率，典型吞吐量為10 kbps 。該協議旨在用於機器對機器（M2M）應用，例如智慧能源和樓宇自動化。

CoAP提供了應用程式端點之間的請求/響應互動模型，支援服務的資源發現，幷包括Web的關鍵概念，例如URI和Internet媒體型別。CoAP旨在輕鬆與HTTP互動以與Web整合，同時滿足諸如多播支援，非常低的開銷以及在受限環境中的簡單性等特殊要求。

介紹

網際網路上的Web服務（Web API）的使用在大多數應用程式中已經無處不在，並且依賴於Web 的Representational State Transfer（REST）體系結構。

Constrained RESTful Environments（CoRE）的工作旨在以最合適的形式實現REST體系結構，以適用於最受約束的節點（例如RAM和ROM受限的8位微控制器）和網路（例如6LoWPAN）。諸如6LoWPAN之類的受約束的網路支援將IPv6資料包分段成小的鏈路層幀。但是，這會大大減少資料包交付概率。CoAP的一個設計目標是保持訊息開銷較小，從而限制了分段的需要。

CoAP的主要目標之一是針對這種受限環境的特殊要求設計通用的Web協議，尤其是考慮到能源，樓宇自動化以及其他機器對機器（M2M）應用程式。

CoAP的目標不是盲目地壓縮HTTP，而是實現與HTTP通用但針對M2M應用程式進行了優化的REST的子集。儘管CoAP可用於將簡單的HTTP介面重新生成更緊湊的協議，更重要的是，它還提供了M2M的功能，例如內建資源發現，多播支援和非同步訊息交換。

該協議可以輕鬆轉換為HTTP以與現有Web整合，同時滿足特殊要求，例如多播支援，非常低的開銷以及受約束環境和M2M應用程式的簡便性。

特性

CoAP具有以下主要功能:

在受限條件下滿足M2M要求的Web協議
UDP [ RFC0768 ]繫結，具有可選的可靠性，支援單播和多播請求。
非同步訊息交換。
低的報頭開銷和解析複雜度。
簡單的代理和快取功能。
無狀態HTTP對映，允許構建代理通過HTTP統一方式或HTTP訪問CoAP資源。
繫結到資料包傳輸層安全性（DTLS）的安全性。
URI和內容型別支援。

訊息格式

  0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Ver| T |  TKL  |      Code     |          Message ID           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |   Token (if any, TKL bytes) ...
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |   Options (if any) ...
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |1 1 1 1 1 1 1 1|    Payload (if any) ...
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

上圖的頭部欄位定義如下:

Version(Ver): 2位無符號整數。CoAP版本號。本規範的實現必須將此欄位設定為1(01二進位制)。其他值保留用於將來的版本。

Type(T): 2位無符號整數。指示此訊息的型別是否為Confirmable(0), Non-Confirmable, Acknowledgement(2)或者Reset(3)。

Token Length(TKL): 4位無符號整數。指示可變長度令牌欄位的長度（0-8個位元組）。長度9-15 保留，不得傳送，並且必須作為訊息格式錯誤進行處理。

Code: 8位無符號整數，響應碼。

Message ID: 網路位元組順序的16位無符號整數。用於檢測訊息重複並將確認/重置型別的訊息與可確認/不可確認型別的訊息進行匹配。

CoAP初體驗

CoAP有兩款我覺得比較不錯的客戶端:

CoAP-CLI: CoAP-CLI是CoAP的命令列介面，基於node.js和node-coap所構建。
The CoAP Shell提供用於與CoAP協議互動的命令列介面。它支援coap:和coaps模式(例如UDP和DTLS)。CoAP Shell建立在Spring Shell, Californium(Cf)和Scandium(Sc)專案之上。它是一個SpringBoot應用程式,它內建於單個可自我執行的jar中，並且可以在任何Java8+環境中執行。

由於CoAP Shell能更好的體現和展示CoAP的功能、特性和訊息格式，接下來我將通過CoAP Shell來講述CoAP協議相關知識點。

以下是CoAP Shell效果圖

如何構建

從GitHub克隆專案並使用Maven進行構建，或者直接從下方下載。

連結: https://pan.baidu.com/s/1soGdqIlOBQe968_wezxq7Q 密碼: rw6o

git clone https://github.com/sanshengshui/coap-shell
cd coap-shell
mvn clean install

然後在該target資料夾中執行可執行jar包。

快速開始

啟動Shell:

java -jar coap-shell-1.1.2-SNAPSHOT.jar

  _____     ___   ___     ______       ____
 / ___/__  / _ | / _ \   / __/ /  ___ / / /
/ /__/ _ \/ __ |/ ___/  _\ \/ _ \/ -_) / /
\___/\___/_/ |_/_/     /___/_//_/\__/_/_/
CoAP Shell (v1.1.2-SNAPSHOT)
For assistance hit TAB or type "help".

server-unknown:>

連線到CoAP伺服器(例如coap://californium.eclipse.org/或coap://coap.me)

server-unknown:>connect coap://coap.me
available
coap://coap.me:>ping
available
coap://coap.me:>

發現可用的CoAP資源

coap://coap.me:>discover
┌──────────────────────────────┬────────────────────────┬─────────────────────────┬───────────┬──────┬─────────────┐
│Path [href]                   │Resource Type [rt]      │Content Type [ct]        │Interface  │Size  │Observable   │
│                              │                        │                         │[if]       │[sz]  │[obs]        │
├──────────────────────────────┼────────────────────────┼─────────────────────────┼───────────┼──────┼─────────────┤
│/123412341234123412341234     │123412341234123412341234│text/plain (0)           │           │      │             │
│/3                            │3                       │application/json (50)    │           │      │             │
│/4                            │4                       │application/json (50)    │           │      │             │
│/5                            │5                       │application/json (50)    │           │      │             │
│/bl%C3%A5b%C3%A6rsyltet%C3%B8y│blåbærsyltetøy          │text/plain (0)           │           │      │             │
│/broken                       │Type2, Type1            │text/plain (0)           │If2, If1   │      │             │
│/create1                      │create1                 │text/plain (0)           │           │      │             │
│/hello                        │Type1                   │text/plain (0)           │If1        │      │             │
│/large                        │Type1, Type2            │text/plain (0)           │If2        │1700  │             │
│/large-create                 │large-create            │text/plain (0)           │           │      │             │
│/large-update                 │large-update            │text/plain (0)           │           │      │             │
│/location-query               │location-query          │text/plain (0)           │           │      │             │
│/location1                    │location1               │application/link-format  │           │      │             │
│                              │                        │(40)                     │           │      │             │
│/multi-format                 │multi-format            │text/plain (0)           │           │      │             │
│/path                         │path                    │application/link-format  │           │      │             │
│                              │                        │(40)                     │           │      │             │
│/query                        │query                   │text/plain (0)           │           │      │             │
│/secret                       │secret                  │text/plain (0)           │           │      │             │
│/seg1                         │seg1                    │application/link-format  │           │      │             │
│                              │                        │(40)                     │           │      │             │
│/separate                     │separate                │text/plain (0)           │           │      │             │
│/sink                         │sink                    │text/plain (0)           │           │      │             │
│/test                         │test                    │text/plain (0)           │           │      │             │
│/validate                     │validate                │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird33                      │weird33                 │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird333                     │weird333                │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird3333                    │weird3333               │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird33333                   │weird33333              │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird44                      │weird44                 │text/plain (0)           │           │      │             │
│/weird55                      │weird55                 │text/plain (0)           │           │      │             │
└──────────────────────────────┴────────────────────────┴─────────────────────────┴───────────┴──────┴─────────────┘

coap://coap.me:>

GET獲取資源資料

coap://coap.me:>get /hello
----------------------------------- Response -----------------------------------
GET coap://coap.me/hello
MID: 64187, Type: ACK, Token: 50E8F0AC1BA8D277, RTT: 3368ms
Options: {"Content-Format":"text/plain"}
Status : 205-Reset Content, Payload: 5B
................................... Payload ....................................
world
--------------------------------------------------------------------------------

從以上列表能清晰的看出CoAP的訊息格式和資料包。

coap://coap.me/hello : 是CoAP協議的uri
MID: 訊息的ID,用於唯一區分訊息。
Type: 訊息型別，這裡的訊息型別為：Acknowledgement(確認)
Token: 訊息會話
Options：{"Content-Format":"text/plain"}訊息可選性，這裡表示訊息的資料型別為文字
Status: 狀態碼
Payload: 訊息負載資料

Delete資源資料

coap://coap.me:>get /sink
NULL response!
coap://coap.me:>delete /sink
----------------------------------- Response -----------------------------------
DELETE coap://coap.me/sink
MID: 64264, Type: ACK, Token: 0C2338F7FB9447F7, RTT: 274ms
Options: {"Content-Format":"text/plain"}
Status : 202-Accepted, Payload: 9B
................................... Payload ....................................
DELETE OK
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>get /sink
----------------------------------- Response -----------------------------------
GET coap://coap.me/sink
MID: 64265, Type: ACK, Token: 04A8DACB450186A7, RTT: 276ms
Options: {"ETag":0xa6166ef62ce0b4bc, "Content-Format":"text/plain"}
Status : 205-Reset Content, Payload: 38B
................................... Payload ....................................
I was deleted, and you put here: hello
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>

PUT資源資料

coap://coap.me:>put /sink --payload 'Hi From IoT Technology' --format text/plain
----------------------------------- Response -----------------------------------
PUT coap://coap.me/sink
MID: 64266, Type: ACK, Token: FC2CE751AD5A232A, RTT: 368ms
Options: {"Content-Format":"text/plain"}
Status : 204-No Content, Payload: 6B
................................... Payload ....................................
PUT OK
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>get /sink
----------------------------------- Response -----------------------------------
GET coap://coap.me/sink
MID: 64267, Type: ACK, Token: 3439364639206648, RTT: 13478ms
Options: {"ETag":0x01fd3e1298b1fb7a, "Content-Format":"text/plain"}
Status : 205-Reset Content, Payload: 36B
................................... Payload ....................................
you put here: Hi From IoT Technology
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>

POST資源資料

coap://coap.me:>delete /sink
----------------------------------- Response -----------------------------------
DELETE coap://coap.me/sink
MID: 64268, Type: ACK, Token: 0CCB572626A124A6, RTT: 391ms
Options: {"Content-Format":"text/plain"}
Status : 202-Accepted, Payload: 9B
................................... Payload ....................................
DELETE OK
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>post /sink --payload 'testing for post data' --format text/plain
----------------------------------- Response -----------------------------------
POST coap://coap.me/sink
MID: 64269, Type: ACK, Token: A441392CC855852D, RTT: 424ms
Options: {"Location-Path":["location1","location2","location3"], "Content-Format":"text/plain"}
Status : 201-Created, Payload: 7B
................................... Payload ....................................
POST OK
--------------------------------------------------------------------------------
coap://coap.me:>get /sink
----------------------------------- Response -----------------------------------
GET coap://coap.me/sink
MID: 64270, Type: ACK, Token: DC24713232F17DB7, RTT: 325ms
Options: {"ETag":0xf97973ea26db6781, "Content-Format":"text/plain"}
Status : 205-Reset Content, Payload: 54B
................................... Payload ....................................
I was deleted, and you put here: testing for post data
--------------------------------------------------------------------------------

到此為止，我相信大家對CoAP協議的訊息格式應該有了一定的認知。更多資訊和使用請瀏覽這個庫的README。

下一篇，我將手把手帶大家用Eclipse Californium搭建CoAP Server服務。

參考資料

CoAP英文官方文件: https://tools.ietf.org/html/rfc7252

CoAP Wiki百科: https://en.wikipedia.org/wiki/Constrained_Application_Protocol

CoAP-Shell客戶端: https://github.com/sanshengshui/coap-shell

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