CoAP 協議是一種支援在低功耗、低功率等受限裝置間進行通訊的物聯網協議，這些裝置往往都執行在受限網路中，因此 CoAP 協議設計得十分精煉， 同時採用 UDP 協議進行資料傳輸，所以能夠很好的適應受限網路環境。 CoAP 透過類似於 HTTP 操作的方式，在受限裝置組成的 M2M 網路中，對裝置上抽象的資源進行操作，這樣能夠十分簡潔、高效地實現受限裝置間同步、 非同步的資訊交流。

CoAP 是專為受限硬體、環境而設計的通訊協議，在受限網路中能夠良好的工作，但如果受限網路需要和外部網路進行溝通，CoAP 則不能很好的適應。另外，因為 CoAP 設計時更多考慮的是 M2M 網路模型，所以 CoAP 缺乏對資源處理中心的支援（基於 CoAP 的 LwM2M 協議為此專門引入了資源的註冊、資源的服務等概念）。

以上問題可以透過 [EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 訊息伺服器得到很好的解決。本文就將介紹如何使用 EMQX 接入 CoAP 協議，實現 CoAP 協議裝置與外部的溝通。

## EMQX 的 CoAP 協議接入方式

對於需要和外部進行溝通的 CoAP 裝置，使用 EMQX 作為訊息中介軟體，可以很方便地實現以下功能：

- 對裝置進行認證，拒絕不可信裝置的資料
- 對資源進行許可權管理，可以指定不同的裝置對某個資源擁有不同的讀/寫許可權
- 可以作為不同網路 CoAP 裝置間的資訊傳輸中心
- 可以作為其他應用，比如 CoAP 管理應用、資料分析應用和 CoAP 裝置、網路間的接入中介軟體

EMQX 中提供了兩種不同的 CoAP 接入方式，涵蓋了大多數 CoAP 的業務場景，且接入簡單，支援良好，不需對 CoAP 協議本身進行改動。而對原有的 CoAP 裝置、應用，接入 EMQX 的成本也很小。

### URL 模型

EMQX 透過 URL path 和 queryString 來實現對 CoAP 的接入，CoAP 接入時需要按照下面的規則組織 URL 模型:

```elixir
coap 連線型別://Host:Port/模式/TopicName?c=客戶端Id&u=使用者名稱&p=密碼
```

其中，**coap 連線型別**可以為:

- coap：使用普通的 UDP 進行傳輸
- coaps：啟用安全傳輸層，關於如何啟用 coaps (包括單向認證、雙向認證)，詳細見加密通訊配置

**模式** 目前有: [MQTT](https://www.emqx.com/zh/mqtt) 和 **PubSub** 兩種，具體區別將會在下文詳細介紹。

**TopicName** : EMQX 中使用 Topic 作為 CoAP 中的資源識別符號，一個 Topic 就代表一個資源物件， 而 Topic 可以為任意 UTF8 字串，允許多個層級，比如 coap/ 、coap/test/queryString。

URL 中的 c、u、p 三個欄位是必須的，其中：

- c 代表客戶端 ID，為任意字串，理論上每個客戶端 ID 都應該需要是唯一的
- u 和 p 分別程式碼使用者名稱和密碼，需要在 EMQ X 的認證模組中預先設定好

### MQTT 模式

MQTT 模式按照 MQTT 標準，對 CoAP 的 Method 進行轉義，只有簡單的 Pub/Sub 行為，轉義對照表如下：

| Method | Token | MQTT        |
| ------ | ----- | ----------- |
| GET    | 0     | Subscribe   |
| GET    | 1     | UnSubscribe |
| GET    | _     | 非法操作    |
| PUT    | _     | Publish     |
| POST   | _     | 非法操作    |
| DELETE | _     | 非法操作    |

該模式適用於以下場景:

- 只需要使用 EMQX 進行訊息、指令或者其他實時資訊傳輸

- 如果需要長時間使用 **Observe** 功能， 則需要處於專用網路或者內網中 這點比較重要，因為 UDP 是無連線的，所以在公網上產生的 UDP 鏈路是無法長時間保持的，這會導致 **Observe** 可能無法正常接受到資料

- 如果處於公網，則**Observe** 只能用來做為**PUT**操作的結果監聽機制，例如: 假設一個 CoAP 裝置需要透過 EMQX 向另外的其他裝置傳送指令、資料，並且根據返回的資料進行後續處理，則可以:

1. 使用 **PUT** 方法向某個 Topic 傳送指令
  2. 使用 **Observe** 方式監聽這個 Topic
  3. 根據 EMQX 返回的資料進行處理 鑑於公網中 UDP 鏈路的維持時間，Observe 的時間在 30s 以內是安全的，在 15s 內是足夠安全的

### PubSub 模式

PubSub 模式相對於 MQTT 模式來說更加複雜些，但是也相對更符合 CoAP 中「資源」的概念，所有 Publish 的訊息，會被當作「資源」存放在 EMQX 內，超時時間採用 CoAP 協議中的 **max-age** 可選欄位進行控制，在超時前，訊息都能透過 *GET* 方法獲取到。

轉義關係如下:

| Method | Token | MQTT        | Resouce                 |
| ------ | ----- | ----------- | ----------------------- |
| GET    | 0     | Subscribe   | _                       |
| GET    | 1     | UnSubscribe | _                       |
| GET    | _     | _           | 讀取該 Topic 對應的訊息 |
| PUT    | _     | Publish     | 更新該 Topic 對應的訊息 |
| POST   | _     | Publish     | 更新該 Topic 對應的訊息 |
| DELETE | _     | _           | 刪除該 Topic 對應的訊息 |

這種模式相當於上面的 **MQTT** 模式的擴充套件，除了上述適用場景外，還適用於以下場景:

- 使用 EMQX 作為資料、資訊等資源的交換匯總中心的場景 比如監控環境的 CoAP 裝置,可以定時將自己採集到的資料 **PUT** 到 EMQX 中，而資料處理中心則透過訂閱相關主題來接收這些資料，以此對環境狀況進行分析； 又比如 CoAP 裝置可以定時將自身狀態推送到 EMQX 中，使用者則可以透過 EMQX 直接觀察裝置的執行狀態。
- 訊息傳輸的頻率低、對時延容忍度高的場景 這種場景中，可以使用 **PUT** 更新某個 Topic 的訊息，而對該 Topic 感興趣的客戶端則可以按照自己的節奏，透過 **GET** 來獲取最新的訊息、資料等。

## 配置方法

EMQX 的 CoAP 協議閘道器相關配置在 emqx.conf 檔案中，下面將會詳細介紹。

### 非加密通訊場景

對於資料敏感性不高，或者不需要傳輸鏈路保證通訊安全的情況下，可以簡單按照業務需求開啟對應的埠進行監聽即可。

比如下面的配置，在所有可用 IP 上監聽 5683 埠，且在區域網 IP 192.168.1.2 上監聽 5684 埠

```apache
coap.bind.udp.1 = 0.0.0.0:5683
coap.bind.udp.2 = 192.168.1.2:5684
```

### 加密通訊場景

EMQX 的 CoAP 協議閘道器支援 DTLS 安全傳輸層協議，同時可配置單向/雙向認證，預設配置會自動開啟單向認證。

#### 單向認證

單向認證的配置如下，如果不需要啟用加密通訊，應該註釋掉這些配置。

```ini
## DTLS 監聽的埠, 配置方式和上面的udp模式一樣,可用按照需要配置多個埠
coap.dtls.port1 = 5684
coap.dtls.port2 = 192.168.1.2:6585

## DTLS 的私鑰
## Value: File
coap.dtls.keyfile = {{ platform_etc_dir }}/certs/key.pem

## DTLS 的證書檔案
## Value: File
coap.dtls.certfile = {{ platform_etc_dir }}/certs/cert.pem
```

#### 雙向認證

EMQX 的 CoAP 協議閘道器也支援雙向認證，配置如下：

```ini
## 驗證模式, 可選值為: verify_peer | verify_none
coap.dtls.verify = verify_peer

## 客戶端沒有傳送證書時是否拒絕連線
coap.dtls.fail_if_no_peer_cert = false

## pem格式的CA證書
coap.dtls.cacertfile = {{ platform_etc_dir }}/certs/cacert.pem
```

**coap.dtls.verify** 用來決定是否開啟雙向認證, 可選值為:

- verify_peer 驗證客戶端
- verify_none 不驗證客戶端

當雙向認證開啟時， coap.dtls.fail_if_no_peer_cert 用來決定當客戶端沒有傳送證書時,伺服器是否拒絕連線。 coap.dtls.cacertfile 為 pem 格式的CA證書，用來對客戶端進行驗證。關於雙向認證，具體可以參考[EMQX 啟用雙向 SSL/TLS 安全連線](https://www.emqx.com/zh/blog/enable-two-way-ssl-for-emqx)。

## 測試和驗證

### 開啟 CoAP 協議閘道器

#### 使用 Dashboard 開啟

在 Dashboard 中的 外掛 目錄下，選擇 emqx_coap 點選開啟即可，如圖:

[![EMQX CoAP 外掛](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/03/22/6a1cf781d0334fc9.jpeg?x-oss-process=style/bb "EMQX CoAP 外掛")](https://www.emqx.com/zh/blog/connecting-coap-devices-to-emqx "EMQX CoAP 外掛")

#### 使用終端開啟

在終端可使用下面的指令開啟 emqx_coap 功能:

```awk
./bin/emqx_ctl plugins load emqx_coap
```

### 安裝 CoAP 測試用客戶端

#### coap.me

如果在 EMQX 的 CoAP 協議閘道器上配置的是公網 IP，可以使用https://coap.me/這個線上網站進行測試。具體使用方法見網站說明。

#### libcoap

libcoap 是一個 C 語言實現的、對 CoAP 所有相關標準都有完善支援的庫，自帶一個客戶端應用，一般被視作 CoAP 的標準校驗客戶端。

在大多數 Linux 系統中，可以使用系統的包管理器進行安裝，在 macOS 上可以使用 brew 進行安裝，其他平臺可能需要手動編譯原始碼。

安裝好後的客戶端一般叫做：coap-client 或者 libcoap。

### 測試 PubSub 模式

下面使用 libcoap 演示，先向伺服器 publish 一個訊息後，再讀取該 Topic 對應的最新訊息

```axapta
# 使用 PubSub 模式,以 put 方法向 coap/test Topic 推送一條 json 格式的訊息
coap-client -m put -e '#{msg => "Hello, CoAP"}' -t json "coap://127.0.0.1:5683/ps/coap/test?c=clientid1234&u=admin&p=public"

# 讀取 coap/test 這個 Topic 最後一條訊息, 將會得到 #{msg => "Hello, CoAP"}
coap-client -m get  "coap://127.0.0.1:5683/ps/coap/test?c=clientid1234&u=admin&p=public"
```

下面的例子演示如何進行訂閱:

```clean
## 訂閱 coap/observe 這個 topic, Token 設定為"token", 訂閱超時為 60s
coap-client -m get -s 60 -B 30 -o - -T "token" "coap://127.0.0.1:5683/ps/coap/observe?c=clientid1234&u=admin&p=public"

## 使用另外一個 CoAP 客戶端進行推送, 也可以使用其他任意的 MQTT 客戶端
coap-client -m post -e '#{msg => "This is Observe"}' -t json "coap://127.0.0.1:5683/ps/coap/observe?c=clientid1234&u=admin&p=public"

## 這個時候訂閱者將會收到:
## #{msg => "This is Observe"}
```

### 測試 MQTT 模式

MQTT 模式的測試和上面一樣，只不過只有 publish/subscribe 兩種操作。例子如下:

```apache
## publish
coap-client -m put -e '#{msg => "Hello, CoAP"}' -t json "coap://127.0.0.1:5683/mqtt/coap/test?c=clientid1234&u=admin&p=public"

## subscribe
coap-client -m get -s 60 -B 60 -o - -T "token" "coap://127.0.0.1:5683/mqtt/coap/sub?c=clientid1234&u=admin&p=public"
```

## 結語

至此，我們完成了 CoAP 協議裝置接入 EMQX 的完整流程，實現了 CoAP 協議裝置和 MQTT 協議裝置的整合。

作為一款強大的開源分散式雲原生物聯網訊息伺服器，EMQX 不僅完整支援 MQTT 協議，同時支援 CoAP、LwM2M 協議，為各類終端裝置的接入提供便利。

關於 EMQX 的詳細使用，可參考 [EMQX 企業版文件](https://docs.emqx.com/zh/enterprise/latest/)。也可訪問 EMQX GitHub 專案地址：https://github.com/emqx/emqx 關注 EMQX 開源專案最新進展。

>版權宣告： 本文為 EMQ 原創，轉載請註明出處。
>
>原文連結：[https://www.emqx.com/zh/blog/connecting-coap-devices-to-emqx](https://www.emqx.com/zh/blog/connecting-coap-devices-to-emqx)

一文解決 CoAP 協議裝置與外部網路溝通難題

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