CoAP协议详解

摘要

The Constrained Application Protocol（CoAP）是一种专用的Web传输协议，用于受约束的节点和受约束的(例如，低功率，有损)网络。

节点通常具有带少量ROM和RAM的8位微控制器，而诸如低功耗无线个人局域网（6LoWPAN）上的IPv6之类的受限网络通常具有较高的分组错误率，典型吞吐量为10 kbps 。该协议旨在用于机器对机器（M2M）应用，例如智能能源和楼宇自动化。

CoAP提供了应用程序端点之间的请求/响应交互模型，支持服务的资源发现，并包括Web的关键概念，例如URI和Internet媒体类型。CoAP旨在轻松与HTTP交互以与Web集成，同时满足诸如多播支持，非常低的开销以及在受限环境中的简单性等特殊要求。

介绍

互联网上的Web服务（Web API）的使用在大多数应用程序中已经无处不在，并且依赖于Web 的Representational State Transfer（REST）体系结构。

Constrained RESTful Environments（CoRE）的工作旨在以最合适的形式实现REST体系结构，以适用于最受约束的节点（例如RAM和ROM受限的8位微控制器）和网络（例如6LoWPAN）。诸如6LoWPAN之类的受约束的网络支持将IPv6数据包分段成小的链路层帧。但是，这会大大减少数据包交付概率。CoAP的一个设计目标是保持消息开销较小，从而限制了分段的需要。

CoAP的主要目标之一是针对这种受限环境的特殊要求设计通用的Web协议，尤其是考虑到能源，楼宇自动化以及其他机器对机器（M2M）应用程序。

CoAP的目标不是盲目地压缩HTTP，而是实现与HTTP通用但针对M2M应用程序进行了优化的REST的子集。尽管CoAP可用于将简单的HTTP接口重新生成更紧凑的协议，更重要的是，它还提供了M2M的功能，例如内置资源发现，多播支持和异步消息交换。

该协议可以轻松转换为HTTP以与现有Web集成，同时满足特殊要求，例如多播支持，非常低的开销以及受约束环境和M2M应用程序的简便性。

特性

CoAP具有以下主要功能:

在受限条件下满足M2M要求的Web协议
UDP [ RFC0768 ]绑定，具有可选的可靠性，支持单播和多播请求。
异步消息交换。
低的报头开销和解析复杂度。
简单的代理和缓存功能。
无状态HTTP映射，允许构建代理通过HTTP统一方式或HTTP访问CoAP资源。
绑定到数据报传输层安全性（DTLS）的安全性。
URI和内容类型支持。

消息格式

  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) ...
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

上图的头部字段定义如下:

Version(Ver): 2位无符号整数。CoAP版本号。本规范的实现必须将此字段设置为1(01二进制)。其他值保留用于将来的版本。

Type(T): 2位无符号整数。指示此消息的类型是否为Confirmable(0), Non-Confirmable, Acknowledgement(2)或者Reset(3)。

Token Length(TKL): 4位无符号整数。指示可变长度令牌字段的长度（0-8个字节）。长度9-15 保留，不得发送，并且必须作为消息格式错误进行处理。

Code: 8位无符号整数，响应码。

Message ID: 网络字节顺序的16位无符号整数。用于检测消息重复并将确认/重置类型的消息与可确认/不可确认类型的消息进行匹配。

CoAP初体验

CoAP有两款我觉得比较不错的客户端:

CoAP-CLI: CoAP-CLI是CoAP的命令行界面，基于node.js和node-coap所构建。
The CoAP Shell提供用于与CoAP协议交互的命令行界面。它支持coap:和coaps模式(例如UDP和DTLS)。CoAP Shell建立在Spring Shell, Californium(Cf)和Scandium(Sc)项目之上。它是一个SpringBoot应用程序,它内置于单个可自我执行的jar中，并且可以在任何Java8+环境中运行。

由于CoAP Shell能更好的体现和展示CoAP的功能、特性和消息格式，接下来我将通过CoAP Shell来讲述CoAP协议相关知识点。

以下是CoAP Shell效果图

如何构建

从GitHub克隆项目并使用Maven进行构建，或者直接从下方下载。

链接: https://pan.baidu.com/s/1soGdqIlOBQe968_wezxq7Q 密码: rw6o

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

然后在该target文件夹中运行可执行jar包。

快速开始

启动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:>

连接到CoAP服务器(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:>

发现可用的CoAP资源

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获取资源数据

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
--------------------------------------------------------------------------------

从以上列表能清晰的看出CoAP的消息格式和数据包。

coap://coap.me/hello : 是CoAP协议的uri
MID: 消息的ID,用于唯一区分消息。
Type: 消息类型，这里的消息类型为：Acknowledgement(确认)
Token: 消息会话
Options：{"Content-Format":"text/plain"}消息可选性，这里表示消息的数据类型为文本
Status: 状态码
Payload: 消息负载数据

Delete资源数据

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资源数据

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资源数据

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
--------------------------------------------------------------------------------

到此为止，我相信大家对CoAP协议的消息格式应该有了一定的认知。更多信息和使用请浏览这个库的README。

参考资料

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

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

CoAP-Shell客户端: https://github.com/sanshengshui/coap-shell

posted @ 2020-10-14 09:47 stardsd 阅读(7476) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

赏月斋

慎终如始宁静致远

CoAP协议详解

摘要

介绍

特性

消息格式

CoAP初体验

如何构建

快速开始

参考资料

公告

赏月斋

慎终如始 宁静致远

CoAP协议详解

摘要

介绍

特性

消息格式

CoAP初体验

如何构建

快速开始

参考资料

公告

慎终如始宁静致远