初识CoAP协议

前言

本文介绍什么是CoAP，以及如何在物联网设备上使用它。CoAP是一种物联网协议，具有一些专门为受约束的设备而设计的有趣功能。还有其他一些可用于构建物联网解决方案的IoT协议，例如MQTT等。

物联网是最有趣和最有前途的技术趋势之一。在这个生态系统中，对象，人员，设备相互连接并交换数据。在此博客中，我们从多个角度介绍了物联网和开发物联网项目，并涵盖了与物联网相关的多个方面。

什么是CoAP协议？

如前所述，CoAP是一种物联网协议。CoAP意思为Constrained Application Protocol，在RFC 7252中所定义。CoAP是一种低开销的简单协议，专门针对受限设备（例如微控制器）和受限网络而设计。该协议用于M2M数据交换中，并且与HTTP非常相似，即使稍后我们将介绍重要的区别。

CoAP协议的主要特征是：

• 受限制的小型设备的Web传输协议(类似于HTTP)
• 异步消息交换
• 低开销，非常易于解析
• URI和内容类型支持
• 代理和缓存功能

您可能会注意到，CoAP某些功能也与HTTP非常相似，但是不能将CoAP视为压缩版本的HTTP协议，因为CoAP是专门为IoT设计的，并且更详细地针对M2M，因此针对这些要求必须有所优化。

从抽象协议层，CoAP可以表示为：

正如你所看到的，CoAP协议有两个不同的层：消息负载和请求/响应。消息层处理UDP和异步消息。请求/响应层基于请求/响应消息来管理请求/响应交互。

CoAP支持四种不同的消息类型：

• 可确认的 Confirmable(CON)
• 无法确认 Non-confirmable(NON)
• 确认 Acknowledgment
• 重置 Reset

在深入研究CoAP协议之前，以下必要的术语有助于我们更好的了解CoAP协议：

• 节点(Endpoint）：参与CoAP协议的实体。通常，将端点标识为主机
• 发件人(Sender)：发送消息的实体
• 收件人(Recipient)：接受消息的实体
• 客户端(Client)：发送请求的实体和接受消息的实体
• 服务器(Server)：接收来自客户端的请求并向客户端发送回响应的实体

CoAP消息模型

这是CoAP的最低层。该层处理端点之间的UDP交换消息。每个CoAP消息都有一个唯一的ID。这对于检测消息重复很有用。CoAP消息由以下部分构建：

• 二进制标志头
• 可选项
• 载荷消息

稍后，我们将更详细地描述消息格式。

如前所述，CoAP协议使用两种消息：

• 确认消息
• 不可确认的消息

可确认消息是可靠消息。在两个端点之间交换消息时，这些消息可能是可靠的。在CoAP中，使用确认消息（CON）获得可靠的消息。使用这种消息，客户端可以确保消息将到达服务器。反复发送确认消息，直到另一方发送确认消息（ACK）。ACK消息包含与确认消息（CON）相同的ID。

下图显示了消息交换过程：

如果服务器在管理传入请求时遇到问题，则可以发送回Rest消息（RST）而不是Acknowledge消息（ACK）：

另一个消息类别是“不可确认（NON）”消息。这些是不需要服务器确认的消息。它们是不可靠的消息，或者换句话说，这些消息不包含必须传递给服务器的关键信息。包含从传感器读取的值的消息属于此类别。

即使这些消息不可靠，它们也具有唯一的ID。

CoAP请求/响应模型

CoAP请求/响应是CoAP抽象层中的第二层。使用“确认”（CON）或“非确认”（NON）消息发送请求。根据服务器是否可以立即响应客户端请求或答案（如果不可用），有几种方案。

如果服务器可以立即响应客户端请求，则如果使用确认消息（CON）承载了请求，则服务器将包含响应或错误代码的确认消息发送回客户端：

如您在CoAP消息中所注意到的，有一个令牌。令牌不同于消息ID，它用于匹配请求和响应。

如果服务器无法立即响应来自客户端的请求，则它将发送带有空响应的确认消息。一旦响应可用，服务器就会向客户端发送一条新的Confirmable消息，其中包含响应。此时，客户端发送回确认消息：

如果来自客户端的请求是使用不可确认消息承载的，则服务器将使用不可确认消息进行应答。

CoAP消息格式

本段涵盖了CoAP消息格式。到目前为止，我们已经讨论了客户端和服务器之间交换的各种消息。现在是时候分析消息格式了。受限的应用程序协议是受限环境中的关键，因此，它使用紧凑的消息。为了避免分段，消息占用UDP数据报的数据部分。一条消息由几个部分组成：

Version(VER)(2 bits): CoAP版本号

Type(2 bits)

​ 这描述了请求和响应着两种消息类型上下文的数据包消息类型。

• 请求
  • 0 : 可确认: 该消息需要相应的确认消息。
  • 1 : 不可确认：此消息不需要确认消息。
• 响应
  • 2 : 确认: 此消息是确认可确认消息的响应。
  • 3 : 重置: 此消息表明它已收到消息，但无法处理。

Token Length(4 bits): 指示可变长度令牌字段的长度，其长度可以为0-8字节。

Request/Response(8 bits): CoAP请求/响应代码

Message ID(16 bits): 用于检测消息重复并将“确认/重置”类型的消息与“确认” /“不可确认”类型的消息进行匹配。：响应消息将具有与请求相同的消息ID。

CoAP安全方面

处理物联网协议时的一个重要方面是安全性方面。如前所述，CoAP使用UDP传输信息。CoAP依靠UDP安全性方面来保护信息。由于HTTP使用基于TCP的TLS，因此CoAP使用基于UDP的数据报TLS。DTLS支持RSA，AES等。无论如何，我们应该考虑在某些受限设备中可能无法使用某些DTLS密码套件。重要的是要注意，某些密码套件引入了一些复杂性，并且受约束的设备可能没有足够的资源来管理它。

相关物联网技术指导更新于: https://github.com/IoT-Technology/IOT-Technical-Guide