Coap 协议学习：1-有关概念

COAP协议简介

不像人接入互联网的简单方便，由于物联网设备大多都是资源限制型的，有限的CPU、RAM、Flash、网络宽带等。对于这类设备来说，想要直接使用现有网络的TCP和HTTP来实现设备实现信息交换是不现实的。于是为了让这部分设备能够顺利接入网络，CoAP协议(详细规范定义在 RFC 7252)就被设计出来了。

Coap（Constrained Application Protocol）是一种在物联网世界的类web协议，COAP名字翻译来就是“受限应用协议”，顾名思义，使用在资源受限的物联网设备上。

Constrained Application Protocol (CoAP) is a specialized Internet Application Protocol for constrained devices, as defined in RFC 7252. It enables those constrained devices called "nodes" to communicate with the wider Internet using similar protocols. CoAP is designed for use between devices on the same constrained network (e.g., low-power, lossy networks), between devices and general nodes on the Internet, and between devices on different constrained networks both joined by an internet. CoAP is also being used via other mechanisms, such as SMS on mobile communication networks.

以上是来自维基百科对CoAP的定义。简言之，CoAP是受约束设备的专用Internet应用程序协议。

COAP协议特点

1）COAP协议网络传输层由TCP改为UDP。

2）它基于REST（请求/响应模型），server的资源地址和互联网一样也有类似url的格式，客户端同样有POST，GET,PUT,DELETE方法来访问server，对HTTP做了简化。

3）COAP是二进制格式的，HTTP是文本格式的，COAP比HTTP更加紧凑。

4）轻量化，COAP最小长度仅仅4B，一个HTTP的头几十个B，低功耗。

5）支持可靠传输，数据重传，块传输。确保数据可靠到达；支持异步通信

6）支持IP多播, 即可以同时向多个设备发送请求，支持双向通信。

7）非长连接通信，适用于低功耗物联网场景（支持受限设备）。

8）基于消息模型，支持观察模式

HTTP、CoAP、MQTT 对比

CoAP协议的设计参考了HTTP，CoAP和MQTT都是行之有效的物联网协议。

HTTP和CoAP 对比

HTTP代表超文本传输协议，CoAP代表约束应用协议；
HTTP协议的传输层采用了TCP，CoAP协议的传输层使用UDP；
CoAP协议是HTTP协议的简化版；
CoAP协议和HTTP协议一样使用请求/响应模型，拥有相同的方法；
CoAP开销更低，并支持多播；
CoAP专为资源构成应用而设计，如：IoT/WSN/M2M等...

CoAP和MQTT 对比

MQTT协议使用发布/订阅模型，CoAP协议使用请求/响应模型；
MQTT是长连接，CoAP协议是无连接；
MQTT通过中间代理传递消息的多对多协议，CoAP协议是Server和Client之间消息传递的单对单协议；
MQTT不支持带有类型或者其它帮助Clients理解的标签消息，CoAP内置内容协商和发现支持，允许设备彼此窥测以找到交换数据的方式。

协议内容

CoAP是一个完整的二进制应用层协议，消息格式紧凑，默认运行在UDP上。

CoAP默认运行在UDP上，但它也支持运行在SMS,TCP等数据传输层上。

CoAP首部

【Ver】版本编号。
【T】报文类型，CoAP协议定了4种不同形式的报文，CON报文，NON报文，ACK报文和RST报文。
【TKL】CoAP标识符长度。CoAP协议中具有两种功能相似的标识符，一种为Message ID(报文编号)，一种为Token(标识符)。其中每个报文均包含消息编号，但是标识符对于报文来说是非必须的。
【Code】功能码/响应码。Code在CoAP请求报文和响应报文中具有不同的表现形式，Code占一个字节，它被分成了两部分，前3位一部分，后5位一部分，为了方便描述它被写成了c.dd结构。其中0.XX表示CoAP请求的某种方法，而2.XX、4.XX或5.XX则表示CoAP响应的某种具体表现。
【Message ID】报文编号。
【Token】标识符具体内容，通过TKL指定Token长度。
【Option】报文选项，通过报文选项可设定CoAP主机，CoAP URI，CoAP请求参数和负载媒体类型等等。
【1111 1111B】CoAP报文和具体负载之间的分隔符。

基于4种消息报文（CON报文，NON报文，ACK报文和RST报文），可以实现2种传输质量。即：可靠消息传输与不可靠消息传输。

怎么是可靠消息传输？

主要是通过确认及重传机制来实现的，客户端发送消息后，需要等待服务器收到通知，如果在规定时间内，没有收到需要重新发送数据。可靠传输是基于CON消息传输的，服务器端收到CON类型的消息后，需要返回ACK消息，客户端到在指定时间ACK_TIMEOUT内收到ACK消息后，才代表这个消息以可靠到服务器端。

怎么是不可靠消息传输？

客户端只管发送消息，不管服务器端有没有收到，因此可能存在丢包。不可靠传输是基于NON消息传输的。服务器端收到NON类型的消息后，不用回复ACK消息。

请求方法

0.01 GET：获取资源
0.02 POST：创建资源
0.03 PUT：更新资源
0.04 DELETE：删除资源

响应码

1、 Success 2.xx

这一类型的状态码，代表请求已成功被服务器接收、理解、并接受。

2.01 Created
2.02 Deleted
2.03 Valid
2.04 Changed
2.05 Content

2、 Client Error 4.xx

这类的状态码代表了客户端看起来可能发生了错误，妨碍了服务器的处理。

4.00 Bad Request
4.01 Unauthorized
4.02 Bad Option
4.03 Forbidden
4.04 Not Found
4.05 Method Not Allowed
4.06 Not Acceptable
4.12 Precondition Failed
4.13 Request Entity Too Large
4.15 Unsupported Content-Format

3、 Server Error 5.xx

这类状态码代表了服务器在处理请求的过程中有错误或者异常状态发生，也有可能是服务器的软硬件资源无法完成对请求的处理。

5.00 Internal Server Error
5.01 Not Implemented
5.02 Bad Gateway
5.03 Service Unavailable

媒体类型

【text/plain】编号为0，表示负载为字符串形式，默认为UTF8编码。
【application/link-format】编号为40，CoAP资源发现协议中追加定义，该媒体类型为CoAP协议特有。
【application/xml】编号为41，表示负载类型为XML格式。
【application/octet-stream】编号为42，表示负载类型为二进制格式。
【application/exi】编号为47，表示负载类型为“精简XML”格式。
【applicaiton/cbor】编号为50，可以理解为二进制JSON格式。

工作模式

CoAP参考了很多HTTP的设计思路，同时也根据受限资源限制设备的具体情况改良了诸多的设计细节，增加了很多实用的功能。

消息类型

CON：需要被确认的请求，如果CON请求被发送，那么对方必须做出响应。
NON：不需要被确认的请求，如果NON请求被发送，那么对方不必做出回应。
ACK：应答消息，接受到CON消息的响应。
RST：复位消息，当接收者接收到的消息包含一个错误，接收者解析消息或者不再关心发送者发送的内容，那么复位消息将会被发送。

请求/响应模型

携带模式
分离模式
非确认模式

CoAP的URL

在HTTP的世界中，RESTFul协议由于其简单性和适用性，在WEB应用中越来越受欢迎，这样的道理同样适用于CoAP。一个CoAP资源可以被一个URI所描述，例如一个设备可以测量温度，那么这个温度传感器的URI被描述为：CoAP://machine.address:5683/sensors/temperature。注意，CoAP的默认UDP端口号为5683。

coap的url和HTTP的有很相似的地方，开头是“coap”对应“http”或者“coaps”对应“https”。

HTTP的默认端口是tcp 80，coap的默认端口是udp 5683（coaps是5684）。

URL里面的“/”“&”“.”

下面三个URL的地址是一样的。访问example.com这个域名，端口是udp 5683，访问的资源地址是~sensors/temp.xml。

coap://example.com:5683/~sensors/temp.xml

coap://EXAMPLE.com/%7Esensors/temp.xml

coap://EXAMPLE.com:/%7esensors/temp.xml

CoAP观察模式

在物联网的世界中，你需要去监控某个传感器例如温度或湿度等。在这种情况下，CoAP客户端并不需要不停的查询CoAP服务器端的数据变化情况。CoAP客户端可以发送一个观察请求到服务器端。从该时间点开始计算，服务器便会记住客户端的连接信息，一旦温度发生变化，服务器将会把新结果发送给客户端。如果客户端不在希望获得温度检测结果，那么客户端将会发送一个RST复位请求，此时服务器便会清除与客户端的连接信息。

COAP的安全性

COAP的安全性是用DTLS加密实现的。DTLS的实现需要的资源和带宽较多，如果是资源非常少的终端和极有限的带宽下可能会跑不起来。DTLS仅仅在单播情况下适用。

示例

RFC7252 在协议最后的附录中有给了3个很好的示例。

1.获取温度数据，最简格式。

2.获取温度数据，增加了 token。

3.获取温度数据，重传。