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。

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