抓住CoAP協議的“心”
阿新 • • 發佈：2020-05-08
## 摘要
**The Constrained Application Protocol**（CoAP）是一種專用的Web傳輸協議，用於受約束的節點和受約束的(例如，低功率，有損)網路。
節點通常具有帶少量ROM和RAM的8位微控制器，而諸如低功耗無線個人區域網 （6LoWPAN）上的IPv6之類的受限網路通常具有較高的分組錯誤率，典型吞吐量為10 kbps 。該協議旨在用於機器對機器（M2M）應用，例如智慧能源和樓宇自動化。
CoAP提供了應用程式端點之間的請求/響應互動模型，支援服務的資源發現，幷包括Web的關鍵概念，例如URI和Internet媒體型別。CoAP旨在輕鬆與HTTP互動以與Web整合，同時滿足諸如多播支援，非常低的開銷以及在受限環境中的簡單性等特殊要求。
## 介紹
網際網路上的Web服務（Web API）的使用在大多數應用程式中已經無處不在，並且依賴於Web 的**Representational State Transfer**（REST）體系結構。
**Constrained RESTful Environments**（CoRE）的工作旨在以最合適的形式實現REST體系結構，以適用於最受約束的節點（例如RAM和ROM受限的8位微控制器）和網路（例如6LoWPAN）。諸如6LoWPAN之類的受約束的網路支援將IPv6資料包分段成小的鏈路層幀。但是，這會大大減少資料包交付概率。CoAP的一個設計目標是保持訊息開銷較小，從而限制了分段的需要。
CoAP的主要目標之一是針對這種受限環境的特殊要求設計通用的Web協議，尤其是考慮到能源，樓宇自動化以及其他機器對機器（M2M）應用程式。
CoAP的目標不是盲目地壓縮HTTP，而是實現與HTTP通用但針對M2M應用程式進行了優化的REST的子集。儘管CoAP可用於將簡單的HTTP介面重新生成更緊湊的協議，更重要的是，它還提供了M2M的功能，例如內建資源發現，多播支援和非同步訊息交換。
該協議可以輕鬆轉換為HTTP以與現有Web整合，同時滿足特殊要求，例如多播支援，非常低的開銷以及受約束環境和M2M應用程式的簡便性。
### 特性
CoAP具有以下主要功能:
- 在受限條件下滿足M2M要求的Web協議
- UDP [ RFC0768 ]繫結，具有可選的可靠性，支援單播和多播請求。
- 非同步訊息交換。
- 低的報頭開銷和解析複雜度。
- 簡單的代理和快取功能。
- 無狀態HTTP對映，允許構建代理通過HTTP統一方式或HTTP訪問CoAP資源。
- 繫結到資料報傳輸層安全性（DTLS）的安全性。
- URI和內容型別支援。
### 訊息格式
```
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) ...
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
```
上圖的頭部欄位定義如下:
Version(Ver): 2位無符號整數。CoAP版本號。本規範的實現必須將此欄位設定為1(01二進位制)。其他值保留用於將來的版本。
Type(T): 2位無符號整數。指示此訊息的型別是否為**Confirmable**(0), **Non-Confirmable**, **Acknowledgement**(2)或者**Reset**(3)。
Token Length(TKL): 4位無符號整數。指示可變長度令牌欄位的長度（0-8個位元組）。長度9-15 保留，不得傳送，並且必須作為訊息格式錯誤進行處理。
Code: 8位無符號整數，響應碼。
Message ID: 網路位元組順序的16位無符號整數。用於檢測訊息重複並將`確認`/`重置`型別的訊息與`可確認`/`不可確認`型別的訊息進行匹配。
## CoAP初體驗
CoAP有兩款我覺得比較不錯的客戶端:
- [CoAP-CLI](https://www.npmjs.com/package/coap-cli): CoAP-CLI是CoAP的命令列介面，基於node.js和[node-coap](https://github.com/mcollina/node-coap)所構建。
- [The CoAP Shell](https://github.com/tzolov/coap-shell)提供用於與CoAP協議互動的命令列介面。它支援`coap:`和`coaps`模式(例如UDP和DTLS)。CoAP Shell建立在[Spring Shell](https://projects.spring.io/spring-shell/), [Californium(Cf)](https://www.eclipse.org/californium/)和[Scandium(Sc)](https://www.eclipse.org/californium/)專案之上。它是一個[SpringBoot](https://spring.io/projects/spring-boot)應用程式,它內置於單個可自我執行的jar中，並且可以在任何**Java8+**環境中執行。
由於CoAP Shell能更好的體現和展示CoAP的功能、特性和訊息格式，接下來我將通過CoAP Shell來講述CoAP協議相關知識點。
以下是**CoAP Shell**效果圖
### 如何構建
從GitHub克隆專案並使用Maven進行構建，或者直接從下方下載。
連結: https://pan.baidu.com/s/1soGdqIlOBQe968_wezxq7Q 密碼: rw6o
```shell
git clone https://github.com/sanshengshui/coap-shell
cd coap-shell
mvn clean install
```
然後在該target資料夾中執行可執行jar包。
### 快速開始
1. 啟動Shell:
```bash
java -jar coap-shell-1.1.2-SNAPSHOT.jar
```
```bash
_____ ___ ___ ______ ____
/ ___/__ / _ | / _ \ / __/ / ___ / / /
/ /__/ _ \/ __ |/ ___/ _\ \/ _ \/ -_) / /
\___/\___/_/ |_/_/ /___/_//_/\__/_/_/
CoAP Shell (v1.1.2-SNAPSHOT)
For assistance hit TAB or type "help".
server-unknown:>
```
2. 連線到CoAP伺服器(例如`coap://californium.eclipse.org/`或`coap://coap.me`)
```bash
server-unknown:>connect coap://coap.me
available
coap://coap.me:>ping
available
coap://coap.me:>
```
3. 發現可用的CoAP資源
```
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:>
```
4. **GET**獲取資源資料
```bash
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
--------------------------------------------------------------------------------
```
從以上列表能清晰的看出CoAP的訊息格式和資料包。
- `coap://coap.me/hello` : 是CoAP協議的uri
- MID: 訊息的ID,用於唯一區分訊息。
- Type: 訊息型別，這裡的訊息型別為：**Acknowledgement**(確認)
- Token: 訊息會話
- Options：`{"Content-Format":"text/plain"}`訊息可選性，這裡表示訊息的資料型別為**文字**
- Status: 狀態碼
- Payload: 訊息負載資料
5. **Delete**資源資料
```bash
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:>
```
6. **PUT**資源資料
```bash
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:>
```
7. **POST**資源資料
```bash
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
--------------------------------------------------------------------------------
```
到此為止，我相信大家對CoAP協議的訊息格式應該有了一定的認知。更多資訊和使用請瀏覽這個庫的[README](https://github.com/sanshengshui/coap-shell)。
下一篇，我將手把手帶大家用Eclipse Californium搭建CoAP Server服務。
## 參考資料
CoAP英文官方文件: https://tools.ietf.org/html/rfc7252
CoAP Wiki百科: https://en.wikipedia.org/wiki/Constrained_Application_Protocol
CoAP-Shell客戶端: https://github.com/sanshengshui/co