物联网协议之CoAP协议开发学习笔记之协议详解

CoAP协议的交互模型

CoAP协议的交互模型与HTTP的客户端/服务端模型类似。
然而，在M2M的交互场景中，一个使用CoAP协议的设备通常既是客户端又是服务端。
CoAP中的请求与HTTP协议中的请求相同，是由客户端发起的，请求一个位于服务端的资源（用URI标识），执行一个动作（用Method Code标识）。然后服务端发回一个响应，带有一个响应代码（Response Code），这个响应中有可能也包含一个资源的表现（附带响应格式）。
与HTTP协议不同的是，CoAP的交互是异步的，构建于面向数据报的传输协议，如UDP。
交互是通过一个消息层来实现的，消息层提供了可选的可靠性支持（采用指数回退）。
CoAP协议中定义了四种类型的消息： CON, NON, ACK和RST。(下文有介绍)这四种类型的消息中包含有请求和响应标识码，标识着这些消息是请求还是响应。请求可以包含在CON和NON两种类型中，而响应则除了可以包含在CON和NON之中，还可以包含在附带响应的ACK中。
从逻辑上，可以把CoAP协议划分为两层：

1. 消息层
   消息层，用于处理UDP数据包和异步；
2. 请求/响应层
   请求/响应层，使用Method和Response Code，具体见图1。

当然，CoAP是一个协议，消息和请求/响应仅仅是其头部特性。

CoAP的四种消息类型

• 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，当接收者接受到的消息包含一个错误，接受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。

  CoAP消息结构

  CoAP的消息格式是很紧凑的，默认运行在UDP上（每个CoAP消息都是UDP数据包中的数据部分）。
  CoAP也可以运行在DTLS协议上（见9.1节）和其它传输协议上，例如SMS，TCP或SCTP，这些不属于本文档的范畴（CoAP不支持UDP-lite[RFC3828]和UDP zero checksum[RFC6936]）。
  CoAP消息用二进制格式进行编码。 这个消息格式以一个固定4个字节的头部开始。
  此后是一个长度在0到8字节之间的Token。Token值之后是0个或多个Type-Length-Value(TLV)格式的选项(Option)。之后到整个数据报的结尾都是payload部分，payload可以为空。
  
  头部字段定义如下：

• 版本号(Ver)
  2-bit无符号整型，代表CoAP版本号。本文档(7252)的实现必须设置这个字段为0b01。其它的值为今后其它版本保留。对于带有未知版本号的消息，必须忽略。

• 类型(T)
  2-bit无符号整型。代表这个消息的类型是：CON(0), NON(1), ACK(2),或RST(3)。
• Token长度(TKL)
  4-bit无符号整型。表示变长的Token字段(0-8字节）的长度。长度9-15是保留的，不能设置长度为9-15。如果设置了长度为9-15，必须被当作消息格式错误来处理。
• 列代码(Code)
  8-bit无符号整型。拆分为3-bit的分类信息和5-bit详细信息。
  写作”c.dd”。c是3-bit长，可以是一个从0到7的数字，dd是5-bit长，它一个两位的数字，从00到31。
  分类信息c可以代表是一个请求（0），一个成功的响应（2），一个客户端错误响应（4），或者一个服务端错误响应（5）。
  所有其它的值都是保留的。代码0.00是一个特殊的情况，表示一个空的消息。当消息是一个请求时，Code字段表示请求方法。当响应时，Code字段代表响应代码。Code字段所有可取的值都在下文CoAP代码表中定义了。
• 消息ID(Message ID)
  16-bit无符号整型，网络字节序。用于检测消息重复以及匹配ACK/RST类型的消息和CON/NON类型的消息。生成消息ID和匹配消息的规则在第4章中讲述。
• Token值
  头部之后是Token值，可以有0到8个字节，由Token长度字段指定。这个Token值用于将某个请求和对应的响应关联。
• Options
  头部和Token之后，是0个或多个选项（见3.1节）。一个选项之后，有可能是消息结束，也可能是另一个选项，也可能是payload标识符和payload部分。

• payload部分
  在头部、token和选项之后，是payload部分（可以没有payload）。
  如果有payload，并且长度不为0，那么payload之前有一个固定长度为一个字节的payload标识符（0xFF），它标志着选项部分的结束和payload部分的开始。
  payload部分从标识符之后开始，一直到这个UDP数据报结束，也就是说，payload部分的长度可以根据UDP数据报的长度计算出来。
  如果没有payload标识符，那么就代表这是一个0长度的payload。如果存在payload标识符但其后跟随的是0长度的payload，那么必须当作消息格式错误处理。

  实现注意：0xFF这个值有可能出现在一个选项的长度或选项的值中，所以简单的扫描0xFF来寻找payload标识符是不可行的。作为payload标识符的0xFF只可能出现在一个选项结束之后下一个选项有可能开始的地方。

  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。请注意，CoAP的默认UDP端口号为5683。

  CoAP观察模式

  当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块传输

  CoAP协议的特点是传输的内容小巧精简，但是在某些情况下不得不传输较大的数据。在这种情况下可以使用CoAP协议中的某个选项设定分块传输的大小，那么无论是服务器或客户端可完成分片和组装这两个动作。

  Option的格式

  CoAP定义了许多option。
  一般情况下Option部分包含Option Delta、Option Length和Option Value三部分。
  消息中的每个option都有一个option编号，option值长度，和option值。
  消息中的option号（TLV格式中的T）并不是直接指定option编号的。
  所有的option必须按实际option编号的递增排列，某一个option和上一个option之间的option编号差值为delta；
  每一个TLV格式的option号都是delta值（数据包中第一个option的delta即它的option编号）。
  同一个编号的option再次出现时，delta的值为0。
  option编号由“CoAP option编号”表维护（见12.2节）。5.4讲述了本文档中定义的option的语义。（）
  
  一个option之中的各个字段的含义如下：

• Option Delta

• ：
• 表示Option的增量，当前的Option的具体编号。
• 4-bit无符号整型。值0-12代表option delta。其它3个值作为特殊情况保留：
  • 当值为13：有一个8-bit无符号整型（extended）跟随在第一个字节之后，本option的实际delta是这个8-bit值加13。
  • 当值为14：有一个16-bit无符号整型（网络字节序）（extended）跟随在第一个字节之后，本option的实际delta是这个16-bit值加269。
  • 当值为15：为payload标识符而保留。如果这个字段被设置为值15，但这个字节不是payload标识符，那么必须当作消息格式错误来处理。
• Option Length
• ：
• 表示Option Value的具体长度。
• 4-bit无符号整数。值0-12代表这个option值的长度，单位是字节。其它3个值是特殊保留的：
  • 当值为13：有一个8-bit无符号整型跟随在第一个字节之后，本option的实际长度是这个8-bit值加13。
  • 当值为14：一个16-bit无符号整型（网络字节序）跟随在第一个字节之后，本option的实际长度是这个16-bit值加269。
  • 当值为15：保留为将来使用。如果这个字段被设置为值15，必须当作消息格式错误来处理。
• Option Value 共（option Length）个字节。
  option值字段的长度和格式取决于具体的option，有可能定义变长的值。3.2节讲述了本文档所使用的option格式。其它文档中定义的option可能使用其它option值的格式

　CoAP中所有的Option都采用编号的方式，这些Option及编号的定义如下图所示。

在这些option中，Uri-Host、Uri-Port、Uri-Path和Uri-Query等和资源“位置”和参数有关。
　　【3】Uri-Host:CoAP主机名称，例如iot.eclipse.org
　　【7】Uri-Port:CoAP端口号，默认为5683
　　【11】Uri-Path:资源路由或路径，例如temperature。资源路径采用UTF8字符串形式，长度不计第一个””。
　　【15】Uri-Query:访问资源参数，例如?value1=1&value2=2，参数与参数之间使用“&”分隔，Uri-Query和Uri-Path之间采用“?”分隔。
　　在这些option中，Content-Format和Accept用于表示CoAP负载的媒体格式
　　【12】Content-Format:指定CoAP复杂媒体类型，媒体类型采用整数描述，例如application/json对应整数50，application/octet-stream对应整数40。
　　【17】Accept: 指定CoAP响应复杂中的媒体类型，媒体类型的定义和Content-Format相同。
　　CoAP协议中支持多个Option，例如
　　第一个Option Delta=11，表示该Option表示Uri-Path(11)
　　第二个Option Delta=1，表示该Option=1+11，表示Content-Format(12)
　　第三个Option Delta=3，表示该Option=3+1+11，表示Uri-Query(15)
　　CoAP采用这样的方式表示多个Option，而每种Option都可以在HTTP协议中找到对应项。

CoAP代码注册（CoAP Code Registries）

这篇文档定义了两个sub-registries，给CoAP头部代码字段的值包含“Constrained RESTful Environments (CoRE) Parameters”注册表。将来参考“CoRE参数”注册表。
这两个sub-registries都是8位值，可以用三个十进制的符号表示为“c.dd”,用一个句号将第一位和第二位数字分离开；第一位数字c为07，表示代码种类；第二个和第三个数字dd为0031的十进制数，表示细节。
所有的代码值都按照sub-registries，按照如下范围安排：

1. 方法码(Method Codes) 这个sub-registry是“CoAP Method Codes”
   每次进入这个sub-registry都必须包含在0.01-0.31范围内的Method Code，方法的名字，方法文档的参考。
   初始化进入这个sub-registry如下：

   +------+--------+-----------+                       
     | Code | Name   | Reference |                        
     +------+--------+-----------+                        
     | 0.01 | GET    | [RFC7252] |                        
     | 0.02 | POST   | [RFC7252] |                        
     | 0.03 | PUT    | [RFC7252] |                        
     | 0.04 | DELETE | [RFC7252] |                        
     +------+--------+-----------+  
        表 5: CoAP Method Codes

   其他Method Codes没有安排。
   互联网号码分配政策在未来为这个sub-registry额外定义描述在“IETF Review or IESG Approval” [RFC5226].
   方法代码的文档需要指定这个请求的语义，包含如下属性：

   1.这个方法的响应码成功返回。
   2.这个方法是否幂等，安全或两者都满足。

2. 响应码 这个sub-registry的名字是“CoAP Response Codes”
   每个sub-registry必须包含在2.00-5.31范围内的响应码，响应码的描述，响应码的文档参考。
   初始化进入这个sub-registry如下：
   ``` +———+———————————————+—————-+ | Code | Description | Reference | +———+———————————————+—————-+ | 2.01 | Created | [RFC7252] | | 2.02 | Deleted | [RFC7252] | | 2.03 | Valid | [RFC7252] | | 2.04 | Changed | [RFC7252] | | 2.05 | Content | [RFC7252] | | 4.00 | Bad Request | [RFC7252] | | 4.01 | Unauthorized | [RFC7252] | | 4.02 | Bad Option | [RFC7252] | | 4.03 | Forbidden | [RFC7252] | | 4.04 | Not Found | [RFC7252] | | 4.05 | Method Not Allowed | [RFC7252] | | 4.06 | Not Acceptable | [RFC7252] | | 4.12 | Precondition Failed | [RFC7252] | | 4.13 | Request Entity Too Large | [RFC7252] |
   | 4.15 | Unsupported Content-Format | [RFC7252] |
   | 5.00 | Internal Server Error | [RFC7252] | | 5.01 | Not Implemented | [RFC7252] | | 5.02 | Bad Gateway | [RFC7252] |
   | 5.03 | Service Unavailable | [RFC7252] | | 5.04 | Gateway Timeout | [RFC7252] | | 5.05 | Proxying Not Supported | [RFC7252] | +———+———————————————+—————-+

    表 6: CoAP Response Codes

   ``` 响应码3.00-3.31是预留给将来使用。所有其他响应码都没有被安排。
   

互联网号码分配政策为这个sub-registry以后额外的定义描述在“IETF Review or IESG Approval”[RFC5226].
响应码的文档需要指定这个响应的语义，包含如下属性：

• 响应码应用方式
• 是否需要携带payload，option。
• payload的语义。举个例子，2.05（内容）响应的payload是目标资源的展示；payload在错误的响应中是可读和诊断的。
• payload的格式。举个例子，这个格式在2.05（内容）响应是通过内容格式选项表示；payload的格式在一个错误的
• 响应中总是Net-Unicode文本
• 响应是否可以缓冲，取决于freshness model
• 响应是否通过合法性检查，取决于validation model
• 响应是否导致一个cache来标志响应已经存储，表明这个请求的URI不是最新的。

  Content-Format描述

  CoAP支持多种媒体类型，具体可参考RFC7252 #12.3。从下图的信息可以发现，CoAP协议中关于媒体类型的定义比较简单，未来应该会根据实际情况扩展。
  
  图5.1 Content-Format编号内容
  　　【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。(翻译不一定准确)
  　　另外，还有一种格式也北IANA认定，也会在CoAP协议中广泛使用那便是CBOR格式，该格式可理解为二进制JSON格式。
  　　【applicaiton/cbor】编号为60。

  示例

  　该示例来自于RFC7252。
  　　【流程描述】
  　　CoAP客户端通过GET方法从Server端获得温度传感器数据，CoAP URI如下
  　coap://www.server.com/temperautre
  　　CoAP请求采用CON报文，Server接收到CON报文必须返回一个ACK报文。
  CoAP请求采用0.01 GET方法，若操作成功CoAP Server返回2.05 Content，相当于HTTP 200 OK。请求和响应的MID必须完全相同，此处为0x7d34。请求响应中的Token域为空。CoAP请求中包含Option，该Option的类型为Uri-Path，那么Option Delta的值为0+11=11，Option Value的值为字符串形式的“temperature”。
  CoAP返回中包含温度数据，使用字符串形式描述，具体值为”22.3”。
  
  图6.1 CoAP 请求响应流程
  【格式描述】
  
  图6.2 CoAP请求响应具体格式
  参考文献：
  1.译文：https://github.com/WildDogTea…
  2.http://blog.csdn.net/xukai871…