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使用Elixir和CoAP搭建IoT平台 – 01 CoAP介绍

随着芯片成本的不断下降,移动设备的不断增多,互联网的日益发达,设备间的通信互联又重新走向了台前。毫无疑问,把数以万计的传感器连接在一起能够产生巨大的化学反应,IoT的初衷之一也就是采集大数据。交通、运输、物流、能源,几乎生产生活的每个方面都可能被IoT所颠覆。一般而言,IoT遇到的最大的问题就是环境的不稳定性,也就是没有稳定的电源,并且无线网络的带宽、延时、丢包等问题都比较突出。所以,IoT领域一般使用轻量级的协议,如知名的消息协议MQTT和XMPP。但今天我们关注的有所不同,它是在RFC 7252描述的受限应用协议(Constrained Application Protocol, CoAP)。

CoAP

理解CoAP协议主要要弄清几个概念,首先,也就是上面提到的,IoT中很多设备都是资源受限的,即只有少量的内存空间和有限的计算能力,像HTTP这种协议就显得过于庞大而不适用了。为此,IETF(Intemet Engineering Task Force)的CoRE(Constrained RESTful Environment)工作组为受限节点制定相关的REST(Representational State Transfer)形式的应用层协议。

REST,是不是很熟悉?REST也是互联网中最为常用的架构之一,许多服务的接口都是REST,微服务中间件的接口也大量采用了REST,当然,针对数据耦合度比较高的情况,为了简化请求和查询,后来也发明了GraphQL等。

REST架构的基本概念可以参见阮一峰的理解RESTful架构。这里仅仅挑出几个重点,首先,它是client/server的架构模型。其次,它把数据看做「资源」,放到IoT里,就可以是温度计测量的温度,或者电池的剩余电量这些数据。

CoAP服务器则提供了人们能轻松看懂的URI,如/thermometers/5。在可发现性的使用惯例里,所有资源都可以通过访问/.well-known/core这个地址列出,每个资源可以通过一系列查询参数来筛选,如/.well-known/core?rt=light_switch会列出所有资源类型(rt, resource type)为light_switch的资源。

和HTTP协议类似,你可以使用GET, POST, PUT 和 DELETE来操作资源,这种相似性使你可以映射请求到另一个服务器,也就是把CoAP和Web结合。我们也要注意到,CoAP底层是基于UDP协议的,这样能让协议更加轻盈。请求既可以被确认,也可以不被确认,可以根据需求而定。Large payloads are handled on the application layer to avoid IP fragmentation through a block-wise transfer.

                    +----------------------+                     |      Application     |                     +----------------------+                     +----------------------+  /                     |  Requests/Responses  |  |                     |----------------------|  | CoAP                     |       Messages       |  |                     +----------------------+  /                     +----------------------+                     |          UDP         |                     +----------------------+                  Figure 1: Abstract Layering of CoAP

CoAP协议的传输层使用UDP协议。由于UDP传输的不可靠性,CoAP协议采用了双层结构,定义了带有重传的事务处理机制,并且提供资源发现和资源描述等功能。CoAP采用尽可能小的载荷,从而限制了分片。

最有趣的特性要属“observe” 设置了。客户端发送GET请求时可以传递一个flag来开启观察者模式(observation)。server之后会把这个客户端列入特定资源的观察者名单,然后客户端持续监听服务端的响应。它允许我们构建被动接收数据的系统,无论这些数据将在什么时候送达。我们回想到HTTP和Websocket的场景,是不是有点像publisher-subscriber模式?是不是有点像Meteor的REST for Websocket。简言之,CoAP既可以单次REST请求,也可以通过observe实现实时数据订阅。

当然CoAP还有其他有趣的特性。数据包(Datagrams)的传输安全性可以由DTLS(Datagram Transport Layer Security,数据包传输层安全性协议)来保证。未来也存在 multicast and grouping of resources 的可能性。CoAP被最大最有前景的开源IoT框架IoTivity使用,它是由 Open Connectivity Foundation 赞助的,OCF包含了许多工业巨头,著名的微软、英特尔、高通、三星、思科、通用电气都在其列。

小结

简单地来说,CoAP是简化了HTTP协议的RESTful API,因而也只提供了REST的四个方法,即GET,POST,PUT和DELETE。对于资源受限的微处理器,和在资源受限的IP网络下通信,HTTP并不是一种可行的选择。它占用了太多的资源和太多的带宽。而对于物联网这种嵌入式设备来说,对于资源与带宽,是我们需要优先考虑的内容。

  • CoAP采用了二进制报头,而不是文本报头(text header)
  • CoAP降低了头的可用选项的数量
  • CoAP减少了一些HTTP的方法
  • CoAP可以支持检测装置

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