无线物联网中CoAP协议的研究与实现

摘要：由于物联网中的很多设备都是资源受限型的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的HTTP协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。IETF的CoRE工作组提出了一种基于REST架构的CoAP协议。CoAP是6LowPAN协议栈中的应用层协议。该文在详细介绍了CoAP协议的内容、特点和交互模型后，在uIPv6 START KIT无线网络开发套件上，使用Contiki嵌入式操作系统，不仅在浏览器端实现了CoAP协议而且用自己编写的客户端程序实现了CoAP协议，增加了和数据库之间的交互功能，从而实现了在Web界面上不仅可以查看实时数据，还可以查看历史数据的功能。
关键词：物联网；6LoWPAN；CoAP；Contiki

0 引言
物联网是在互联网的基础上延伸和扩展的一种网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品之间，彼此进行信息交换和通信，目的是实现所有物品与网络的连接，从而方便识别、管理和控制。
无线物联网的特点包括：全面感知、实时准确传递物品信息、利用智能计算技术对海量数据进行分析和处理，以实现智能化控制。
由于无线物联网中的设备很多都是资源受限型的，这些设备只有少量的内存空间和有限的计算能力。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。这就是CoRE工作组正在制订的CoAP(Constrained Application Protocol)协议。

1 6LoWPAN协议栈
由于TCP／IP协议栈不适用于资源受限的设备，因此提出了一种6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks)协议栈。CoAP是6LoWPAN协议栈中的应用层协议。6LoWPAN使IPv6可用于低功耗的有损网络，它是基于IEEE 802．15．4标准的。6LoWPAN协议栈如图1所示。

协议栈的下两层用802．15．4 PHY／MAC，中间加一个IPv6-6LoWPAN适配层，传输层使用UDP协议，应用层使用CoAP协议。它包括REST的最小子集和到HTTP的无状态映射。通信主机使用CoAP协议，能够支持稳定的通信架构，以实现传感器节点与互联网的无线连接。

2 CoAP协议
在2010年3月，CoRE工作组开始制定CoAP协议，到目前为止，该协议还没有定稿。CoAP协议是为物联网中资源受限设备制定的应用层协议。它是一种面向网络的协议，采用了与HTTP类似的特征，核心内容为资源抽象、REST式交互以及可扩展的头选项等。应用程序通过URI标识来获取服务器上的资源，即可以像HTTP协议对资源进行GET、PUT、POST和DELETE等操作。CoAP协议具有如下特点：
(1)报头压缩：CoAP包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4 B的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10～20 B。图2是CoAP协议的信息格式。

报头部分各字段的含义如下：V(Version)表示CoAP协议的版本号；T(Type)表示消息的信息类型；OC(Option Count)表示头后面的可选的选项数量；Code表示消息的类型：请求消息、响应消息，或者是空消息；Message ID表示消息编号，用于重复消息检测、匹配消息类型等。
(2)方法和URIs：为了实现客户端访问服务器上的资源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP还支持URIs，这是Web架构的主要特点。
(3)传输层使用UDP协议：CoAP协议是建立在UDP协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。
(4)支持异步通信：HTTP对M2M(Machine-to-Machine)通信不适用，这是由于事务总是由客户端发起。而CoAP协议支持异步通信，这对M2M通信应用来说是常见的休眠／唤醒机制。
(5)支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路径表示资源描述。
(6)支持缓存：CoAP协议支持资源描述的缓存以优化其性能。
(7)订阅机制：CoAP使用异步通信方式，用订阅机制实现从服务器到客户端的消息推送。实现CoAP的发布，订阅机制，它是请求成功后自动注册的一种资源后处理程序。是由默认的EVENT_和PERIODIC_RESOURCEs来进行配置的。它们的事件和轮询处理程序用EST．notify_subscri bers()函数来发布。
2．1 CoAP协议栈
图3是CoAP协议栈。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。

事务层(Transaction layer)用于处理节点之间的信息交换，同时提供组播和拥塞控制等功能。请求／响应层(Request／Responselayer)用于传输对资源进行操作的请求和响应信息。CoAP协议的REST构架是基于该层的通信。CoAP的双层处理方式，使得CoAP没有采用TCP协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现CON(Confirmable)消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，CoAP的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和M2M应用的关键需求之一。
2．2 CoAP的订阅机制
HTTP的请求／响应机制是假设事务都是由客户端发起的，通常叫做拉模型。这导致客户端不能高效的知统中，设备都是无线低功耗的，这些设备大部分时间是休眠状态，因此不能响应轮询请求。而CoRE认为支持本地的推送模型是一个重要的需求，也就是由服务器初始化事务到客户端。推送模型需要一个订阅接口，用来请求响应关于特定资源的改变。而由于UDP的传输是异步的，所以不需要特殊的通知消息。订阅机制如图4所示。