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。

2．3 CoAP的交互模型
    CoAP使用类似于HTTP的请求／响应模型：CoAP终端节点作为客户端向服务器发送一个或多个请求，服务器端回复客户端的CoAP请求。不同于HTTP，CoAP的请求和响应在发送之前不需要事先建立连接，而是通过CoAP信息来进行异步信息交换。CoAP协议使用UDP进行传输。这是通过信息层选项的可靠性来实现的。CoAP定义了四种类型的信息：可证实的CON(Confirmable)信息，不可证实的NON(Non-Confirmable)信息，可确认的ACK(Acknowledgement)信息和重置信息RST(Reset)。方法代码和响应代码包含在这些信息中，实现请求和响应功能。这四种类型信息对于请求／响应的交互来说是透明的。
    CoAP的请求／响应语义包含在CoAP信息中，其中分别包含方法代码和响应代码。CoAP选项中包含可选的(或默认的)请求和响应信息，例如URI和负载内容类型。令牌选项用于独立匹配底层的请求到响应信息。
    请求／响应模型：请求包含在可证实的或不可证实的信息中，如果服务器端是立即可用的，它对请求的应答包含在可证实的确认信息中来进行应答。图5是基本的GET请求和响应模式，其中图5(a)表示成功发送请求和收到ACK确认信息，图5(b)表示重传了请求信息，然后才收到ACK确认信息。

    虽然CoAP协议目前还在制定当中，但Contiki和TinyOS嵌入式操作系统已经支持CoAP协议。Contiki是一个多任务操作系统，并带有uIPv6协议栈，适用于嵌入式系统和无线传感器网络，它占用系统资源小，适用于资源受限的网络和设备。目前，火狐浏览器已经集成了Copper插件，从而实现了CoAP协议。但是这种方式只能读取传感器节点上的实时数据，而不能查看各种历史数据。为此，在Contiki系统的基础上，基于uIPv6START KIT无线网络开发套件，用自己编写的客户端程序实现了和数据库的交互，把历史数据存入数据库中，从而在Web浏览器端不仅可以访问传感器节点上的实时数据，还能查看历史数据，以便于分析问题。

3 实验平台及CoAP协议的实现
3．1 实验平台
    硬件平台式是美信凌科公司的IPv6智能网关(MXG300)、MX231CC节点、USB无线网卡(STICK)和JTAG下载器。实验的硬件平台配置和硬件平台如图6，图7所示。软件平台是WinAVR和AVR studio，用于向节点和USB网卡中下载程序。

    其中IPv6智能网关上的主要芯片有：BCM 6358UKFBG支持多用户以太网功能，具有高度优化的32 MIPS CPU和标准的EJTAG调试器；BCM53 25EKQMG集成了5个收发器，具有128 KB的数据包缓冲区，最多可以支持2K的MAC地址，支持地址自动学习，提供真正的即插即用连接，而且是低功耗的；SIGe2521A60提供2．4～2．5 GHz的无线工作频段范围，应用于ISM 2．4．GHz的无线解决方案。
    图8是IPv6智能无线网关的接口布局，它是基于OPENWRT系统定制完成的。具备3个局域网口，1个广域网口，1个802．11a／b／g WiFi无线网络接口，1个标准USB口和1个可选的串口调试口。该智能无线网关除具备通用无线路由器的功能以外，还可以实现基于Contiki操作系统的USB UIP网络和普通IP网络之间的IPv6互连，同时还支持有能力的系统在OPENWRT的基础上开发自己的应用软件包，实现更复杂的应用。

    OPENWRT是一个开源的Linux版本。主要应用于嵌入式系统。网关和节点上同时装有Contiki系统，它提供宏定义和RESTful网络服务实例。
    MX231CC节点上的主要芯片是ATmega1284P，它具有128 KB的可编程闪存，4 KB的E2PROM，16 KB的片内SRAM，JTAG接口，优化的功耗和处理速度。节点上运行Contiki系统。节点上还有光敏传感器、室内温度传感器、三色LED指示灯等。
3．2 CoAP协议的火狐浏览器实现(B／S架构)
    B／S架构的系统结构如图9所示。

    系统由用户浏览器、Web服务器、IPv6智能网关、MX231CC节点组成。用户浏览器通过HTTP协议访问Web服务器，MX231CC节点通过CoAP协议和IPv6智能网关进行通信，从而实现用户浏览器访问节点上资源的功能。图9中实线表示有线连接，虚线表示无线连接。
    在当前的Contiki 2．5中，集成了CoAP 03和CoAP06这两个版本。这两个文件在Contiki 2．5的apps目录下，关于CoAP的核心内容都在这两个文件中。程序的主要部分为：

    AUTOSTART_PROCESSES(&coap_sample)这个进程需要自启动，即当节点启动时启动本程序；
    PERIODIC_RESOURCE()为进程的主体部分。
    然后进行编译，编译成．elf文件，用JTAG下载器下载到节点上。节点地址设置为：2001：2：：11：22ff：：fe33：4499。这时，用火狐浏览器访问节点，因为火狐浏览器自带coap插件，如果用其他浏览器，那么需要进行coap的代理设置。以控制节点上的三色LED灯反转为例，用下面的请求格式：
    GETcoap：／／[<mote_ip_address>]：<poa_number>／readings
    其中mote_ip_address是节点的IPv6地址，port_number是节点的端口号，readings是客户端请求的资源(温度)。
    所以在浏览器地址栏输入：coap：／／[2001：2：：11：22ff：fe33：4499]：61616／toggle，作用是让节点上的三色LED灯进行反转。服务器端的响应信息如图10所示。

    从浏览器端可以看出，CoAP协议支持Discover和Observe功能，具有GET、POST、PUT和DELETE等方法。Type表示信息类型为ACK，Code为200，表示成功完成客户端的请求。事务ID为38 264，它用于重复信息检测，options为1表示有一个可选项，内容类型为text表示文本类型。
    由此可以看出，通过火狐浏览器的CoAP协议，可以访问节点上的传感器资源。
3．3 CoAP协议的客户端实现(C／S架构)
    上节通过火狐浏览器可以实现COAP协议，但是只能查看实时数据，不能查看历史数据。为此，这里搭建了一个C／S架构的环境。如图11所示。

    图11中客户端软件是用基于．NET架构的C#语言编写的，数据库使用SQL Server 2008。通过此程序，可以每隔10 s读取一次数据，存入到数据库中。并可以通过前台的Web界面查看各种历史数据，包括温度、湿度、亮度等。
    插入数据库中的数据如图12所示，图中显示的是室内的亮度值。

    在Web浏览器端可以查看实时和历史数据，页面显示效果如图13所示。

    由此看出，基于C／S架构的方式，不仅可以显示实时数据，还可以查看历史数据，以便及时发现问题，更加具有实用性。

4 结论
    本文详细介绍了CoAP协议的内容、特点、交互模型以及订阅机制，还给出了基于uIPv6 START KIT无线网络开发套件的系统配置方式，该网络可以通过火狐浏览器和客户端软件两种方式实现CoAP协议，用户不仅可以读取传感器上的实时数据，而且可以查看历史数据。