無線物聯(lián)網(wǎng)中CoAP協(xié)議的研究與實現(xiàn)

摘要：由于物聯(lián)網(wǎng)中的很多設備都是資源受限型的，即只有少量的內存空間和有限的計算能力，所以傳統(tǒng)的HTTP協(xié)議應用在物聯(lián)網(wǎng)上就顯得過于龐大而不適用。IETF的CoRE工作組提出了一種基于REST架構的CoAP協(xié)議。CoAP是6LowPAN協(xié)議棧中的應用層協(xié)議。該文在詳細介紹了CoAP協(xié)議的內容、特點和交互模型后，在uIPv6 START KIT無線網(wǎng)絡開發(fā)套件上，使用Contiki嵌入式操作系統(tǒng)，不僅在瀏覽器端實現(xiàn)了CoAP協(xié)議而且用自己編寫的客戶端程序實現(xiàn)了CoAP協(xié)議，增加了和數(shù)據(jù)庫之間的交互功能，從而實現(xiàn)了在Web界面上不僅可以查看實時數(shù)據(jù)，還可以查看歷史數(shù)據(jù)的功能。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；6LoWPAN；CoAP；Contiki

0 引言
物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上延伸和擴展的一種網(wǎng)絡，其用戶端延伸和擴展到了任何物品之間，彼此進行信息交換和通信，目的是實現(xiàn)所有物品與網(wǎng)絡的連接，從而方便識別、管理和控制。
無線物聯(lián)網(wǎng)的特點包括：全面感知、實時準確傳遞物品信息、利用智能計算技術對海量數(shù)據(jù)進行分析和處理，以實現(xiàn)智能化控制。
由于無線物聯(lián)網(wǎng)中的設備很多都是資源受限型的，這些設備只有少量的內存空間和有限的計算能力。為此，IETF(Intemet Engineering Task Force)的CoRE(Constrained RESTful Environment)工作組為受限節(jié)點制定相關的REST(Representational State Transfer)形式的應用層協(xié)議。這就是CoRE工作組正在制訂的CoAP(Constrained Application Protocol)協(xié)議。

1 6LoWPAN協(xié)議棧
由于TCP／IP協(xié)議棧不適用于資源受限的設備，因此提出了一種6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks)協(xié)議棧。CoAP是6LoWPAN協(xié)議棧中的應用層協(xié)議。6LoWPAN使IPv6可用于低功耗的有損網(wǎng)絡，它是基于IEEE 802．15．4標準的。6LoWPAN協(xié)議棧如圖1所示。

協(xié)議棧的下兩層用802．15．4 PHY／MAC，中間加一個IPv6-6LoWPAN適配層，傳輸層使用UDP協(xié)議，應用層使用CoAP協(xié)議。它包括REST的最小子集和到HTTP的無狀態(tài)映射。通信主機使用CoAP協(xié)議，能夠支持穩(wěn)定的通信架構，以實現(xiàn)傳感器節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)的無線連接。

2 CoAP協(xié)議
在2010年3月，CoRE工作組開始制定CoAP協(xié)議，到目前為止，該協(xié)議還沒有定稿。CoAP協(xié)議是為物聯(lián)網(wǎng)中資源受限設備制定的應用層協(xié)議。它是一種面向網(wǎng)絡的協(xié)議，采用了與HTTP類似的特征，核心內容為資源抽象、REST式交互以及可擴展的頭選項等。應用程序通過URI標識來獲取服務器上的資源，即可以像HTTP協(xié)議對資源進行GET、PUT、POST和DELETE等操作。CoAP協(xié)議具有如下特點：
(1)報頭壓縮：CoAP包含一個緊湊的二進制報頭和擴展報頭。它只有短短的4 B的基本報頭，基本報頭后面跟擴展選項。一個典型的請求報頭為10～20 B。圖2是CoAP協(xié)議的信息格式。

報頭部分各字段的含義如下：V(Version)表示CoAP協(xié)議的版本號；T(Type)表示消息的信息類型；OC(Option Count)表示頭后面的可選的選項數(shù)量；Code表示消息的類型：請求消息、響應消息，或者是空消息；Message ID表示消息編號，用于重復消息檢測、匹配消息類型等。
(2)方法和URIs：為了實現(xiàn)客戶端訪問服務器上的資源，CoAP支持GET、PUT、POST和DELETE等方法。CoAP還支持URIs，這是Web架構的主要特點。
(3)傳輸層使用UDP協(xié)議：CoAP協(xié)議是建立在UDP協(xié)議之上，以減少開銷和支持組播功能。它也支持一個簡單的停止和等待的可靠性傳輸機制。
(4)支持異步通信：HTTP對M2M(Machine-to-Machine)通信不適用，這是由于事務總是由客戶端發(fā)起。而CoAP協(xié)議支持異步通信，這對M2M通信應用來說是常見的休眠／喚醒機制。
(5)支持資源發(fā)現(xiàn)：為了自主的發(fā)現(xiàn)和使用資源，它支持內置的資源發(fā)現(xiàn)格式，用于發(fā)現(xiàn)設備上的資源列表，或者用于設備向服務目錄公告自己的資源。它支持RFC5785中的格式，在CoRE中用／．well—known／core的路徑表示資源描述。
(6)支持緩存：CoAP協(xié)議支持資源描述的緩存以優(yōu)化其性能。
(7)訂閱機制：CoAP使用異步通信方式，用訂閱機制實現(xiàn)從服務器到客戶端的消息推送。實現(xiàn)CoAP的發(fā)布，訂閱機制，它是請求成功后自動注冊的一種資源后處理程序。是由默認的EVENT_和PERIODIC_RESOURCEs來進行配置的。它們的事件和輪詢處理程序用EST．notify_subscri bers()函數(shù)來發(fā)布。
2．1 CoAP協(xié)議棧
圖3是CoAP協(xié)議棧。CoAP協(xié)議的傳輸層使用UDP協(xié)議。由于UDP傳輸?shù)牟豢煽啃?，CoAP協(xié)議采用了雙層結構，定義了帶有重傳的事務處理機制，并且提供資源發(fā)現(xiàn)和資源描述等功能。CoAP采用盡可能小的載荷，從而限制了分片。

事務層(Transaction layer)用于處理節(jié)點之間的信息交換，同時提供組播和擁塞控制等功能。請求／響應層(Request／Responselayer)用于傳輸對資源進行操作的請求和響應信息。CoAP協(xié)議的REST構架是基于該層的通信。CoAP的雙層處理方式，使得CoAP沒有采用TCP協(xié)議，也可以提供可靠的傳輸機制。利用默認的定時器和指數(shù)增長的重傳間隔時間實現(xiàn)CON(Confirmable)消息的重傳，直到接收方發(fā)出確認消息。另外，CoAP的雙層處理方式支持異步通信，這是物聯(lián)網(wǎng)和M2M應用的關鍵需求之一。
2．2 CoAP的訂閱機制
HTTP的請求／響應機制是假設事務都是由客戶端發(fā)起的，通常叫做拉模型。這導致客戶端不能高效的知統(tǒng)中，設備都是無線低功耗的，這些設備大部分時間是休眠狀態(tài)，因此不能響應輪詢請求。而CoRE認為支持本地的推送模型是一個重要的需求，也就是由服務器初始化事務到客戶端。推送模型需要一個訂閱接口，用來請求響應關于特定資源的改變。而由于UDP的傳輸是異步的，所以不需要特殊的通知消息。訂閱機制如圖4所示。