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。

    +----------------------+
    |      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。(Large payloads are handled on the application layer to avoid IP fragmentation through a block-wise transfer.)

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

Refs

• IoT with Elixir and CoAP part 1: Example on how to easily prototype and build an IoT platform
• CoAP
• RFC 7252 Constrained Application Protocol
• 一步步搭建物联网系统——RESTful的CoAP协议
• 物联网核心设计关键之通信协议
• 一步步搭建物联网系统