17 RESTful 的 CoAP 协议

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2023-12-01

17.1 CoAP: 嵌入式系统的REST

引自维基百科上的介绍，用的是谷歌翻译。。。

受约束的应用协议（COAP）是一种软件协议旨在以非常简单的电子设备，使他们能够在互联网上进行交互式通信中使用。它特别针对小型低功率传感器，开关，阀门和需要被控制或监督远程，通过标准的Internet网络类似的组件。 COAP是一个应用层协议，该协议是用于在资源受限的网络连接设备，例如无线传感器网络节点使用。 COAP被设计为容易地转换为HTTP与Web简化集成，同时也能满足特殊的要求，例如多播支持，非常低的开销，和简单性。多播，低开销，以及简单性是因特网极其重要物联网（IOT）和机器对机器（M2M）设备，这往往是积重难返，有太多的内存和电源，比传统的互联网设备有。因此，效率是非常重要的。 COAP可以在支持UDP或UDP的模拟大多数设备上运行。

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PUT,GET,POST和DELETE。对于微小的资源受限，在资源受限的通信的IP的网络，HTTP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，关于资源与带宽，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

17.2 CoAP 命令行工具

为了测试测试我们的代码是否是正确工作，我们需要一个CoAP的命令行工具。目前有两个不错的工具可以使用。

CoAP-cli，一个基于NodeJS的CoAP命令行工具，其核心是基于Node-CoAP库。
libcooap，一个用C写的CoAP命令行工具。
FireFox Copper，一个Firefox的插件。

17.2.1 Node CoAP CLI

安装命令如下

 npm install coap-cli -g

17.2.1.1 CoAP命令行

在coap-cli中，一共有四个方法。分别表示REST的四种不同的方式:

Commands:

get          performs a GET request
put          performs a PUT request
post           performs a POST request
delete         performs a DELETE request

在这里，我们用http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://vs0.inf.ethz.ch/来作一个简单的测试

coap get http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://vs0.inf.ethz.ch/
(2.05)  ************************************************************
I-D

测试一下现在的最小的物联网系统CoAP版

coap get coap://iot-coap.phodal.com/id/1
(2.05)  [{"id":1,"value":"is id 1","sensors1":19,"sensors2":20}]

17.2.2 libcoap

17.2.2.1 mac os libcoap安装

Mac OS下可以直接用

brew install libcoap

17.2.2.2 Ubuntu libcoap安装

Ubuntu GNU/Linux下

17.2.2.3 Windows libcoap安装

Windows 下

安装完libcoap，我们可以直接用自带的两个命令

coap-client 
coap-server

1.用coap-server启一个CoAP服务

coap-server

2.客户端获取数据

coap-client -m get coap://localhost

返回结果

v:1 t:0 tkl:0 c:1 id:37109
This is a test server made with libcoap (see http://libcoap.sf.net) 
Copyright (C) 2010--2013 Olaf Bergmann <bergmann@tzi.org>

17.2.3 Firefox Copper

为了能访问http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/，于是我们便需要安装一个Firefox并安装一个名为Copper的插件。

下载地址: https://addons.mozilla.org/en-US/firefox/addon/copper-270430/
作为测试我们同样可以访问 http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://vs0.inf.ethz.ch:5683/

17.3 CoAP Hello,World

接着我们便开始试试做一个简单的CoAP协议的应用:

这里用到的是一个Nodejs的扩展Node-CoAP

node-coap is a client and server library for CoAP modelled after the http module.

Node-CoAP是一个客户端和服务端的库用于CoAP的模块建模。创建一个package.json文件，添加这个库

{
  "dependencies":{
  "coap": "0.7.2"
  }
}

接着执行

npm install

就可以安装好这个库。如果遇到权限问题，请用

sudo npm install

接着，创建这样一个app.js

const coap    = require('coap')
  , server  = coap.createServer()

server.on('request', function(req, res) {
  res.end('Hello ' + req.url.split('/')[1] + '\n')
})

server.listen(function() {
  console.log('server started')
})

执行

node app.js

便可以在浏览器上访问了，因为现在什么也没有，所以什么也不会返回。

接着下来再创建一个client端的js，并运行之

const coap  = require('coap') 
  , req   = coap.request('http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/World')

req.on('response', function(res) {
  res.pipe(process.stdout)
})

req.end()

就可以在console上输出

Hello World

也就达到了我们的目的，用CoAP协议创建一个服务，接着我们应该用它创建更多的东西，如产生JSON数据，以及RESTful。和HTTP版的最小物联网系统一样，CoAP版的最小物联网系统也是要返回JSON的。

17.4 CoAP 数据库查询

17.4.1 Node Module

这说里NodeJS Module的意义是因为我们需要在别的地方引用到db_helper这个库，也就是下一小节要的讲的内容。

这样我们就可以在server.js类似于这样去引用这个js库。

var DBHelper = require('./db_helper.js');
DBHelper.initDB();

而这样调用的前提是我们需要去声明这样的module，为了方便地导出函数功能调用。

function DBHelper(){
}
DBHelper.initDB = function(){};
module.exports = DBHelper;

17.4.2 Node-Sqlite3

这次我们用的是SQLite3(你可以用MySQL，出于安全考虑用SQLite3，SQLite3产生的是一个文件)。一个简单的initDB函数

var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
var create_table = 'create table if not exists basic (' + config["db_table"] + ');';

db.serialize(function() {
  db.run(create_table);
  _.each(config["init_table"], function(insert_data) {
    db.run(insert_data);
  });
});
db.close();

首先从配置中读取db_name，接着创建table，然后调用underscore的each方法，创建几个数据。配置如下所示

config = {
  "db_name": "iot.db",
  "db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
  "init_table":[
    "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (NULL, 'is id 1', 19, 20);",
    "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (NULL, 'is id 2', 20, 21);"
  ],
  "query_table":"select * from basic;"
};

而之前所提到的url查询所做的事情便是

DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
  var db = new sqlite3.Database("iot.db");
  var result = [];
  console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
  db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
    db.close();
    callback(JSON.stringify(rows));
  });
};

将URL传进来，便解析这个参数，接着再放到数据库中查询，再回调回结果。这样我们就可以构成之前所说的查询功能，而我们所谓的post功能似乎也可以用同样的方法加进去。

17.4.3 查询数据

简单地记录一下在IoT-CoAP中一次获取数据地过程。

先看看在示例中的Get.js的代码，这关乎在后面server端的代码。

const coap     = require('coap')
   ,requestURI = 'http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/'
   ,url    = require('url').parse(requestURI + 'id/1/')
   ,req    = coap.request(url)
   ,bl     = require('bl');

req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
  res.pipe(bl(function(err, data) {
  var json = JSON.parse(data);
  console.log(json);
  }));

});
req.end();

const定义数据的方法，和我们在其他语言中有点像。只是这的const主要是为了程序的健壮型,减少程序出错，当然这不是javascript的用法。

我们构建了一个请求的URL

http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/id/1/

我们对我们的请求添加了一个Header，内容是Accept，值是’application/json’也就是JSON格式。接着，便是等待请求回来，再处理返回的内容。

判断请求的方法

在这里先把一些无关的代码删除掉，并保证其能工作，so，下面就是简要的逻辑代码。

var coap      = require('coap');
var server      = coap.createServer({});
var request_handler = require('./request_handler.js');

server.on('request', function(req, res) {
  switch(req.method){
    case "GET": request_handler.getHandler(req, res);
      break;
  }
});

server.listen(function() {
  console.log('server started');
});

创建一个CoAP服务，判断req.method，也就是请求的方法，如果是GET的话，就调用request_handler.getHandler(req, res)。而在getHandler里，判断了下请求的Accept

request_helper.getHandler = function(req, res) {
  switch (req.headers['Accept']) {
    case "application/json":
      qh.returnJSON(req, res);
      break;
    case "application/xml":
      qh.returnXML(req, res);
      break;
  }
};

如果是json刚调用returnJSON,

Database与回调

而这里为了处理回调函数刚分为了两部分

query_helper.returnJSON = function(req, res) {
  DBHelper.urlQueryData(req.url, function (result) {
    QueryData.returnJSON(result, res);
  });
};

而这里只是调用了

DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
  var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
  console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
  db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
    db.close();
    callback(JSON.stringify(rows));
  });
};

这里调用了node sqlite3去查询对应id的数据，用回调处理了数据无法到外部的问题，而上面的returnJSON则只是返回最后的结果，code以及其他的内容。

QueryData.returnJSON = function(result, res) {
  if (result.length == 2) {
    res.code = '4.04';
    res.end(JSON.stringify({
      error: "Not Found"
    }));
  } else {
    res.code = '2.05';
    res.end(result);
  }
};

当resulst的结果为空时，返回一个404，因为没有数据。这样我们就构成了整个的链，再一步步返回结果。

在IoT-CoAP中我们使用到了一个Block2的东西，于是便整理相关的一些资料，作一个简单的介绍，以及在代码中的使用。

17.5 CoAP Block

CoAP是一个RESTful传输协议用于受限设备的节点和网络。基本的CoAP消息是一个不错的选择对于小型载荷如

温度传感器
灯光开关
楼宇自动化设备

然而，有时我们的应用需要传输更大的有效载荷，如——更新固件。与HTTP，TCP做繁重工作将大型有效载荷分成多个数据包，并确保他们所有到达并以正确的顺序被处理。

CoAP是同UDP与DLTS一样是基于数据报传输的，这限制了资源表示(resource representation)的最大大小，使得传输不需要太多的分割。虽然UDP支持通过IP分片传输更大的有效载荷，且仅限于64KiB，更重要的是，并没有真正很好地约束应用和网络。

而不是依赖于IP分片，这种规范基本COAP了对“块”选项，用于传输信息从多个资源区块的请求 - 响应对。在许多重要的情况下，阻止使服务器能够真正无状态：服务器可以处理每块分开传输，而无需建立连接以前的数据块传输的其他服务器端内存。

综上所述，块(Block)选项提供了传送一个最小的在分块的方式更大的陈述。

17.5.1 CoAP POST

看看在IoT CoAP中的post示例。

const coap   = require('coap')
    ,request  = coap.request
    ,bl     = require('bl')
    ,req = request({hostname: 'localhost',port:5683,pathname: '',method: 'POST'});

req.setOption('Block2',  [new Buffer('1'),new Buffer("'must'"), new Buffer('23'), new Buffer('12')]);
req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
  res.pipe(bl(function(err, data) {
    console.log(data);
    process.exit(0);
  }));

});

req.end();

Block2中一共有四个数据，相应的数据结果应该是

{ name: 'Block2', value: <Buffer 31> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 27 6d 75 73 74 27> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 32 33> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 31 32> }

这是没有解析的Block2，简单地可以用

_.values(e).toString()

将结果转换为

Block2,1 Block2,‘must’ Block2,23 Block2,12

接着按“,”分开，

_.values(e).toString().split(',')[1]

就有

[ '1', '\'must\'', '23', '12' ]

便可以很愉快地将其post到数据库中了，

在做IoT-CoAP的过程中只支持JSON，查阅CoAP的草稿时发现支持了诸多的Content Types。

17.5.2 CoAP Content Types

以下文字来自谷歌翻译:

互联网媒体类型是通过HTTP字符串标识，如“application/xml”。该字符串是由一个顶层的类型“applicaion”和子类型的“XML”。为了尽量减少使用这些类型的媒体类型来表示的开销消息有效载荷，COAP定义一个标识符编码方案互联网媒体类型的子集。预计这桌将可扩展标识符的值的IANA维护。内容类型选项被格式化为一个8位无符号整数。初始映射到一个合适的互联网媒体类型标识符表所示。复合型高层次类型（multipart和不支持消息）。标识符值是从201-255保留的特定于供应商的，应用程序特定的或实验使用和不由IANA。

下面是HTTP的标识符及类型

Internet media type	Identifier
text/plain (UTF-8)	0
text/xml (UTF-8)	1
text/csv (UTF-8)	2
text/html (UTF-8)	3
image/gif	21
image/jpeg	22
image/png	23
image/tiff	24
audio/raw	25
video/raw	26
application/link-format [I-D.ietf-core-link-format]	40
application/xml	41
application/octet-stream	42
application/rdf+xml	43
application/soap+xml	44
application/atom+xml	45
application/xmpp+xml	46
application/exi	47
application/x-bxml	48
application/fastinfoset	49
application/soap+fastinfoset	50
application/json	51

而在CoAP中只有简单地几个

Media type	Encoding	Id.	Reference
text/plain;	-	0	[RFC2046][RFC3676][RFC5147]
charset=utf-8
application/	-	40	[RFC6690]
link-format
application/xml	-	41	[RFC3023]
application/	-	42	[RFC2045][RFC2046]
octet-stream
application/exi	-	47	[EXIMIME]
application/json	-	50	[RFC4627]

简单地说就是：

诸如application/json的Content Types在CoAP中应该是50。如上表所示的结果是其对应的结果，这样的话可以减少传递的信息量。

17.6 CoAP JSON

于是在一开始的时候首先支持的便是“application/json”这样的类型。

首先判断请求的header

request_helper.getHandler = function(req, res) {
  switch (req.headers['Accept']) {
    case "application/json":
      qh.returnJSON(req, res);
      break;
    case "application/xml":
      qh.returnXML(req, res);
      break;
  }
};

再转至相应的函数处理，而判断的依据则是Accept是不是“application/json”。

registerFormat('text/plain', 0)
registerFormat('application/link-format', 40)
registerFormat('application/xml', 41)
registerFormat('application/octet-stream', 42)
registerFormat('application/exi', 47)
registerFormat('application/json', 50)

对应地我们需要在一发出请求的时候设置好Accept，要不就没有办法返回我们需要的结果。

req.setHeader("Accept", "application/json");

返回JSON

在给IoT CoAP添加了JSON支持之后，变得非常有意思，至少我们可以获得我们想要的结果。在上一篇中我们介绍了一些常用的工具——CoAP 命令行工具集。

CoAP客户端代码

开始之前我们需要有一个客户端代码，以便我们的服务端可以返回正确的数据并解析

var coap = require('coap');
var requestURI = 'http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/';
var url = require('url').parse(requestURI + 'id/1/');
console.log("Request URL: " + url.href);
var req = coap.request(url);
var bl = require('bl');

req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
  res.pipe(bl(function(err, data) {
  var json = JSON.parse(data);
  console.log(json);
  }));

});

req.end();

代码有点长内容也有点多，但是核心是这句话：

req.setHeader("Accept", "application/json");

这样的话，我们只需要在我们的服务端一判断，

if(req.headers['Accept'] == 'application/json') {
   //do something
 };

这样就可以返回数据了

CoAP Server端代码

Server端的代码比较简单，判断一下

if (req.headers['Accept'] == 'application/json') {
    parse_url(req.url, function(result){
      res.end(result);
    });
    res.code = '2.05';
  }

请求的是否是JSON格式，再返回一个205，也就是Content，只是这时设计是请求一个URL返回对应的数据。如

http://127.0.0.5/designiot-gh-pages/coap://localhost/id/1/

这时应该请求的是ID为1的数据，即

[ { id: 1, value: 'is id 1', sensors1: 19, sensors2: 20 }]

而parse_url只是从数据库从读取相应的数据。

function parse_url(url ,callback) {
  var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
  var result = [];
  db.all("SELECT * FROM basic;", function(err, rows) {
    callback(JSON.stringify(rows));
  })
}

并且全部都显示出来，设计得真是有点不行，不过现在已经差不多了。

17.7 使用IoT-CoAP构建物联网

(注意：windows系统npm install失败时，需要自己建立一个C:and Settings[USERNAME]Data文件)

npm install iot-coap

1.新建index.js

注意: 如果已经存在一个index.js文件，请将下面内容添加到文件末尾(create index.js, and add)

var iotcoap     = require('iot-coap');

iotcoap.run();
iotcoap.rest.run();

注意:在db配置可以选择mongodb和sqlite3，替换所需要的数据库即可。(you can choice db on iot.js with ‘sqlite’ or ‘mongodb’)

2.创建iot.js

exports.config  = {
  "db_name": "iot.db",
  "mongodb_name": "iot",
  "mongodb_documents": "iot",
  "db": "mongodb",
  "table_name": "basic",
  "keys":[
    "id",
    "value",
    "sensors1",
    "sensors2"
  ],
  "db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
  "mongodb_init":[
    {
      id: 1,
      value: "is id 1",
      sensors1: 19,
      sensors2: 20
    },
    {
      id: 2,
      value: "is id 2",
      sensors1: 20,
      sensors2: 21
    }
  ],
  "init_table":[
    "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (NULL, 'is id 1', 19, 20);",
    "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (NULL, 'is id 2', 20, 21);"
  ],
  "query_table":"select * from basic;",
  "rest_url": "/id/:id",
  "rest_post_url": "/",
  "rest_port": 8848
};

3.运行(run)

node index.js

show:

coap listening at coap://0.0.0.0:5683
restify listening at http://0.0.0.0:8848