Thingsboard – CoAP 协议介绍

2022年4月14日2022年4月14日

以下内容是在原文基础上演绎的译文。除非另行注明，页面上所有内容采用知识共享-署名（CC BY 2.5 AU）协议共享。

视频教程

CoAP

协议介绍 CoAP 是一种在物联网世界的类 web 协议，它的详细规范定义在 RFC 7252。COAP 名字翻译来就是 “受限应用协议”，顾名思义，使用在资源受限的物联网设备上。物联网设备的 ram，rom 都通常非常小，运行 TCP 和 HTTP 是不可以接受的。

协议特点

CoAP

协议特点

CoAP 协议网络传输层由 TCP 改为 UDP。
它基于 REST，server 的资源地址和互联网一样也有类似 url 的格式，客户端同样有 POST，GET,PUT,DELETE 方法来访问 server，对 HTTP 做了简化。
COAP 是二进制格式的，HTTP 是文本格式的，COAP 比 HTTP 更加紧凑。
轻量化，COAP 最小长度仅仅 4B，一个 HTTP 的头都几十个 B 了。
支持可靠传输，数据重传，块传输。确保数据可靠到达。
支持 IP 多播, 即可以同时向多个设备发送请求。
非长连接通信，适用于低功耗物联网场景。

客户端库设置

安装安装 node.js,然后执行以下命令:

npm install coap-cli -g

用法

Usage: coap [command] [options] url

  Commands:

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

  Options:

    -h, --help                    output usage information
    -V, --version                 output the version number
    -o, --observe                 Observe the given resource
    -n, --no-new-line             No new line at the end of the stream
    -p, --payload <payload>       The payload for POST and PUT requests
    -b, --block2 <option>         set the block2 size option
    -q, --quiet                   Do not print status codes of received packets
    -c, --non-confirmable         non-confirmable
    -t, --timeout <seconds>       The maximum send time in seconds
    -T, --show-timing             Print request time, handy for simple performance tests
    -O, --coap-option <key,value> Add COAP-Option to the request (repeatable)

PUT 和 POST PUT 和 POST 请求如下例所示

echo -n 'hello world' | coap post coap://localhost/message

Thingsboard 的 CoAP 传输协议架构

因为 Thingsboard 最新 release，是基于微服务架构，不利用单独理解代码。 Thingsboard CoAP 设备传输协议源代码:https://github.com/thingsboard/thingsboard/tree/release-2.0/transport/coap 本文基于上面源代码后，剔除相关的安全验证和处理之后搭建简易的讲解项目: https://github.com/sanshengshui/IOT-Technical-Guide/tree/master/IOT-Guide-Coap

CoAP 框架

Thingsboard 的 CoAP 设备传输协议是基于 Californium。Californium 是一款基于 Java 实现的 Coap 技术框架，该项目实现了 Coap 协议的各种请求响应定义，支持 CON/NON 不同的可靠性传输模式。 Californium 基于分层设计且高度可扩展，其内部模块设计及接口定义存在许多学习之处；值得一提的是，在同类型的 Coap 技术实现中，Californium 的性能表现是比较突出的，如下图：

更多的数据可以参考Californium-可扩展云服务白皮书本文以框架的源码分析为主，其他内容不做展开。

项目结构

.
└── main
    └── java
        ├── com
        │   └── sanshengshui
        │       └── coap
        │           ├── adaptors
        │           │   └── JsonCoapAdaptor.java
        │           ├── CoapTransportResource.java
        │           ├── common
        │           │   └── FeatureType.java
        │           └── session
        │               └── SessionMsgType.java
        └── IOTCoapServer.java

代码讲解

IOTCoapServer
public class IOTCoapServer {

    private static final String V1 = "v1";
    private static final String API = "api";


    private static String host = "127.0.0.1";
    private static Integer port = 5683;
    private static long timeout = 10000;

    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        CoapServer coapServer = new CoapServer();
        CoapResource api = new CoapResource(API);
        api.add(new CoapTransportResource(V1,timeout));
        coapServer.add(api);
        InetAddress addr = InetAddress.getByName(host);
        InetSocketAddress sockAddr = new InetSocketAddress(addr, port);
        coapServer.addEndpoint(new CoapEndpoint(sockAddr));
        coapServer.start();
    }
}

第 12 行代码: CoapServer 用作创建服务端。
第 12-15 行: CoapResource 是 resource 的基本实现，扩展这个类来编写您自己的资源。通过向资源添加 “v1”、” api” 和超时时间的设置，则 coap 的基础 url 为:coap://localhost:port/api/v1/。
第 16-18 行: Endpoint 负责与网络进行通信, 如果没有一个 Endpoint 与 CoapServer 进行绑定，那就创建一个默认的 Endpoint，默认就是 ucp 实现传输层。
第 19 行，启动 CoAP 服务。

以下图片展示服务端的基础架构:

CoapTransportResource 此类负责处理请求

GET

public void handleGET(CoapExchange exchange) {
    Optional<FeatureType> featureType = getFeatureType(exchange.advanced().getRequest());
    if (!featureType.isPresent()) {
    } else if (featureType.get() == FeatureType.TELEMETRY) {
        exchange.respond(CoAP.ResponseCode.BAD_REQUEST);
    }  else if (featureType.get() == FeatureType.ATTRIBUTES) {
        processRequest(exchange, SessionMsgType.GET_ATTRIBUTES_REQUEST);
    } else {
        exchange.respond(CoAP.ResponseCode.BAD_REQUEST);
    }
}

如果我们客户端发起的是 GET 请求，那么将会进入到 handleGET(CoapExchange exchange) 方法。

getFeatureType(Request request)判断coap协议长度是否大于3。当大于等于3，获取/api/v1/${param}的param元素。
public static final int FEATURE_TYPE_POSITION = 3;

private Optional<FeatureType> getFeatureType(Request request) {
        List<String> uriPath = request.getOptions().getUriPath();
        try {
            if (uriPath.size() >= FEATURE_TYPE_POSITION) {
                return Optional.of(FeatureType.valueOf(uriPath.get(FEATURE_TYPE_POSITION - 1).toUpperCase()));
            }
        } catch (RuntimeException e) {
        }
        return Optional.empty();
    }

通过判断 param 是否是 temperature 还是 attributes 进行相关的逻辑操作。
当不是上述类型，回复状态为 BAD_REQUEST 的状态码。

POST

@Override
    public void handlePOST(CoapExchange exchange) {
        Optional<FeatureType> featureType = getFeatureType(exchange.advanced().getRequest());
        if (!featureType.isPresent()) {
            exchange.respond(CoAP.ResponseCode.BAD_REQUEST);
        } else {
            switch (featureType.get()) {
                case ATTRIBUTES:
                    processRequest(exchange, SessionMsgType.POST_ATTRIBUTES_REQUEST);
                    break;
                case TELEMETRY:
                    processRequest(exchange, SessionMsgType.POST_TELEMETRY_REQUEST);
                    break;
            }
        }
    }

如果我们客户端发起的是 POST 请求，那么将会进入到 handlePOST(CoapExchange exchange) 方法。
对获取的 uri 的类型是 temperature 还是 attributes 来做相关的逻辑操作。

逻辑处理

private void processRequest(CoapExchange exchange, SessionMsgType type) {
        exchange.accept();
        Exchange advanced = exchange.advanced();
        Request request = advanced.getRequest();

        try {
            switch (type) {
                case GET_ATTRIBUTES_REQUEST:
                case POST_TELEMETRY_REQUEST:
                case POST_ATTRIBUTES_REQUEST:
                    //这个类在之前的物模型博文中有所讲解，大家可以翻看！
                    JsonCoapAdaptor.convertToMsg(type,request);
                    break;
                default:
                    throw new IllegalArgumentException("Unsupported msg type: " + type);
            }
            exchange.respond("Data has been received");
        } catch (AdaptorException e){
            exchange.respond(CoAP.ResponseCode.BAD_REQUEST, e.getMessage());
        } catch (IllegalArgumentException  e) {
            exchange.respond(CoAP.ResponseCode.INTERNAL_SERVER_ERROR, e.getMessage());
        }
    }

项目演示

遥测上传 API 要将遥测数据发布到服务器节点，请将 POST 请求发送到以下 URL：

coap://host/api/v1/telemetry

最简单的支持数据格式是：

{"key1":"value1", "key2":"value2"}

或者

[{"key1":"value1"}, {"key2":"value2"}]

请注意，在这种情况下，服务器端时间戳将分配给上传的数据！如果您的设备能够获取客户端时间戳，您可以使用以下格式：

{"ts":1451649600512, "values":{"key1":"value1", "key2":"value2"}}

在上面的示例中，我们假设 “1451649600512” 是具有毫秒精度的 unix 时间戳。例如，值’1451649600512’ 对应于’Fri，2016年1月1日12：00：00.512 GMT’ 例子：

echo -n '{"size":21,"type":"device"}' | coap post coap://demo.thingsboard.io/api/v1/telemetry

结果:

key= 1564105084015
属性名=size 属性值=21
属性名=type 属性值=device

属性 API 属性 API 允许设备

将客户端设备属性上载到服务器。
从服务器请求客户端和共享设备属性。

将属性更新发布到服务器 要将客户端设备属性发布到 ThingsBoard 服务器节点，请将 POST 请求发送到以下 URL：

coap://host/api/v1/attributes

例子：

echo -n '{"size":21,"type":"device","status":true}' | coap post coap://localhost:5683/api/v1/attributes

结果：

key= 1564105158573
属性名=size 属性值=21
属性名=type 属性值=device
属性名=status 属性值=true

从服务器请求属性值 要向 ThingsBoard 服务器节点请求客户端或共享设备属性，请将 GET 请求发送到以下 URL：

coap://host/api/v1/attributes?clientKeys=attribute1,attribute2&sharedKeys=shared1,shared2

例子：

coap get coap://localhost:5683/api/v1/attributes?clientKeys=attribute1,attribute2&sharedKeys=shared1,shared2

结果:

(2.05)  Data has been received

到此,物联网时代，相信大家对 IOT 架构下的 CoAP 协议有所了解了，感谢大家的阅读！

本文作者：穆书伟

本文链接： https://blog.grozacloud.com/2019/07/25/-跟着 Thingsboard 学 IOT 架构-CoAP 设备协议物联网时代

Thingsboard – CoAP 协议介绍

CoAP

协议特点

CoAP

协议特点

Thingsboard 的 CoAP 传输协议架构

代码讲解

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