【IoT】基于NB-IoT的CoAP协议浅析

CoAP(Constrained Application Protocol) 协议是 IETF 提出的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。为了克服 HTTP 对于受限环境的劣势，CoAP 既考虑到数据报长度的最优化，又考虑到提供可靠通信。

CoAP协议具有以下特点：

（1）消息模型，以消息为数据通信载体，通过交换网络消息来实现设备间数据通信；

（2）对云端设备资源操作都是通过请求与响应机制来完成，类似 HTTP，设备端可通过4个请求方法（GET, PUT, POST, DELETE）对服务器端资源进行操作；

（3）协议包轻量级，最小长度仅为 4B；

（4）支持可靠传输，通过确认和数据重传确保数据可靠到达；

（5）支持IP多播, 即可以同时向多个设备发送请求；

（6）非长连接通信，适用于低功耗物联网场景。

1、CoAp 协议栈

CoAP 协议栈如图下图所示，CoAP 由 UDP 作为承载，遵循 UDP 基本的协议报文格式，UDP 数据内容部分按照 CoAP 协议报文格式进行写入传输。

1.1、 CoAP 资源请求/响应模型

Requests：请求方法与 HTTP 协议类似，分别为： GET, PUT, POST和 DELETE。

Responses：响应内容也与HTTP协议类似，主要有以下3类：

（1）Success 2.xx 代表客户端请求被成功接收并被成功处理；

（2）Client Error 4.xx 代表客户端请求有错误，比如参数错误等；

（3）Server Error 5.xx 代表服务器在执行客户端请求时出错。

1.2、 CoAP 消息报文定义

如下图所示为 CoAP 消息报文示意图，CoAP 消息报文是通过在 UDP 上传输消息完成，各部分说明如下：

 

1. CoAP消息报文头部（Header）

头部固定为4个Bytes，包含版本号（Ver）、报文类型（T）、CoAP标识符长度（TKL）、功能码/响应码（Code）以及报文编号（Message ID）。各部分说明如下：

Ver：版本号占2位，取值为01B，用于指示CoAP协议的版本号。

T：CoAP协议定了4种不同形式的报文，CON报文，NON报文，ACK报文和RST报文。

TKL：CoAP协议中具有两种功能相似的标识符，一种为Message ID（消息编号），一种为Token（标识符）。其中每个报文均包含消息编号，但是标识符对于报文来说是非必须的。

Code：Code在CoAP请求报文和响应报文中具有不同的表现形式，Code占一个字节，它被分成了两部分，前3位一部分，后5位一部分，为了方便描述它被写成了c.dd结构。其中0.XX表示CoAP请求的某种方法，而2.XX、4.XX或5.XX则表示CoAP响应的某种具体表现。

Message ID：消息编号。

1. Token（可选）

标识符具体内容，通过TKL指定Token长度。通过token，客户端收到响应后，取出Token，就可以知道该响应是针对之前哪个请求回复的。

（3）Option（可选，0个或者多个）

请求消息 与回应消息都可以0~多个options。 主要用于描述请求或者响应对应的各个属性，类似参数或者特征描述。

（4）1111 1111

CoAP报文和具体负载之间的分隔符。

1. Payload

实际携带数据内容， 若有携带数据， 前面加payload 标志 OxFF。

2、块传输

CoAP 协议的特点是传输的内容小巧精简，但是在某些情况下不得不传输较大的数据。在这种情况下可以使用 CoAP 协议中的选项设定分块传输的大小，服务器和客户端即可完成分片和组装。扩展的块传输协议在 COAP 基础协议上增加了 3 个 options， 2 个 response codes 用于块传输大小协商及控制。当请求消息或者响应消息里面有出息 block1/block2 option时，代表这是块传输通信。需要根据 option block 里面M标识，决定是否继续进行块传输。

2.1、新增option说明

新增加的 3 个 options 如表7-2所示：

Number	Name	Reference
23	Block2	RFC 7959
27	Block1	RFC 7959
28	Size2	RFC 7959

Option Block2：主要用于服务器端响应时，分块传输， 比如设备端发起资源发现时，由于服务器上资源较多，就要启动分块传输。

Option Block1：主要用于客户端发出请求时，分块传输，比如需要上传一个大的数据包到服务器上。

Option Size2： 代表服务器端响应资源总的大小。

Option Block 由三部分组成：

（1）NUM：占用0~3Byte，代表当前块编号，以0开始， 如我们要传10个数据块，则数据块的编号为0~9。

（2）M：占用1bit， 如果设置为1代表还有剩下数据块未传输。如果设置为0，代表数据块都已传输出去。

（3）SZX：占用2bit，取值范围0~6，对应每个block 大小为2（SZX+4），即范围为（16 ~ 1024）Bytes。

7.2.2.2 新增response code说明

新增加的2个response codes如表7-3所示：

Code	Description	Reference
2.31	Continue	RFC 7959
4.08	Request  Entity  Incomplete	RFC 7959

3、安全传输

COAP 使用 DTLS 来做安全传输层，该层运行于 UDP 之上，如下图所示：

 

当前考虑使用 DTLS 时，需要考虑设备终端资源受限情况，有些资源有限设备无法运行 DTLS 安全加密算法。做安全加密，需要根据应用场景需要，对应只上报数据，且数据敏感度不高场景，可以不考虑加入安全层。