摘要：由于物聯(lián)網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了CoAP協(xié)議而且用自己編寫的客戶端程序實現了CoAP協(xié)議，增加了和數據庫之間的交互功能，從而實現了在Web界面上不僅可以查看實時數據，還可以查看歷史數據的功能。
關鍵詞：物聯(lián)網；6LoWPAN；CoAP；Contiki

0 引言
    物聯(lián)網是在互聯(lián)網的基礎上延伸和擴展的一種網絡，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，目的是實現所有物品與網絡的連接，從而方便識別、管理和控制。
    無線物聯(lián)網的特點包括：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據進行分析和處理，以實現智能化控制。
    由于無線物聯(lián)網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，以實現傳感器節(jié)點與互聯(lián)網的無線連接。

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)網中資源受限設備制定的應用層協(xié)議。它是一種面向網絡的協(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：為了自主的發(fā)現和使用資源，它支持內置的資源發(fā)現格式，用于發(fā)現設備上的資源列表，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，用訂閱機制實現從服務器到客戶端的消息推送。實現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傳輸的不可靠性，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增長的重傳間隔時間實現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。

2．3 CoAP的交互模型
    CoAP使用類似于HTTP的請求／響應模型：CoAP終端節(jié)點作為客戶端向服務器發(fā)送一個或多個請求，服務器端回復客戶端的CoAP請求。不同于HTTP，CoAP的請求和響應在發(fā)送之前不需要事先建立連接，而是通過CoAP信息來進行異步信息交換。CoAP協(xié)議使用UDP進行傳輸。這是通過信息層選項的可靠性來實現的。CoAP定義了四種類型的信息：可證實的CON(Confirmable)信息，不可證實的NON(Non-Confirmable)信息，可確認的ACK(Acknowledgement)信息和重置信息RST(Reset)。方法代碼和響應代碼包含在這些信息中，實現請求和響應功能。這四種類型信息對于請求／響應的交互來說是透明的。
    CoAP的請求／響應語義包含在CoAP信息中，其中分別包含方法代碼和響應代碼。CoAP選項中包含可選的(或默認的)請求和響應信息，例如URI和負載內容類型。令牌選項用于獨立匹配底層的請求到響應信息。
    請求／響應模型：請求包含在可證實的或不可證實的信息中，如果服務器端是立即可用的，它對請求的應答包含在可證實的確認信息中來進行應答。圖5是基本的GET請求和響應模式，其中圖5(a)表示成功發(fā)送請求和收到ACK確認信息，圖5(b)表示重傳了請求信息，然后才收到ACK確認信息。

    雖然CoAP協(xié)議目前還在制定當中，但Contiki和TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)已經支持CoAP協(xié)議。Contiki是一個多任務操作系統(tǒng)，并帶有uIPv6協(xié)議棧，適用于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網絡，它占用系統(tǒng)資源小，適用于資源受限的網絡和設備。目前，火狐瀏覽器已經集成了Copper插件，從而實現了CoAP協(xié)議。但是這種方式只能讀取傳感器節(jié)點上的實時數據，而不能查看各種歷史數據。為此，在Contiki系統(tǒng)的基礎上，基于uIPv6START KIT無線網絡開發(fā)套件，用自己編寫的客戶端程序實現了和數據庫的交互，把歷史數據存入數據庫中，從而在Web瀏覽器端不僅可以訪問傳感器節(jié)點上的實時數據，還能查看歷史數據，以便于分析問題。

3 實驗平臺及CoAP協(xié)議的實現
3．1 實驗平臺
    硬件平臺式是美信凌科公司的IPv6智能網關(MXG300)、MX231CC節(jié)點、USB無線網卡(STICK)和JTAG下載器。實驗的硬件平臺配置和硬件平臺如圖6，圖7所示。軟件平臺是WinAVR和AVR studio，用于向節(jié)點和USB網卡中下載程序。

    其中IPv6智能網關上的主要芯片有：BCM 6358UKFBG支持多用戶以太網功能，具有高度優(yōu)化的32 MIPS CPU和標準的EJTAG調試器；BCM53 25EKQMG集成了5個收發(fā)器，具有128 KB的數據包緩沖區(qū)，最多可以支持2K的MAC地址，支持地址自動學習，提供真正的即插即用連接，而且是低功耗的；SIGe2521A60提供2．4～2．5 GHz的無線工作頻段范圍，應用于ISM 2．4．GHz的無線解決方案。
    圖8是IPv6智能無線網關的接口布局，它是基于OPENWRT系統(tǒng)定制完成的。具備3個局域網口，1個廣域網口，1個802．11a／b／g WiFi無線網絡接口，1個標準USB口和1個可選的串口調試口。該智能無線網關除具備通用無線路由器的功能以外，還可以實現基于Contiki操作系統(tǒng)的USB UIP網絡和普通IP網絡之間的IPv6互連，同時還支持有能力的系統(tǒng)在OPENWRT的基礎上開發(fā)自己的應用軟件包，實現更復雜的應用。

    OPENWRT是一個開源的Linux版本。主要應用于嵌入式系統(tǒng)。網關和節(jié)點上同時裝有Contiki系統(tǒng)，它提供宏定義和RESTful網絡服務實例。
    MX231CC節(jié)點上的主要芯片是ATmega1284P，它具有128 KB的可編程閃存，4 KB的E2PROM，16 KB的片內SRAM，JTAG接口，優(yōu)化的功耗和處理速度。節(jié)點上運行Contiki系統(tǒng)。節(jié)點上還有光敏傳感器、室內溫度傳感器、三色LED指示燈等。
3．2 CoAP協(xié)議的火狐瀏覽器實現(B／S架構)
    B／S架構的系統(tǒng)結構如圖9所示。

    系統(tǒng)由用戶瀏覽器、Web服務器、IPv6智能網關、MX231CC節(jié)點組成。用戶瀏覽器通過HTTP協(xié)議訪問Web服務器，MX231CC節(jié)點通過CoAP協(xié)議和IPv6智能網關進行通信，從而實現用戶瀏覽器訪問節(jié)點上資源的功能。圖9中實線表示有線連接，虛線表示無線連接。
    在當前的Contiki 2．5中，集成了CoAP 03和CoAP06這兩個版本。這兩個文件在Contiki 2．5的apps目錄下，關于CoAP的核心內容都在這兩個文件中。程序的主要部分為：

    AUTOSTART_PROCESSES(&coap_sample)這個進程需要自啟動，即當節(jié)點啟動時啟動本程序；
    PERIODIC_RESOURCE()為進程的主體部分。
    然后進行編譯，編譯成．elf文件，用JTAG下載器下載到節(jié)點上。節(jié)點地址設置為：2001：2：：11：22ff：：fe33：4499。這時，用火狐瀏覽器訪問節(jié)點，因為火狐瀏覽器自帶coap插件，如果用其他瀏覽器，那么需要進行coap的代理設置。以控制節(jié)點上的三色LED燈反轉為例，用下面的請求格式：
    GETcoap：／／[<mote_ip_address>]：<poa_number>／readings
    其中mote_ip_address是節(jié)點的IPv6地址，port_number是節(jié)點的端口號，readings是客戶端請求的資源(溫度)。
    所以在瀏覽器地址欄輸入：coap：／／[2001：2：：11：22ff：fe33：4499]：61616／toggle，作用是讓節(jié)點上的三色LED燈進行反轉。服務器端的響應信息如圖10所示。

    從瀏覽器端可以看出，CoAP協(xié)議支持Discover和Observe功能，具有GET、POST、PUT和DELETE等方法。Type表示信息類型為ACK，Code為200，表示成功完成客戶端的請求。事務ID為38 264，它用于重復信息檢測，options為1表示有一個可選項，內容類型為text表示文本類型。
    由此可以看出，通過火狐瀏覽器的CoAP協(xié)議，可以訪問節(jié)點上的傳感器資源。
3．3 CoAP協(xié)議的客戶端實現(C／S架構)
    上節(jié)通過火狐瀏覽器可以實現COAP協(xié)議，但是只能查看實時數據，不能查看歷史數據。為此，這里搭建了一個C／S架構的環(huán)境。如圖11所示。

    圖11中客戶端軟件是用基于．NET架構的C#語言編寫的，數據庫使用SQL Server 2008。通過此程序，可以每隔10 s讀取一次數據，存入到數據庫中。并可以通過前臺的Web界面查看各種歷史數據，包括溫度、濕度、亮度等。
    插入數據庫中的數據如圖12所示，圖中顯示的是室內的亮度值。

    在Web瀏覽器端可以查看實時和歷史數據，頁面顯示效果如圖13所示。

    由此看出，基于C／S架構的方式，不僅可以顯示實時數據，還可以查看歷史數據，以便及時發(fā)現問題，更加具有實用性。

4 結論
    本文詳細介紹了CoAP協(xié)議的內容、特點、交互模型以及訂閱機制，還給出了基于uIPv6 START KIT無線網絡開發(fā)套件的系統(tǒng)配置方式，該網絡可以通過火狐瀏覽器和客戶端軟件兩種方式實現CoAP協(xié)議，用戶不僅可以讀取傳感器上的實時數據，而且可以查看歷史數據。