CoAP协议

1. CoAP 概述

1.1 什么是 CoAP

CoAP（Constrained Application Protocol）是专为受限设备设计的 RESTful 协议，运行在 UDP 之上。

1.2 与 HTTP 对比

1.3 协议栈

┌──────────────┐
│  Application │
├──────────────┤
│  CoAP        │
├──────┬───────┤
│ DTLS │  UDP  │
├──────┴───────┤
│  IPv4/IPv6   │
├──────────────┤
│  6LoWPAN     │
└──────────────┘

2. 消息模型

2.1 消息类型

2.2 消息格式

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Ver| T |  TKL  |      Code     |          Message ID           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|   Token (if any, TKL bytes) ...
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|   Options (if any) ...
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|1 1 1 1 1 1 1 1|    Payload (if any) ...
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.3 请求/响应模式

CON 请求：

Client → CON GET /temperature → Server
Client ← ACK 2.05 Content "25.5" ← Server

NON 请求：

Client → NON GET /temperature → Server
Client ← NON 2.05 Content "25.5" ← Server

分离响应（处理时间较长时）：

Client → CON GET /temperature → Server
Client ← ACK (空确认) ← Server
Client ← CON 2.05 Content "25.5" ← Server
Client → ACK → Server

3. RESTful 接口

3.1 方法

3.2 响应码

3.3 资源发现

GET /.well-known/core

→ </sensors/temp>;rt="temperature";if="sensor",
   </sensors/humidity>;rt="humidity";if="sensor",
   </actuators/led>;rt="led";if="actuator"

4. 观察模式（Observe）

4.1 原理

客户端注册观察，服务器在资源变化时主动推送。

Client → GET /temperature (Observe=0) → Server
Client ← 2.05 Content "25.5" (Observe=10) ← Server
Client ← 2.05 Content "26.0" (Observe=11) ← Server
Client ← 2.05 Content "25.8" (Observe=12) ← Server

4.2 注册与取消

5. 组播

5.1 组播地址

5.2 组播场景

Client → MULTICAST GET /temperature → All Devices
Client ← 2.05 Content "25.5" ← Device 1
Client ← 2.05 Content "24.0" ← Device 2
Client ← 2.05 Content "26.2" ← Device 3

6. 安全机制

6.1 DTLS

CoAP 使用 DTLS（Datagram TLS）提供安全传输。

6.2 OSCORE

OSCORE（Object Security for Constrained RESTful Environments）提供端到端安全，是 CoAP 的推荐安全方案。

7. 代码示例

7.1 Python (aiocoap)

import asyncio
from aiocoap import *

async def main():
    context = await Context.create_client_context()
    request = Message(code=GET, uri='coap://localhost/temperature')
    response = await context.request(request).response
    print(f"Temperature: {response.payload.decode()}")

asyncio.run(main())

7.2 CoAP Server

import asyncio
from aiocoap import *

class TemperatureResource(resource.Resource):
    async def render_get(self, request):
        temp = read_sensor()
        return Message(payload=str(temp).encode())

async def main():
    root = resource.Site()
    root.add_resource(['temperature'], TemperatureResource())
    await Context.create_server_context(root)
    await asyncio.get_event_loop().create_future()

asyncio.run(main())