CoAP协议
CoAP协议详解：受限环境下的RESTful协议、消息模型、观察模式与安全机制。
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
| 对比项 | CoAP | HTTP |
|---|---|---|
| 传输层 | UDP | TCP |
| 头部大小 | 4 字节 | 数百字节 |
| 方法 | GET/POST/PUT/DELETE | 相同 |
| 数据格式 | CBOR/JSON | JSON/HTML |
| 发现 | 内置 | 需外部 |
| 组播 | 支持 | 不支持 |
| 功耗 | 低 | 高 |
1.3 协议栈
┌──────────────┐
│ Application │
├──────────────┤
│ CoAP │
├──────┬───────┤
│ DTLS │ UDP │
├──────┴───────┤
│ IPv4/IPv6 │
├──────────────┤
│ 6LoWPAN │
└──────────────┘2. 消息模型
2.1 消息类型
| 类型 | 缩写 | 描述 |
|---|---|---|
| Confirmable | CON | 需要确认 |
| Non-confirmable | NON | 不需确认 |
| Acknowledgement | ACK | 确认响应 |
| Reset | RST | 拒绝/错误 |
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" ← ServerNON 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 → Server3. RESTful 接口
3.1 方法
| 方法 | 描述 |
|---|---|
| GET | 获取资源 |
| POST | 创建/处理 |
| PUT | 更新资源 |
| DELETE | 删除资源 |
3.2 响应码
| 码 | 含义 |
|---|---|
| 2.01 | Created |
| 2.02 | Deleted |
| 2.03 | Valid |
| 2.04 | Changed |
| 2.05 | Content |
| 4.01 | Unauthorized |
| 4.04 | Not Found |
| 4.06 | Not Acceptable |
| 5.00 | Internal Server Error |
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) ← Server4.2 注册与取消
| Observe 值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 注册观察 |
| 1 | 取消观察 |
5. 组播
5.1 组播地址
| 地址 | 描述 |
|---|---|
| FF02::FD | CoAP 组播（链路本地） |
| FF03::FD | CoAP 组播（站点本地） |
| 224.0.1.187 | IPv4 组播 |
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 36. 安全机制
6.1 DTLS
CoAP 使用 DTLS（Datagram TLS）提供安全传输。
| 模式 | 描述 |
|---|---|
| NoSec | 无安全（默认） |
| PreSharedKey | 预共享密钥 |
| RawPublicKey | 原始公钥 |
| Certificate | X.509 证书 |
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())