受约束的应用协议(COAP)是一种软件协议旨在以非常简单的电子设备,使他们能够在互联网上进行交互式通信中使用。它特别针对小型低功率传感器,开关,阀门和需要被控制或监督远程,通过标准的Internet网络类似的组件。 COAP是一个应用层协议,该协议是用于在资源受限的网络连接设备,例如无线传感器网络节点使用。 COAP被设计为容易地转换为HTTP与Web简化集成,同时也能满足特殊的要求,例如多播支持,非常低的开销,和简单性。多播,低开销,以及简单性是因特网极其重要物联网(IOT)和机器对机器(M2M)设备,这往往是积重难返,有太多的内存和电源,比传统的互联网设备有。因此,效率是非常重要的。 COAP可以在支持UDP或UDP的模拟大多数设备上运行。
17.1 CoAP: 嵌入式系统的REST
简单地来说,CoAP是简化了HTTP协议的RESTFul API,因而也只提供了REST的四个方法,即PUT,GET,POST和DELETE。对于微小的资源受限,在资源受限的通信的IP的网络,HTTP不是一种可行的选择。它占用了太多的资源和太多的带宽。而对于物联网这种嵌入式设备来说,关于资源与带宽,是我们需要优先考虑的内容。
- CoAP采用了二进制报头,而不是文本报头(text header)
- CoAP降低了头的可用选项的数量。
- CoAP减少了一些HTTP的方法
- CoAP可以支持检测装置
17.2 CoAP 命令行工具
为了测试测试我们的代码是否是正确工作,我们需要一个CoAP的命令行工具。目前有两个不错的工具可以使用。
- CoAP-cli,一个基于NodeJS的CoAP命令行工具,其核心是基于Node-CoAP库。
- libcooap,一个用C写的CoAP命令行工具。
- Firefox Copper, 一个Firefox的插件。
17.2.1 Node CoAP CLI
安装命令如下
npm install coap-cli -g
17.2.1.1 CoAP命令行
在coap-cli中,一共有四个方法。分别表示REST的四种不同的方式:
Commands:
get performs a GET request
put performs a PUT request
post performs a POST request
delete performs a DELETE request
在这里,我们用coap://vs0.inf.ethz.ch/来作一个简单的测试
coap get coap://vs0.inf.ethz.ch/
(2.05) ************************************************************
I-D
coap get coap://iot-coap.phodal.com/id/1
(2.05) [{"id":1,"value":"is id 1","sensors1":19,"sensors2":20}]
17.2.2 libcoap
17.2.2.1 mac os libcoap安装
brew install libcoap
17.2.2.2 Ubuntu libcoap安装
(1) 下载
git clone https://github.com/authmillenon/libcoap.git
(2) 生成configure文件
autoconf
(3) 生成makefile文件
./configure
(4) 编译
make
(5) 安装
sudo make install
17.2.2.3 Windows libcoap安装
coap-client
coap-server
1.用CoAP-server启一个CoAP服务
coap-server
2.客户端获取数据
coap-client -m get coap://localhost
返回结果
v:1 t:0 tkl:0 c:1 id:37109
This is a test server made with libcoap (see http://libcoap.sf.net)
Copyright (C) 2010--2013 Olaf Bergmann <bergmann@tzi.org>
17.2.3 Firefox Copper
为了能访问coap://localhost/,于是我们便需要安装一个Firefox并安装一个名为Copper的插件。
17.3 CoAP Hello,World
接着我们便开始试试做一个简单的CoAP协议的应用:
这里用到的是一个Nodejs的扩展Node-CoAP
node-coap is a client and server library for CoAP modelled after the http module.
Node-CoAP是一个客户端和服务端的库用于CoAP的模块建模。创建一个package.json文件,添加这个库
{
"dependencies":{
"coap": "0.7.2"
}
}
接着执行
npm install
就可以安装好这个库。如果遇到权限问题,请用
sudo npm install
接着,创建这样一个app.js
const coap = require('coap')
, server = coap.createServer()
server.on('request', function(req, res) {
res.end('Hello ' + req.url.split('/')[1] + '\n')
})
server.listen(function() {
console.log('server started')
})
执行
node app.js
便可以在浏览器上访问了,因为现在什么也没有,所以什么也不会返回。
接着下来再创建一个client端的js,并运行之
const coap = require('coap')
, req = coap.request('coap://localhost/World')
req.on('response', function(res) {
res.pipe(process.stdout)
})
req.end()
就可以在console上输出
Hello World
也就达到了我们的目的,用CoAP协议创建一个服务,接着我们应该用它创建更多的东西,如产生JSON数据,以及RESTFul。和HTTP版的最小物联网系统一样,CoAP版的最小物联网系统也是要返回JSON的。
17.4 CoAP 数据库查询
17.4.1 Node Module
这说里NodeJS Module的意义是因为我们需要在别的地方引用到db_helper这个库,也就是下一小节要的讲的内容。
这样我们就可以在server.js类似于这样去引用这个js库。
var DBHelper = require('./db_helper.js');
DBHelper.initDB();
而这样调用的前提是我们需要去声明这样的module,为了方便地导出函数功能调用。
function DBHelper(){
}
DBHelper.initDB = function(){};
module.exports = DBHelper;
17.4.2 Node-Sqlite3
这次我们用的是SQLite3(你可以用MySQL,出于安全考虑用SQLite3,SQLite3产生的是一个文件)。一个简单的initDB函数
var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
var create_table = 'create table if not exists basic (' + config["db_table"] + ');';
db.serialize(function() {
db.run(create_table);
_.each(config["init_table"], function(insert_data) {
db.run(insert_data);
});
});
db.close();
首先从配置中读取db_name,接着创建table,然后调用underscore的each方法,创建几个数据。配置如下所示
config = {
"db_name": "iot.db",
"db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
"init_table":[
"insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (1, 'is id 1', 19, 20);",
"insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (2, 'is id 2', 20, 21);"
],
"query_table":"select * from basic;"
};
而之前所提到的url查询所做的事情便是
DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
var db = new sqlite3.Database("iot.db");
var result = [];
console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
db.close();
callback(JSON.stringify(rows));
});
};
将URL传进来,便解析这个参数,接着再放到数据库中查询,再回调回结果。这样我们就可以构成之前所说的查询功能,而我们所谓的post功能似乎也可以用同样的方法加进去。
17.4.3 查询数据
简单地记录一下在IoT-CoAP中一次获取数据地过程。
先看看在示例中的Get.js的代码,这关乎在后面server端的代码。
const coap = require('coap')
,requestURI = 'coap://localhost/'
,url = require('url').parse(requestURI + 'id/1/')
,req = coap.request(url)
,bl = require('bl');
req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
res.pipe(bl(function(err, data) {
var json = JSON.parse(data);
console.log(json);
}));
});
req.end();
const定义数据的方法,和我们在其他语言中有点像。只是这的const主要是为了程序的健壮型,减少程序出错,当然这不是JavaScript的用法。
我们构建了一个请求的URL
coap://localhost/id/1/
我们对我们的请求添加了一个Header,内容是Accept,值是’application/json’也就是JSON格式。接着,便是等待请求回来,再处理返回的内容。
判断请求的方法
在这里先把一些无关的代码删除掉,并保证其能工作,so,下面就是简要的逻辑代码。
var coap = require('coap');
var server = coap.createServer({});
var request_handler = require('./request_handler.js');
server.on('request', function(req, res) {
switch(req.method){
case "GET": request_handler.getHandler(req, res);
break;
}
});
server.listen(function() {
console.log('server started');
});
创建一个CoAP服务,判断req.method,也就是请求的方法,如果是GET的话,就调用request_handler.getHandler(req, res)。而在getHandler里,判断了下请求的Accept
request_helper.getHandler = function(req, res) {
switch (req.headers['Accept']) {
case "application/json":
qh.returnJSON(req, res);
break;
case "application/xml":
qh.returnXML(req, res);
break;
}
};
如果是JSON刚调用returnJSON,
Database与回调
而这里为了处理回调函数刚分为了两部分
query_helper.returnJSON = function(req, res) {
DBHelper.urlQueryData(req.url, function (result) {
QueryData.returnJSON(result, res);
});
};
而这里只是调用了
DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
db.close();
callback(JSON.stringify(rows));
});
};
这里调用了node sqlite3去查询对应id的数据,用回调处理了数据无法到外部的问题,而上面的returnJSON则只是返回最后的结果,code以及其他的内容。
QueryData.returnJSON = function(result, res) {
if (result.length == 2) {
res.code = '4.04';
res.end(JSON.stringify({
error: "Not Found"
}));
} else {
res.code = '2.05';
res.end(result);
}
};
当resulst的结果为空时,返回一个404,因为没有数据。这样我们就构成了整个的链,再一步步返回结果。
在IoT-CoAP中我们使用到了一个Block2的东西,于是便整理相关的一些资料,作一个简单的介绍,以及在代码中的使用。
17.5 CoAP Block
CoAP是一个RESTFul传输协议用于受限设备的节点和网络。基本的CoAP消息是一个不错的选择对于小型载荷如
- 温度传感器
- 灯光开关
- 楼宇自动化设备
然而,有时我们的应用需要传输更大的有效载荷,如——更新固件。与HTTP,TCP做繁重工作将大型有效载荷分成多个数据包,并确保他们所有到达并以正确的顺序被处理。
CoAP是同UDP与DLTS一样是基于数据报传输的,这限制了资源表示(resource representation)的最大大小,使得传输不需要太多的分割。虽然UDP支持通过IP分片传输更大的有效载荷,且仅限于64KiB,更重要的是,并没有真正很好地约束应用和网络。
而不是依赖于IP分片,这种规范基本COAP了对“块”选项,用于传输信息从多个资源区块的请求 - 响应对。在许多重要的情况下,阻止使服务器能够真正无状态:服务器可以处理每块分开传输,而无需建立连接以前的数据块传输的其他服务器端内存。
综上所述,块(Block)选项提供了传送一个最小的在分块的方式更大的陈述。
17.5.1 CoAP POST
看看在IoT CoAP中的post示例。
const coap = require('coap')
,request = coap.request
,bl = require('bl')
,req = request({hostname: 'localhost',port:5683,pathname: '',method: 'POST'});
req.setOption('Block2', [new Buffer('1'),new Buffer("'must'"), new Buffer('23'), new Buffer('12')]);
req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
res.pipe(bl(function(err, data) {
console.log(data);
process.exit(0);
}));
});
req.end();
Block2中一共有四个数据,相应的数据结果应该是
{ name: 'Block2', value: <Buffer 31> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 27 6d 75 73 74 27> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 32 33> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 31 32> }
这是没有解析的Block2,简单地可以用
_.values(e).toString()
将结果转换为
Block2,1 Block2,‘must’ Block2,23 Block2,12
接着按“,”分开,
_.values(e).toString().split(',')[1]
就有
[ '1', '\'must\'', '23', '12' ]
便可以很愉快地将其post到数据库中了,
在做IoT-CoAP的过程中只支持JSON,查阅CoAP的草稿时发现支持了诸多的Content Types。
17.5.2 CoAP Content Types
互联网媒体类型是通过HTTP字符串标识,如“application/xml”。该字符串是由一个顶层的类型“applicaion”和子类型的“XML”。为了尽量减少使用这些类型的媒体类型来表示的开销消息有效载荷,COAP定义一个标识符编码方案互联网媒体类型的子集。预计这桌将可扩展标识符的值的IANA维护。内容类型选项被格式化为一个8位无符号整数。初始映射到一个合适的互联网媒体类型标识符表所示。复合型高层次类型(multipart和不支持消息)。标识符值是从201-255保留的特定于供应商的,应用程序特定的或实验使用和不由IANA。
下面是HTTP的标识符及类型
Internet media type | Identifier |
---|---|
text/plain (UTF-8) | 0 |
text/xml (UTF-8) | 1 |
text/csv (UTF-8) | 2 |
text/html (UTF-8) | 3 |
image/gif | 21 |
image/jpeg | 22 |
image/png | 23 |
image/tiff | 24 |
audio/raw | 25 |
video/raw | 26 |
application/link-format [I-D.ietf-core-link-format] | 40 |
application/xml | 41 |
application/octet-stream | 42 |
application/rdf+xml | 43 |
application/soap+xml | 44 |
application/atom+xml | 45 |
application/xmpp+xml | 46 |
application/exi | 47 |
application/x-bxml | 48 |
application/fastinfoset | 49 |
application/soap+fastinfoset | 50 |
application/json | 51 |
而在CoAP中只有简单地几个
Media type | Encoding | Id. | Reference |
---|---|---|---|
text/plain; | - | 0 | [RFC2046][RFC3676][RFC5147] |
charset=utf-8 | |||
application/ | - | 40 | [RFC6690] |
link-format | |||
application/xml | - | 41 | [RFC3023] |
application/ | - | 42 | [RFC2045][RFC2046] |
octet-stream | |||
application/exi | - | 47 | [EXIMIME] |
application/json | - | 50 | [RFC4627] |
简单地说就是: 诸如application/json的Content Types在CoAP中应该是50
。如上表所示的结果是其对应的结果,这样的话可以减少传递的信息量。
17.6 CoAP JSON
于是在一开始的时候首先支持的便是“application/json”这样的类型。首先判断请求的header
request_helper.getHandler = function(req, res) {
switch (req.headers['Accept']) {
case "application/json":
qh.returnJSON(req, res);
break;
case "application/xml":
qh.returnXML(req, res);
break;
}
};
再转至相应的函数处理,而判断的依据则是Accept是不是“application/json”。
registerFormat('text/plain', 0)
registerFormat('application/link-format', 40)
registerFormat('application/xml', 41)
registerFormat('application/octet-stream', 42)
registerFormat('application/exi', 47)
registerFormat('application/json', 50)
对应地我们需要在一发出请求的时候设置好Accept,要不就没有办法返回我们需要的结果。
req.setHeader("Accept", "application/json");
返回JSON
在给IoT CoAP添加了JSON支持之后,变得非常有意思,至少我们可以获得我们想要的结果。在上一篇中我们介绍了一些常用的工具——CoAP 命令行工具集。
CoAP客户端代码
开始之前我们需要有一个客户端代码,以便我们的服务端可以返回正确的数据并解析
var coap = require('coap');
var requestURI = 'coap://localhost/';
var url = require('url').parse(requestURI + 'id/1/');
console.log("Request URL: " + url.href);
var req = coap.request(url);
var bl = require('bl');
req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
res.pipe(bl(function(err, data) {
var json = JSON.parse(data);
console.log(json);
}));
});
req.end();
代码有点长内容也有点多,但是核心是这句话:
req.setHeader("Accept", "application/json");
这样的话,我们只需要在我们的服务端一判断,
if(req.headers['Accept'] == 'application/json') {
//do something
};
这样就可以返回数据了
CoAP Server端代码
Server端的代码比较简单,判断一下
if (req.headers['Accept'] == 'application/json') {
parse_url(req.url, function(result){
res.end(result);
});
res.code = '2.05';
}
请求的是否是JSON格式,再返回一个205,也就是Content,只是这时设计是请求一个URL返回对应的数据。如
coap://localhost/id/1/
这时应该请求的是ID为1的数据,即
[ { id: 1, value: 'is id 1', sensors1: 19, sensors2: 20 }]
而parse_url只是从数据库从读取相应的数据。
function parse_url(url ,callback) {
var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
var result = [];
db.all("SELECT * FROM basic;", function(err, rows) {
callback(JSON.stringify(rows));
})
}
并且全部都显示出来,设计得真是有点不行,不过现在已经差不多了。
17.7 使用IoT-CoAP构建物联网
(注意
:windows系统npm install失败时,需要自己建立一个C:and Settings[USERNAME]Data文件)
npm install iot-coap
1.新建index.js
注意
: 如果已经存在一个index.js文件,请将下面内容添加到文件末尾(create index.js, and add)
var iotcoap = require('iot-coap');
iotcoap.run();
iotcoap.rest.run();
注意
:在db配置可以选择MongoDB和sqlite3,替换所需要的数据库即可。(you can choice db on iot.js with ‘SQLite’ or ‘MongoDB’)
2.创建iot.js
exports.config = {
"db_name": "iot.db",
"mongodb_name": "iot",
"mongodb_documents": "iot",
"db": "mongodb",
"table_name": "basic",
"keys":[
"id",
"value",
"sensors1",
"sensors2"
],
"db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
"mongodb_init":[
{
id: 1,
value: "is id 1",
sensors1: 19,
sensors2: 20
},
{
id: 2,
value: "is id 2",
sensors1: 20,
sensors2: 21
}
],
"init_table":[
"insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (1, 'is id 1', 19, 20);",
"insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (2, 'is id 2', 20, 21);"
],
"query_table":"select * from basic;",
"rest_url": "/id/:id",
"rest_post_url": "/",
"rest_port": 8848
};
3.运行(run)
node index.js
输出:
coap listening at coap://0.0.0.0:5683
restify listening at http://0.0.0.0:8848
下一节:到这时,我们算搭建了一个简单的REST服务了。接着我们可以简单的做一个最小的物联网系统,将我们的单片机、MCU等等连上网。