无线物联网中CoAP协议的研究与实现
由于物联网中的很多设备都是资源受限型的，即只有少量的内存空间和有限的计算能力，所以传统的http协议应用在物联网上就显得过于庞大而不适用。 ietf的core工作组提出了一种基于rest架构的coap协议。coap是6lowpan协议栈中的应用层协议。该文在详细介绍了coap协议的内容、特点和交互模型后，在uipv6 start kit无线网络开发套件上，使用contiki嵌入式操作系统，不仅在浏览器端实现了coap协议而且用自己编写的客户端程序实现了coap协议，增加了和数据库之间的交互功能，从而实现了在web界面上不仅可以查看实时数据，还可以查看历史数据的功能。
0引言
物联网是在互联网的基础上延伸和扩展的一种网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品之间，彼此进行信息交换和通信，目的是实现所有物品与网络的连接，从而方便识别、管理和控制。
无线物联网的特点包括：全面感知、实时准确传递物品信息、利用智能计算技术对海量数据进行分析和处理，以实现智能化控制。
由于无线物联网中的设备很多都是资源受限型的，这些设备只有少量的内存空间和有限的计算能力。为此，ietf（intemet engineering task force）的core（constrained restful environment）工作组为受限节点制定相关的rest（representational state transfer）形式的应用层协议。这就是core工作组正在制订的coap（constrained application protocol）协议。
1 6lowpan协议栈
由于tcp/ip协议栈不适用于资源受限的设备，因此提出了一种6lowpan（ipv6 over low power wireless personal area networks）协议栈。coap是6lowpan协议栈中的应用层协议。6lowpan使ipv6可用于低功耗的有损网络，它是基于ieee 802.15.4标准的。6lowpan协议栈如图1所示。
协议栈的下两层用802.15.4 phy/mac，中间加一个ipv6-6lowpan适配层，传输层使用udp协议，应用层使用coap协议。它包括rest的最小子集和到http的无状态映射。通信主机使用coap协议，能够支持稳定的通信架构，以实现传感器节点与互联网的无线连接。
2 coap协议
在2010年3月，core工作组开始制定coap协议，到目前为止，该协议还没有定稿。coap协议是为物联网中资源受限设备制定的应用层协议。它是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。应用程序通过uri标识来获取服务器上的资源，即可以像http协议对资源进行get、put、post和delete等操作。coap协议具有如下特点：（1）报头压缩：coap包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4 b的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10～20 b.图2是coap协议的信息格式。
报头部分各字段的含义如下：v（version）表示coap协议的版本号；t（type）表示消息的信息类型；oc（option count）表示头后面的可选的选项数量；code表示消息的类型：请求消息、响应消息，或者是空消息；message id表示消息编号，用于重复消息检测、匹配消息类型等。
（2）方法和uris：为了实现客户端访问服务器上的资源，coap支持get、put、post和delete等方法。coap还支持uris，这是web架构的主要特点。
（3）传输层使用udp协议：coap协议是建立在udp协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。
（4）支持异步通信：http对m2m（machine-to-machine）通信不适用，这是由于事务总是由客户端发起。而coap协议支持异步通信，这对m2m通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。
（5）支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持rfc5785中的格式，在core中用/.well—known/core的路径表示资源描述。
（6）支持缓存：coap协议支持资源描述的缓存以优化其性能。
（7）订阅机制：coap使用异步通信方式，用订阅机制实现从服务器到客户端的消息推送。实现coap的发布，订阅机制，它是请求成功后自动注册的一种资源后处理程序。是由默认的event_和periodic_resources来进行配置的。它们的事件和轮询处理程序用 est.notify_subscri bers（）函数来发布。
2.1 coap协议栈图3是coap协议栈。coap协议的传输层使用udp协议。由于udp传输的不可靠性，coap协议采用了双层结构，定义了带有重传的事务处理机制，并且提供资源发现和资源描述等功能。coap采用尽可能小的载荷，从而限制了分片。
事务层（transaction layer）用于处理节点之间的信息交换，同时提供组播和拥塞控制等功能。请求/响应层（request/responselayer）用于传输对资源进行操作的请求和响应信息。coap协议的rest构架是基于该层的通信。coap的双层处理方式，使得coap没有采用tcp协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现con（confirmable）消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，coap的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和m2m应用的关键需求之一。
2.2 coap的订阅机制http的请求/响应机制是假设事务都是由客户端发起的，通常叫做拉模型。这导致客户端不能高效的知统中，设备都是无线低功耗的，这些设备大部分时间是休眠状态，因此不能响应轮询请求。而core认为支持本地的推送模型是一个重要的需求，也就是由服务器初始化事务到客户端。推送模型需要一个订阅接口，用来请求响应关于特定资源的改变。而由于udp的传输是异步的，所以不需要特殊的通知消息。订阅机制如图4所示。
2.3 coap的交互模型coap使用类似于http的请求/响应模型：coap终端节点作为客户端向服务器发送一个或多个请求，服务器端回复客户端的coap 请求。不同于http，coap的请求和响应在发送之前不需要事先建立连接，而是通过coap信息来进行异步信息交换。coap协议使用udp进行传输。这是通过信息层选项的可靠性来实现的。coap定义了四种类型的信息：可证实的con（confirmable）信息，不可证实的non（non- confirmable）信息，可确认的ack（acknowledgement）信息和重置信息rst（reset）。方法代码和响应代码包含在这些信息中，实现请求和响应功能。这四种类型信息对于请求/响应的交互来说是透明的。
coap的请求/响应语义包含在coap信息中，其中分别包含方法代码和响应代码。coap选项中包含可选的（或默认的）请求和响应信息，例如uri和负载内容类型。令牌选项用于独立匹配底层的请求到响应信息。
请求/响应模型：请求包含在可证实的或不可证实的信息中，如果服务器端是立即可用的，它对请求的应答包含在可证实的确认信息中来进行应答。图5是基本的 get请求和响应模式，其中图5（a）表示成功发送请求和收到ack确认信息，图5（b）表示重传了请求信息，然后才收到ack确认信息。
虽然coap协议目前还在制定当中，但contiki和tinyos嵌入式操作系统已经支持coap协议。contiki是一个多任务操作系统，并带有 uipv6协议栈，适用于嵌入式系统和无线传感器网络，它占用系统资源小，适用于资源受限的网络和设备。目前，火狐浏览器已经集成了copper插件，从而实现了coap协议。但是这种方式只能读取传感器节点上的实时数据，而不能查看各种历史数据。为此，在contiki系统的基础上，基于 uipv6start kit无线网络开发套件，用自己编写的客户端程序实现了和数据库的交互，把历史数据存入数据库中，从而在web浏览器端不仅可以访问传感器节点上的实时数据，还能查看历史数据，以便于分析问题。
3实验平台及coap协议的实现
3.1实验平台硬件平台式是美信凌科公司的ipv6智能网关（mxg300）、mx231cc节点、usb无线网卡（stick）和jtag下载器。实验的硬件平台配置和硬件平台如图6，图7所示。软件平台是winavr和avr studio，用于向节点和usb网卡中下载程序。
其中ipv6智能网关上的主要芯片有：bcm 6358ukfbg支持多用户以太网功能，具有高度优化的32 mips cpu和标准的ejtag调试器；bcm53 25ekqmg集成了5个收发器，具有128 kb的数据包缓冲区，最多可以支持2k的mac地址，支持地址自动学习，提供真正的即插即用连接，而且是低功耗的；sige2521a60提供 2.4～2.5 ghz的无线工作频段范围，应用于ism 2.4.ghz的无线解决方案。
图8是ipv6智能无线网关的接口布局，它是基于openwrt系统定制完成的。具备3个局域网口，1个广域网口，1个802.11a/b/g wifi无线网络接口，1个标准usb口和1个可选的串口调试口。该智能无线网关除具备通用无线路由器的功能以外，还可以实现基于contiki操作系统的usb uip网络和普通ip网络之间的ipv6互连，同时还支持有能力的系统在openwrt的基础上开发自己的应用软件包，实现更复杂的应用。
openwrt是一个开源的linux版本。主要应用于嵌入式系统。网关和节点上同时装有contiki系统，它提供宏定义和restful网络服务实例。
mx231cc节点上的主要芯片是atmega1284p，它具有128 kb的可编程闪存，4 kb的e2prom，16 kb的片内sram，jtag接口，优化的功耗和处理速度。节点上运行contiki系统。节点上还有光敏传感器、室内温度传感器、三色led指示灯等。
3.2 coap协议的火狐浏览器实现（b/s架构）
b/s架构的系统结构如图9所示。
系统由用户浏览器、web服务器、ipv6智能网关、mx231cc节点组成。用户浏览器通过http协议访问web服务器，mx231cc节点通过coap协议和ipv6智能网关进行通信，从而实现用户浏览器访问节点上资源的功能。图9中实线表示有线连接，虚线表示无线连接。
在当前的contiki 2.5中，集成了coap 03和coap06这两个版本。这两个文件在contiki 2.5的apps目录下，关于coap的核心内容都在这两个文件中。程序的主要部分为：
autostart_processes（periodic_resource（）为进程的主体部分。
然后进行编译，编译成。elf文件，用jtag下载器下载到节点上。节点地址设置为：2001：2：：11：22ff：：fe33：4499.这时，用火狐浏览器访问节点，因为火狐浏览器自带coap插件，如果用其他浏览器，那么需要进行coap的代理设置。以控制节点上的三色led灯反转为例，用下面的请求格式：getcoap://［］：
/readings其中mote_ip_address是节点的ipv6地址，port_number是节点的端口号，readings是客户端请求的资源（温度）。
所以在浏览器地址栏输入：coap://［2001：2：：11：22ff：fe33：4499］：61616/toggle，作用是让节点上的三色led灯进行反转。服务器端的响应信息如图10所示。
从浏览器端可以看出，coap协议支持discover和observe功能，具有get、post、put和delete等方法。type表示信息类型为ack，code为200，表示成功完成客户端的请求。事务id为38 264，它用于重复信息检测，options为1表示有一个可选项，内容类型为text表示文本类型。
由此可以看出，通过火狐浏览器的coap协议，可以访问节点上的传感器资源。
3.3 coap协议的客户端实现（c/s架构）
上节通过火狐浏览器可以实现coap协议，但是只能查看实时数据，不能查看历史数据。为此，这里搭建了一个c/s架构的环境。如图11所示。
图11中客户端软件是用基于。net架构的c#语言编写的，数据库使用sql server 2008.通过此程序，可以每隔10 s读取一次数据，存入到数据库中。并可以通过前台的web界面查看各种历史数据，包括温度、湿度、亮度等。
插入数据库中的数据如图12所示，图中显示的是室内的亮度值。
在web浏览器端可以查看实时和历史数据，页面显示效果如图13所示。
由此看出，基于c/s架构的方式，不仅可以显示实时数据，还可以查看历史数据，以便及时发现问题，更加具有实用性。
4结论
本文详细介绍了coap协议的内容、特点、交互模型以及订阅机制，还给出了基于uipv6 start kit无线网络开发套件的系统配置方式，该网络可以通过火狐浏览器和客户端软件两种方式实现coap协议，用户不仅可以读取传感器上的实时数据，而且可以查看历史数据。
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0引言
物联网是在互联网的基础上延伸和扩展的一种网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品之间，彼此进行信息交换和通信，目的是实现所有物品与网络的连接，从而方便识别、管理和控制。
无线物联网的特点包括：全面感知、实时准确传递物品信息、利用智能计算技术对海量数据进行分析和处理，以实现智能化控制。
由于无线物联网中的设备很多都是资源受限型的，这些设备只有少量的内存空间和有限的计算能力。为此，ietf（intemet engineering task force）的core（constrained restful environment）工作组为受限节点制定相关的rest（representational state transfer）形式的应用层协议。这就是core工作组正在制订的coap（constrained application protocol）协议。
1 6lowpan协议栈
由于tcp/ip协议栈不适用于资源受限的设备，因此提出了一种6lowpan（ipv6 over low power wireless personal area networks）协议栈。coap是6lowpan协议栈中的应用层协议。6lowpan使ipv6可用于低功耗的有损网络，它是基于ieee 802.15.4标准的。6lowpan协议栈如图1所示。
协议栈的下两层用802.15.4 phy/mac，中间加一个ipv6-6lowpan适配层，传输层使用udp协议，应用层使用coap协议。它包括rest的最小子集和到http的无状态映射。通信主机使用coap协议，能够支持稳定的通信架构，以实现传感器节点与互联网的无线连接。
2 coap协议
在2010年3月，core工作组开始制定coap协议，到目前为止，该协议还没有定稿。coap协议是为物联网中资源受限设备制定的应用层协议。它是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。应用程序通过uri标识来获取服务器上的资源，即可以像http协议对资源进行get、put、post和delete等操作。coap协议具有如下特点：（1）报头压缩：coap包含一个紧凑的二进制报头和扩展报头。它只有短短的4 b的基本报头，基本报头后面跟扩展选项。一个典型的请求报头为10～20 b.图2是coap协议的信息格式。
报头部分各字段的含义如下：v（version）表示coap协议的版本号；t（type）表示消息的信息类型；oc（option count）表示头后面的可选的选项数量；code表示消息的类型：请求消息、响应消息，或者是空消息；message id表示消息编号，用于重复消息检测、匹配消息类型等。
（2）方法和uris：为了实现客户端访问服务器上的资源，coap支持get、put、post和delete等方法。coap还支持uris，这是web架构的主要特点。
（3）传输层使用udp协议：coap协议是建立在udp协议之上，以减少开销和支持组播功能。它也支持一个简单的停止和等待的可靠性传输机制。
（4）支持异步通信：http对m2m（machine-to-machine）通信不适用，这是由于事务总是由客户端发起。而coap协议支持异步通信，这对m2m通信应用来说是常见的休眠/唤醒机制。
（5）支持资源发现：为了自主的发现和使用资源，它支持内置的资源发现格式，用于发现设备上的资源列表，或者用于设备向服务目录公告自己的资源。它支持rfc5785中的格式，在core中用/.well—known/core的路径表示资源描述。
（6）支持缓存：coap协议支持资源描述的缓存以优化其性能。
（7）订阅机制：coap使用异步通信方式，用订阅机制实现从服务器到客户端的消息推送。实现coap的发布，订阅机制，它是请求成功后自动注册的一种资源后处理程序。是由默认的event_和periodic_resources来进行配置的。它们的事件和轮询处理程序用 est.notify_subscri bers（）函数来发布。
2.1 coap协议栈图3是coap协议栈。coap协议的传输层使用udp协议。由于udp传输的不可靠性，coap协议采用了双层结构，定义了带有重传的事务处理机制，并且提供资源发现和资源描述等功能。coap采用尽可能小的载荷，从而限制了分片。
事务层（transaction layer）用于处理节点之间的信息交换，同时提供组播和拥塞控制等功能。请求/响应层（request/responselayer）用于传输对资源进行操作的请求和响应信息。coap协议的rest构架是基于该层的通信。coap的双层处理方式，使得coap没有采用tcp协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现con（confirmable）消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，coap的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和m2m应用的关键需求之一。
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coap的请求/响应语义包含在coap信息中，其中分别包含方法代码和响应代码。coap选项中包含可选的（或默认的）请求和响应信息，例如uri和负载内容类型。令牌选项用于独立匹配底层的请求到响应信息。
请求/响应模型：请求包含在可证实的或不可证实的信息中，如果服务器端是立即可用的，它对请求的应答包含在可证实的确认信息中来进行应答。图5是基本的 get请求和响应模式，其中图5（a）表示成功发送请求和收到ack确认信息，图5（b）表示重传了请求信息，然后才收到ack确认信息。
虽然coap协议目前还在制定当中，但contiki和tinyos嵌入式操作系统已经支持coap协议。contiki是一个多任务操作系统，并带有 uipv6协议栈，适用于嵌入式系统和无线传感器网络，它占用系统资源小，适用于资源受限的网络和设备。目前，火狐浏览器已经集成了copper插件，从而实现了coap协议。但是这种方式只能读取传感器节点上的实时数据，而不能查看各种历史数据。为此，在contiki系统的基础上，基于 uipv6start kit无线网络开发套件，用自己编写的客户端程序实现了和数据库的交互，把历史数据存入数据库中，从而在web浏览器端不仅可以访问传感器节点上的实时数据，还能查看历史数据，以便于分析问题。
3实验平台及coap协议的实现
3.1实验平台硬件平台式是美信凌科公司的ipv6智能网关（mxg300）、mx231cc节点、usb无线网卡（stick）和jtag下载器。实验的硬件平台配置和硬件平台如图6，图7所示。软件平台是winavr和avr studio，用于向节点和usb网卡中下载程序。
其中ipv6智能网关上的主要芯片有：bcm 6358ukfbg支持多用户以太网功能，具有高度优化的32 mips cpu和标准的ejtag调试器；bcm53 25ekqmg集成了5个收发器，具有128 kb的数据包缓冲区，最多可以支持2k的mac地址，支持地址自动学习，提供真正的即插即用连接，而且是低功耗的；sige2521a60提供 2.4～2.5 ghz的无线工作频段范围，应用于ism 2.4.ghz的无线解决方案。
图8是ipv6智能无线网关的接口布局，它是基于openwrt系统定制完成的。具备3个局域网口，1个广域网口，1个802.11a/b/g wifi无线网络接口，1个标准usb口和1个可选的串口调试口。该智能无线网关除具备通用无线路由器的功能以外，还可以实现基于contiki操作系统的usb uip网络和普通ip网络之间的ipv6互连，同时还支持有能力的系统在openwrt的基础上开发自己的应用软件包，实现更复杂的应用。
openwrt是一个开源的linux版本。主要应用于嵌入式系统。网关和节点上同时装有contiki系统，它提供宏定义和restful网络服务实例。
mx231cc节点上的主要芯片是atmega1284p，它具有128 kb的可编程闪存，4 kb的e2prom，16 kb的片内sram，jtag接口，优化的功耗和处理速度。节点上运行contiki系统。节点上还有光敏传感器、室内温度传感器、三色led指示灯等。
3.2 coap协议的火狐浏览器实现（b/s架构）
b/s架构的系统结构如图9所示。
系统由用户浏览器、web服务器、ipv6智能网关、mx231cc节点组成。用户浏览器通过http协议访问web服务器，mx231cc节点通过coap协议和ipv6智能网关进行通信，从而实现用户浏览器访问节点上资源的功能。图9中实线表示有线连接，虚线表示无线连接。
在当前的contiki 2.5中，集成了coap 03和coap06这两个版本。这两个文件在contiki 2.5的apps目录下，关于coap的核心内容都在这两个文件中。程序的主要部分为：
autostart_processes（periodic_resource（）为进程的主体部分。
然后进行编译，编译成。elf文件，用jtag下载器下载到节点上。节点地址设置为：2001：2：：11：22ff：：fe33：4499.这时，用火狐浏览器访问节点，因为火狐浏览器自带coap插件，如果用其他浏览器，那么需要进行coap的代理设置。以控制节点上的三色led灯反转为例，用下面的请求格式：getcoap://［］：
/readings其中mote_ip_address是节点的ipv6地址，port_number是节点的端口号，readings是客户端请求的资源（温度）。
所以在浏览器地址栏输入：coap://［2001：2：：11：22ff：fe33：4499］：61616/toggle，作用是让节点上的三色led灯进行反转。服务器端的响应信息如图10所示。
从浏览器端可以看出，coap协议支持discover和observe功能，具有get、post、put和delete等方法。type表示信息类型为ack，code为200，表示成功完成客户端的请求。事务id为38 264，它用于重复信息检测，options为1表示有一个可选项，内容类型为text表示文本类型。
由此可以看出，通过火狐浏览器的coap协议，可以访问节点上的传感器资源。
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上节通过火狐浏览器可以实现coap协议，但是只能查看实时数据，不能查看历史数据。为此，这里搭建了一个c/s架构的环境。如图11所示。
图11中客户端软件是用基于。net架构的c#语言编写的，数据库使用sql server 2008.通过此程序，可以每隔10 s读取一次数据，存入到数据库中。并可以通过前台的web界面查看各种历史数据，包括温度、湿度、亮度等。
插入数据库中的数据如图12所示，图中显示的是室内的亮度值。
在web浏览器端可以查看实时和历史数据，页面显示效果如图13所示。
由此看出，基于c/s架构的方式，不仅可以显示实时数据，还可以查看历史数据，以便及时发现问题，更加具有实用性。
4结论
本文详细介绍了coap协议的内容、特点、交互模型以及订阅机制，还给出了基于uipv6 start kit无线网络开发套件的系统配置方式，该网络可以通过火狐浏览器和客户端软件两种方式实现coap协议，用户不仅可以读取传感器上的实时数据，而且可以查看历史数据。
蓝牙耳机降噪哪款好？300-500以内降噪蓝牙耳机推荐
使用Container Canary在多个平台上测试容器图像
格力多元化难言成功,依赖空调业务难实现6000亿营收愿景
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如果美国不信任华为，华为会将更大规模的投资转移到英国进行
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功率MOSFET用途
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