一步步搭建物联网系统——RESTful的CoAP协议

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RESTful的CoAP协议

CoAP: 嵌入式系统的REST

引自维基百科上的介绍,用的是谷歌翻译。。。

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。

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

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。

Node CoAP CLI

安装命令如下

bash npm install coap-cli -g 

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:

bashCommands:

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

bashcoap get coap://vs0.inf.ethz.ch/
(2.05)  ************************************************************
I-D

测试一下现在的最小的物联网系统CoAP版

bashcoap get coap://iot-coap.phodal.com/id/1
(2.05)  [{"id":1,"value":"is id 1","sensors1":19,"sensors2":20}]

libcoap

mac os libcoap安装

Mac OS下可以直接用

bashbrew install libcoap

Ubuntu libcoap安装

Ubuntu GNU/Linux下

Windows libcoap安装

Windows 下

安装完libcoap,我们可以直接用自带的两个命令

bashcoap-client 
coap-server

1.用coap-server启一个CoAP服务

bashcoap-server

2.客户端获取数据

bashcoap-client -m get coap://localhost

返回结果

bashv: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>

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。

  1. 下载地址: https://addons.mozilla.org/en-US/firefox/addon/copper-270430/

  2. 作为测试我们同样可以访问 coap://vs0.inf.ethz.ch:5683/

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

javascript{
  "dependencies":{
    "coap": "0.7.2"
  }
}

接着执行

bashnpm install

就可以安装好这个库。如果遇到权限问题,请用

bashsudo npm install

接着,创建这样一个app.js

javascriptconst 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

bashnode 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

javascriptconst 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

bashHello 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。

CoAP 数据库查询

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。

javascriptvar 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。

javascriptfunction DBHelper(){
}
DBHelper.initDB = function(){};
module.exports = DBHelper;

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

javascriptvar 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

javascriptconfig = {
    "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

javascriptDBHelper.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。

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。

javascriptconst 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

bashcoap://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。

javascriptvar 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

javascriptrequest_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

javascriptquery_helper.returnJSON = function(req, res) {
    DBHelper.urlQueryData(req.url, function (result) {
        QueryData.returnJSON(result, res);
    });
};

而这里只是调用了

javascriptDBHelper.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。

javascriptQueryData.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。

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。

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。

CoAP POST

看看在IoT CoAP中的post示例。

javascriptconst 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

javascript{ 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

javascript_.values(e).toString()

将结果转换为

Block2,1
Block2,'must'
Block2,23
Block2,12

接着按","分开,

javascript_.values(e).toString().split(',')[1]

就有

bash[ '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。

CoAP Content Types

以下文字来自谷歌翻译:

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。

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

javascriptrequest_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"。

javascriptregisterFormat('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。

javascriptreq.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

javascriptvar 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:

javascriptreq.setHeader("Accept", "application/json");

这样的话,我们只需要在我们的服务端一判断,

javascriptif(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

javascriptif (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

bashcoap://localhost/id/1/

这时应该请求的是ID为1的数据,即

javascript[ { 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。

javascriptfunction 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。

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