曹雪峰，傅冬穎，蔡永華，尚宇輝，朱會卿

(河北民族師范學院 數(shù)學與計算機科學學院，河北 承德 067000)

0 引 言

將萬維網(wǎng)技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合的物品萬維網(wǎng)技術是物聯(lián)網(wǎng)的一種實現(xiàn)模式[1-5]。利用Web的設計理念和技術，搭建基于不同通信方式的異構網(wǎng)絡和分布式網(wǎng)關的泛在應用開發(fā)環(huán)境，把物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境中的設備抽象為資源和服務，并釆用RESTful框架發(fā)布這些資源和服務，讓用戶能夠通過瀏覽器直接訪問到對應的傳感器節(jié)點，獲取或訂閱該節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)，并對節(jié)點進行遠程控制。這將大幅度降低物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)難度，提升物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新的可能性，而采用CoAP實現(xiàn)基于RESTful的Web服務機制是目前常用的一種方法[6-7]。受限制的應用協(xié)議(constrained application protocol，CoAP)是專門為資源受限設備和網(wǎng)絡優(yōu)化設計的網(wǎng)絡協(xié)議。它采用REST(representa-tional state transfer)風格架構，將網(wǎng)絡上的所有對象抽象為資源，每個資源對應一個唯一的統(tǒng)一資源標識符(universal resource identifier，URI)，通過URI可以對資源進行無狀態(tài)操作，包括GET、PUT、POST和DELETE等。CoAP并不是HTTP的壓縮協(xié)議。CoAP一方面實現(xiàn)了HTTP的一部分功能子集，并為資源受限環(huán)境進行了重新設計；另一方面提供了內(nèi)置資源發(fā)現(xiàn)、多播支持、異步消息交換等功能。

Contiki是一個開源操作系統(tǒng)[8-11]，可以在其官方網(wǎng)站上下載到全套的源代碼，目前最新版本為Contiki3.0。Contiki操作系統(tǒng)支持CoAP協(xié)議。Cooja是Contiki操作系統(tǒng)下的無線傳感器網(wǎng)絡仿真工具，在Cooja中可以采用目前流行的多種傳感器構成的不同傳感器網(wǎng)絡，分析無線傳感器網(wǎng)絡不同層的協(xié)議。

1 CoAP協(xié)議原理

1.1 CoAP報文格式

CoAP報文格式如圖1所示[12-16]。

圖1 CoAP報文格式

Ver：2 bit，說明CoAP的版本號，固定值為“1”；

T：2 bit，說明CoAP的報文類型，CoAP定義了四種類型報文：

Confirmable(CON)：需要被確認的報文，值為“00”；

Non-Confirmable(NON)：不需要被確認的報文，值為“01”；

Acknowledgement(ACK)：應答報文，值為“10”；

Rest(RST)：復位報文，值為“11”；

TKL：4 bit，說明標簽字段的長度，單位為字節(jié)。其值為0時表示省略標簽字段；

Code：1字節(jié)，說明CoAP的請求方法或響應狀態(tài)。該字段分成高3位和低5位兩部分，用十進制數(shù)表示成x.xx的形式。CoAP定義了四種請求方法和四種響應報文：

Code=0.00，表示空報文；

Code=0.01，表示GET方法；

Code=0.02，表示POST方法；

Code=0.03，表示PUT方法；

Code=0.04，表示DELETE方法；

Code=2.xx，表示正確響應；

Code=4.xx，表示客戶端錯誤響應；

Code=2.xx，表示服務器端錯誤響應。

Message ID：2字節(jié)，說明CoAP報文的序號，用于重復性檢查，實現(xiàn)可靠傳輸。一對CoAP請求和響應的Message ID值必須相同；

Token：長度可變，是另一種形式的CoAP報文序號，在獨立式響應中起著重要作用；

Options：長度可變，可以沒有或有多個選項，具體包括如下內(nèi)容：

Option Delta：4 bit，Option的增值，相當于順序編號，當前的Option的具體編號等于之前所有Option Delta的總和。它的值可以為0-12，或者13,14。當為13或者14時，需要增加一個Option Delta (extend)字段，此字段長度為0-2字節(jié)；

Option Length：4 bit，Option的長度，表示Value的具體長度，它的值可以為0-12，或者13,14。當為13或者14時，需要增加一個Option Length (extend)字段，此字段長度為0-2字節(jié)；

Option Value：0或多個字節(jié)，表示Option具體內(nèi)容。

CoAP的所有選項都采用編號的方式定義，每個選項字段有4個屬性：C(Critical)、U(Unsafe)、N(NoCacheKey)和R(Repeatable)，前三個屬性值是編號的組成部分。常見的選項包括Uri相關選項、Content-Format選項、Accept、Etag、Block1和Block2選項等內(nèi)容；

0xFF：CoAP首部與負載之間的分隔符；

Payload：是和具體應用相關的內(nèi)容，包括多種不同格式的媒體。

1.2 工作模式

雖然CoAP協(xié)議是基于運輸層不可靠的UDP協(xié)議實現(xiàn)的，但是它利用可靠傳輸機制提供了可靠傳輸?shù)恼埱?響應工作模式。

(1)捎帶式響應(piggybacked response)。

是指發(fā)送方的請求報文采用CON類型的報文，如果接收方能立即做出響應，響應數(shù)據(jù)就包含在ACK類型的確認報文中。

(2)獨立式響應(separate response)。

是指發(fā)送方的請求報文采用CON類型的報文，但是接收方因某種原因不能立即做出響應，因此在接收方返回的ACK類型的確認報文中并不包含響應數(shù)據(jù)。當接收方準備好該請求的響應數(shù)據(jù)后，會向發(fā)送方發(fā)送一個包含響應數(shù)據(jù)的CON類型報文，該報文需要得到發(fā)送方的確認。

如果發(fā)送方的報文不需要確認，可以采用非可靠傳輸?shù)姆谴_認模式(non-confirmable response)來實現(xiàn)。在非確認模式中發(fā)送方采用NON類型報文發(fā)送請求，接收方收到此報文后，同樣放回NON類型的響應報文。

1.3 CoAP資源描述

CoAP使用URI標識一個資源，然后通過GET、POST、PUT和DELETE方法來操作這些資源。URI的格式如下：

coap-URI="coap:" "http://" host [":" port] path-abempty ["?" query]

其中，host為資源所在主機，不能為空，可以使IP地址或域名；port為服務器監(jiān)聽端口，coap默認為5683，coaps為5684；path為指定資源在主機上的路徑；query用于參數(shù)化資源。

另外，CoAP協(xié)議規(guī)定通過訪問/.well-known/core，可以查看傳感器節(jié)點提供的所有資源，這些資源以層次結構組織起來，用戶可以對資源進行進一步的操作。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的組建

2.1 網(wǎng)絡拓撲結構

在Cooja中按圖2搭建無線傳感器網(wǎng)絡。

其中節(jié)點1為無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關，其上運行程序border-router.c。其他節(jié)點上都運行CoAP服務器程序er-example-server.c。

2.2 環(huán)境配置

為了能夠通過互聯(lián)網(wǎng)上的遠程用戶終端訪問傳感器節(jié)點，需要將鏈路本地地址映射為IPv6的全球單播地址，這一工作由網(wǎng)關完成。首先通過Cooja的菜單項“tools->serial socket->sky1”打開網(wǎng)關節(jié)點的偵聽端口60001。然后打開新的ubuntu終端窗口，改變目錄到contiki/examples/er-rest-example，執(zhí)行如下命令，完成地址映射。

make connect-router-cooja

為了生成用于wireshark進行協(xié)議分析的報文跟蹤記錄文件，選擇Cooja的菜單項“tools/radio messages”打開radio messages對話框，在radio messages對話框中選擇“analyzer/6LoWPAN Analyzer with PCAP”菜單項，在仿真過程中的報文跟蹤記錄文件保存在Contiki操作系統(tǒng)的tools/cooja/build文件夾中，文件擴展名是.pcap。

然后選擇cooja的“simulation->start simulation”菜單項啟動仿真過程。

在安裝了copper插件的火狐瀏覽器中連接無線傳感器網(wǎng)絡中地址為aaaa：：212：7402：2：202的節(jié)點2，單擊“discover”按鈕后，就會在瀏覽器“discovering”區(qū)域列出在其上已激活的資源。

3 CoAP工作過程分析

3.1 GET方法工作過程

選中“test/hello”，然后單擊瀏覽器上“GET”按鈕，可以看到節(jié)點2返回的“Hello World!”消息。對此過程捕獲的COAP報文如圖3所示。

圖中370號報文是客戶端發(fā)送的GET請求報文，是需要被確認的報文，省略了標簽字段，報文序號為16637；它有3個選項字段，前兩個選項字段的編號為11，是Uri-Path選項，指示資源在服務器中的位置，值分別為“test”和“hello”；第三個選項字段的編號為23(12+11)，是Block2塊傳輸選項，因為是Block2，所以使用的是塊傳輸?shù)目刂菩杂梅?，希望響應的塊序號是“0”，塊大小是64字節(jié)。

圖3 GET的請求報文

圖4中的373號報文是CoAP服務器返回的GET響應報文，是應答報文，省略標簽字段，響應代碼為“2.05 content”，報文序號為16637，與請求報文一致。它有3個選項字段，第一個選項字段的編號為4，是ETag選項，作為資源本地標識符，用來區(qū)分同一資源在不同時間的變化，值為“0C”；第二個選項字段的編號為12(8+4)，是Content-Format選項，指明CoAP負載的媒體類型,值為“text/plain；charset=utf-8”，也就是說負載的媒體類型為文本或二進制類型，采用utf-8編碼；第三個選項字段的編號為23，是Block2塊傳輸選項，因為是Block2，所以使用的是塊傳輸?shù)拿枋鲂杂梅?，表示當前報文的負載在資源描述中的塊序號是“0”，塊大小是32字節(jié)，負載內(nèi)容是“Hello World！”。

3.2 POST方法工作過程

通過瀏覽器上的“POST”按鈕就可遠程控制傳感器節(jié)點上的紅色Led燈。選中“actuators/toggle”，然后單擊瀏覽器上“POST”按鈕就可控制節(jié)點2上的紅色Led燈亮。該過程捕獲的COAP報文如圖5所示。

圖5 POST的請求報文

圖中345號報文是客戶端發(fā)送的POST請求報文，是需要被確認的報文，省略了標簽字段，報文序號為34004，它有2個選項字段，編號都為11，是Uri-Path選項，指示資源在服務器中的位置，值分別為“actuators”和“toggle”；負載字段的值為“mode=“on””。

圖6中346號報文是CoAP服務器返回的POST響應報文，是應答報文，省略了標簽字段，響應代碼為“2.05 content”，報文序號為34004，與請求報文一致。

圖6 POST的響應報文

如果把POST請求報文中負載字段內(nèi)容改為“mode=“off””，重復前面的操作，會看到節(jié)點2上的紅色Led燈熄滅。

4 結束語

在Contiki無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的支持下，利用Cooja構建了由路由網(wǎng)關節(jié)點和COAP Server節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡，用火狐瀏覽器訪問傳感器節(jié)點，查看傳感器節(jié)點上的資源，并對傳感器節(jié)點進行實時控制，實現(xiàn)了全IP物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡融合目標。利用Wireshark對捕獲報文進行分析，說明了CoAP協(xié)議的工作過程，驗證了CoAP協(xié)議的工作原理。