物联网通信协议与mjCoAP库深度解析

### 物联网通信协议与mjCoAP库深度解析 #### 1. 物联网通信背景与需求 物联网（IoT）预计到2020年将以类似互联网的结构将超过500亿个被称为“智能对象”的设备进行广泛互联，这将拓展现有的互联网，实现物理对象与人类之间新的交互形式。这些智能对象具有异构性，在计算能力、连接性、可用性和移动性等方面存在极大差异。为了有效促进新应用和服务的发展，需要合适的标准来确保现有主机和物联网节点之间的完全互操作性。 标准化组织如互联网工程任务组（IETF）和研究项目致力于将IP引入智能对象，并为物联网场景定义合适的应用层和安全协议。IETF的CoRE工作组为此定义了受限应用协议（CoAP），这是一种适用于受限节点和受限网络的标准应用层协议。 #### 2. CoAP协议详解 ##### 2.1 CoAP协议概述 CoAP是一种轻量级二进制协议，它将REST范式引入受限应用，能轻松映射到HTTP，从而与Web集成。它满足受限应用的需求，如低开销，还支持多播通信、资源观察和服务发现。CoAP消息使用二进制格式，包含强制字段（版本、类型、令牌、代码、消息ID）和可选字段（CoAP选项和有效负载），以尽量减小消息大小。 ##### 2.2 CoAP消息传递 CoAP基于UDP实现请求/响应（客户端/服务器）通信模型。使用UDP而非TCP的原因有： - 它是一种低开销的传输协议，仅引入8字节的报头。 - 不需要在通信端点之间建立连接。 - 与周期性休眠的设备兼容，这些设备可能无法保持连接。 CoAP消息分为可确认（CON）和不可确认（NON）两种类型。可靠通信通过CON消息实现，当发送CON请求时，客户端期望在重传超时（指数退避）之前收到服务器的确认（ACK）消息。如果未收到，客户端将重传请求。服务器响应CON请求时也使用CON消息，并期望收到客户端的ACK。不可靠传输使用NON消息，NON请求的响应以NON消息返回。 当发送CON请求时，服务器有两种响应方式： - 立即响应时，将响应包含在确认请求的ACK消息中，即捎带响应。 - 无法立即响应时，先发送确认请求的ACK消息，稍后再以CON消息发送响应，即单独响应。CoAP通信使用DTLS进行安全保护，类似于HTTP使用TLS。 下面是CoAP消息传递流程的mermaid流程图： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px A([客户端发送CON请求]):::startend --> B{服务器能否立即响应?}:::decision B -->|是| C(服务器发送捎带响应的ACK消息):::process B -->|否| D(服务器发送ACK消息):::process D --> E(服务器稍后发送CON响应消息):::process C --> F([客户端接收响应]):::startend E --> F ``` ##### 2.3 代理功能 CoAP设计为易于映射到HTTP，以实现与Web的透明集成。“交叉代理”是一种提供协议转换功能的网络元素，用于实现HTTP和CoAP端点之间的集成。交叉代理对于确保互联网和物联网之间的最大互操作性至关重要，也是它们之间的接触点。使用代理还有其他优点，如向外部客户端