В рубрику "Интернет вещей (internet of things, IOT)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Вадим 
ДарьяОдним из широко используемых протоколов для взаимодействия между IoT-устройствами (Internet of Things) или IoT-устройствами и внешней средой является протокол CoAP – Constrained Application Protocol [1, 2, 3].
Протокол CoAP создан рабочеи группои The Internet Engineering Task Force (IETF) Constrained RESTful Environments (CoRE) в июне 2014 г. Стандарт данного протокола описан в документе RFC 7252 [4].
Протокол CoAP предназначен для взаимодействия простых устройств, например датчиков малой мощности, выключателей, клапанов, которые управляются или контролируются удаленно через сеть Интернет. Такие устройства используются в области Интернета вещей, а порождаемый ими информационный обмен называется межмашинным взаимодействием (М2М). Часто подобные устройства называют устройствами с ограниченными ресурсами. Они обычно имеют ограниченный энергоресурс, небольшой объем памяти и невысокую мощность, поэтому в работе с ними важно обеспечивать низкие энергозатраты, использовать передачу сообщений малого объема. Протокол CoAP обеспечивает взаимодействие этих устройств, соблюдая все необходимые требования. Сеть, в которой работают такие устройства, называют сетью с ограниченными ресурсами. Существенная особенность протокола СoAP – это его совместимость с протоколом HTTP, что обеспечивает при его использовании взаимодействие совокупности устройств IoT, формирующих некую сеть, с всемирной паутиной Интернет.
Рассмотрим такое устройство с ограниченными ресурсами, как датчик. У пользователя в помещении может быть установлено некоторое количество датчиков, управлять которыми он может либо через сеть Интернет, либо непосредственно через сеть с ограниченными ресурсами в том случае, если на его устройстве установлено приложение, работающее по протоколу СоАР (рис. 1).
На рис.1 область "А" показывает пример взаимодействия пользовательского устройства (HTTP-клиента) с СоАР-датчиком через сеть Интернет. HTTP-клиент генерирует HTTP-запросы и отправляет их на сервер, который при отсутствии необходимой информации на полученный запрос обращается к CoAP-прокси. Здесь CoAP-прокси – это устройство, соединяющее сеть Интернет на основе протокола HTTР и сеть с ограниченными ресурсами, поддерживающую протокол CoAP. Прокси преобразует сообщения одной сети (протокол HTTP) в сообщения, понятные для другой (протокол CoAP).
Если запрос от пользовательского устройства сразу попадает в сеть с протоколом СоАР, то он поступает на СоАР-датчик (на рисунке – область "Б"). При таком взаимодействии сервер получает все запросы и далее индивидуально однонаправленно посылает соответствующему устройству относящийся к нему запрос и ожидает от него ответ.
Структура протокола CoAP была разработана в соответствии с REST-архитектурой. REST (Representational State Transfer) – это вид архитектуры, позволяющий строить приложения, в основе которых будет лежать следующая группа методов:
В апреле 2017 г. вышел документ RFC, расширяющий протокол CoAP новыми методами [12]. В данном стандарте описаны два метода:
Протокол был дополнен этими методами, потому что возникла необходимость некоторым приложениям получать доступ или изменять в ресурс не полностью, а взаимодействовать только с определенной его составляющей.
Доступ к ресурсам, как упоминалось выше, выполняется по URI-последовательности символов, идентифицирующей физический или абстрактный ресурс. URI идентифицирует CoAP-ресурсы и служит средством для определения их местоположения. Пользовательское устройство запрашивает данные с датчика через URI-ссылку, но чтобы данный запрос был понятен датчику, он будет преобразован на пользовательском устройстве в один из методов REST и занесен в СоАР-сообщение. Например, при вводе URI-ссылки приложение на пользовательском устройстве создает запрос GET на датчик, где в опциях сообщения протокола CoAP будет содержаться URI. Более подробно про перевод URI в соответствующие опции рассмотрено ниже в разделе "Формат сообщений".
При взаимодействии с датчиком через сеть Интернет приложение на пользовательском устройстве будет работать по протоколу HTTP и использовать методы REST для отправки запросов. Благодаря использованию одинаковых методов в протоколах HTTP и CoAP возможен обмен сообщениями между пользовательским устройством, на котором находится приложение, и датчиком, использующим разные протоколы, ведь сообщения будут легко транслироваться друг в друга на прокси.
Протокол CoAP использует UDP (User Datagram Protocol), в качестве транспортного протокола по умолчанию, что позволяет уменьшить размер служебных данных и увеличить эффективность работы. В редких случаях могут также использоваться TCP или SCTP. Так как CoAP – это протокол прикладного уровня, то в случаях, когда нужно обеспечить безопасное соединение, используется шифрование сообщений по протоколу DTLS (Datagram Transport Layer Security) [5]. DTLS работает поверх протокола UDP и служит для защиты данных на транспортном уровне (работает между уровнем приложений и транспортным уровнем).
У протокола СоАР определено всего четыре вида сообщений: Confirmable, Non-confirmable, Acknowledgement, Reset. Все сообщения кодируются в бинарном виде. Формат сообщения изображен на рис. 2. Сообщение начинается с заголовка, с фиксированным размером в 4 байта, за ним следует маркер, опции и полезная нагрузка, которая занимает всю оставшуюся часть дейтаграммы.
Поля в сообщении определяются следующим образом.
Версия (Version) (Ver) – двухбитное целое число, указывающее на номер версии CoAP. На данный момент существует только одна версия протокола.
Тип (Type) (Т) – двухбитное целое число. Указывает на тип сообщения Confirmable (0), Non-confirmable (1), Acknowledgement (2) или Reset (3).
Длина маркера (Token Length) (TKL) – четырехбитное целое число. Указывает длину поля маркера (Token) переменной длины (0–8 байт). Длины от 9 до 15 зарезервированы.
Код (Code) – восьмибитное целое число, делится на трехбитный и пятибитный класс (рис. 3).
Поле "код" записывается, как "c.dd", где "с" – это цифра от 0 до 7 для трехбитного подполя и "dd" – две цифры в диапазоне от 00 до 31 для пятибитного подполя.
Значения "dd" – это фиксированные табличные величины, которые указывают в случае, если сообщение – запрос на метод запроса (например, 0.01 – это запрос GET, 0.02 – это запрос POST); в случае, если сообщение – ответ, указывают на код ответа (например, 2.05 – это ответ, содержащий запрашиваемую информацию (Content), 4.04 – это ошибка, возникающая, когда запрашиваемое устройство отсутствует или временно недоступно (Not Found)). Всю таблицу значений поля Code можно посмотреть в RFC7252, раздел 12.1.2. [4].
Идентификатор сообщения (Message ID) – шестнадцатибитное целое число, являющееся уникальным идентификатором для сообщения. Message ID идентифицирует сообщение, чтобы определить, на какой запрос пришла информация или ошибка. CoAP-устройство, отправляя сообщение Confirmable или Non-confirmable, случайным образом генерирует значение идентификатора для этого сообщения. В ответных сообщениях Acknowledgement- или Reset-идентификаторы будут те же, что и в сообщении, на которое они отвечают.
За заголовком следует значение маркера (Token), которое может составлять от 0 до 8 байт, как указано в поле TKL. Значение маркера случайным образом генерируется устройством CoAP и используется в пределах одной сессии для установления соответствия запроса с ответом, т.е. происходит группировка сообщений по цепочке "запрос-ответ". Нулевое значение маркера используется, когда никакие другие маркеры не используются в устройстве, на которое отправляется запрос, или если запросы делаются последовательно и в малом количестве.
Далее следуют опции (Options), в которых описываются различные параметры сообщений. Например, есть Max-Age Option, которая устанавливает максимальное время хранения информации во временной памяти, по умолчанию этот параметр равен 60 сек. Другая опция, Content-Format Option, задается в виде числа, которое устанавливает формат представления полезной нагрузки: значение 0 указывает на то, что полезная нагрузка будет текстовой, а значение 41 указывает на то, что полезная нагрузка будет в формате xml. Для адресации по URI в протоколе CoAP предусмотрены опции Uri-Host (определяет адрес интернет-хоста запрашиваемого ресурса), Uri-Port (определяет номер порта транспортного уровня запрашиваемого ресурса), Uri-Path (определяет часть пути до ресурса) и Uri-Query (определяет параметр, который запрашивает ресурс).
Список всех остальных опций протокола можно посмотреть в RFC7252, раздел 5.4. [4].
Поле, завершающее формат сообщения, – это полезная нагрузка (Payload), в которой содержится запрашиваемая информация.
В COAP используется четыре типа сообщений:
Рассмотрим несколько примеров того, как отправляются запросы и какие сообщения (их содержание) будут при этом отправлены. На рис. 4 показан пример взаимодействия между HTTP-клиентом и СоАР-датчиком и трансляцией их сообщений через CoAP-прокси. Пусть пользователь запрашивает показание освещенности кухни, которое определяется датчиком света.
HTTP-клиент посылает сообщение GET, в котором содержится запрос на получение уровня освещенности. Сообщение приходит на прокси, который преобразует HTTP-запрос в запрос по протоколу CoAP. Далее информация о требовании параметра освещенности передается в сообщении CON, и ему присваивается идентификатор сообщения; такой же идентификатор содержится в ответном сообщении ACK, которое несет в себе требуемую информацию.
Рассмотрим детально формат ответного сообщения ACK на запрос (рис. 5). В поле "тип" указывается, что передается сообщение ACK (2). Далее стоит 1 байт, который говорит о наличии маркера, за ним следует код, указывающий на успешный ответ (2.05).
Значение идентификатора сообщения одинаковое у запроса и ответа, что помогает их сопоставить. Значение маркера принимает значение 0х20 и не изменяется в пределах сессии. Опции в сообщении отсутствуют. Завершается сообщение передачей в поле полезной нагрузки запрашиваемого значения освещенности (150 Люкс).
На рис. 6 показан пример работы CoAP-клиента и СоАР-датчика. В данном примере рассмотрен случай, когда ответное сообщение от CoAP-клиента теряется, тогда будет произведена повторная отправка запроса после завершения таймера ожидания ответа; значение таймера равно 1 сек, согласно RFC 6298 [6].
Протокол CoAP поддерживает возможность послать запрос сразу группе устройств, реализуя таким образом многоадресную рассылку (multicast) [7].
СoAP-устройства с ограниченными ресурсами могут объединятся в группы либо одинаковой функцией устройств (снятие показаний света или температуры), либо по местоположению (снятие показаний в определенной комнате, этаже здания). Есть несколько способов создания группы:
В первом случае задание группы происходит по групповому IP-адресу или по полному имени хоста, т.е. FQDN (Fully Qualified Domain Name), которому в соответствии с системой DNS сопоставляется групповой IP-адрес.
Во втором случае задание группы происходит через каталог ресурсов (RD – Resource Directory) [9]. RD хранит URI, по которым предоставляется доступ к датчикам. При помощи методов REST датчики регистрируются в каталоге и периодически обновляют информацию о себе.
По умолчанию все узлы принадлежат к группе "All CoAP Nodes". Членам этой группы назначается широковещательный адрес: для IPv4 это адрес 224.0.1.187 [10], а для IPv6 – это адреса FF02 :: FD и FF05 :: FD [11], UDP-порт, по умолчанию, 5683.
Для обнаружения адреса RD датчик посылает по широковещательному IP-адресу запрос с указанием типа ресурса "rt=core.rd", при этом сервер RD ответит на этот запрос, а все остальные устройства в сети его проигнорируют. Все запросы создаются с помощью формата связи CoRE (Constrained RESTful Environments) [8]. CoRE задает ссылку, по которой можно обратиться для внесения информации, поиска размещенных ресурсов и их атрибутов, связей между ресурсами в RD. По умолчанию точкой входа в каталог ресурсов является URI/"Well-Known/Core". Датчик отправляет методом REST запрос POST к RD, в который внесена информация о том, на какие запросы датчик сможет предоставить информацию, но внесение информации не обязательно, тогда датчик будет принимать любые запросы. Таким образом все датчики, которые можно использовать для многоадресной рассылки, будут внесены в RD и формирование групп будет происходить по сообщенной датчиками информации. Например, CoAP-клиент посылает запрос в RD на возможность формирования группы из датчиков. Такой запрос будет отправлен по CoAP-протоколу методом POST с URI в общем виде, который выглядит как:
URI: /{+rd-group}{?gp, d, con},
где rd-group – функция, указывающая, что необходимо сформировать группу;
gp – имя группы;
d – домен, к которому принадлежит группа;
con – контекст, используемый для установки собственного IP-адреса многоадресной рассылки для группы, в форме: // multicastaddress:port, указывать этот параметр необязательно.
В третьем случае датчик определяется в группу пользовательским устройством, с которого отправляется запрос при помощи формата обмена данными Java Script Object Notation (JSON). Запрос будет послан сообщением CoAP при помощи методов REST с опцией Content-Format, равной 50, что устанавливает формат представления полезной нагрузки JSON. Полезная нагрузка будет состоять из одной или более пар ключей/значений, например, пара будет выглядеть так: "n":
"All-Devices.floor1.west.bldg6.test.com",
"a": "[ff15::4200:f7fe:ed37:abcd]:4567",
где ключ n – name является именем хоста, а значение a – address является значением адреса члена, обозначающим групповой IP-адрес.
CоAP-группа будет работать в режиме ASM (Any Source Multicast). При таком режиме работы адрес для группы уникален. Когда принадлежность датчиков к группе определена, пользовательское устройство посылает запрос по групповому IP-адресу широковещательно. Если датчик настроен на работу с таким групповым адресом, то он примет такой запрос (если не настроен, то просто отбросит).
На рис. 7 показан сценарий отправления запроса с использованием многоадресной рассылки. Многоадресная рассылка всегда осуществляется с помощью сообщения Non-confirmable.
Пользовательское устройство отправляет запрос на широковещательный IP-адрес, назначенный для группы, такой запрос достигает всех датчиков, которые настроены на такой адрес. В сценарии CoAP датчики 1, 3 и 5 настроены на IP-адрес группы, поэтому они принимают запрос и отвечают: CoAP-датчик 1 посылает успешный ответ (2.05), и он достигает сервера; CoAP-датчик 3 посылает успешный ответ, но при передаче он теряется; CoAP-датчик 5 не может дать ответ, так как временно недоступен (4.04); оставшиеся CoAP-датчики 2 и 4 не настроены на получение данного запроса и просто его отбрасывают.
В статье рассмотрены такие важные особенности протокола, как формат сообщения, различные сценарии взаимодействия, способы группировки устройств с ограниченными ресурсами.
Рассмотренный материал позволяет сделать вывод о существенных достоинствах протокола CoAP, выделяющих его среди других протоколов Интернета вещей, например, в отличие от MQTT [13], у CoAP небольшой объем сообщений, простые алгоритмы их обработки, а так же поддержка многоадресной рассылки. Протокол СоАР ориентирован на М2М-приложения и обеспечивает взаимодействие сетей IoT с сетью Интернет через CoAP-прокси.
Протокол СоАР целесообразно использовать для устройств и сетей с ограниченными ресурсами.
Список используемых источников
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2017
Посещений: 19071
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Интернет вещей (internet of things, IOT)" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
