物联网协议之COAP简介及Java实践

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2024-02-05 17:43 10阅读 0赞

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**目录**

前言

一、COAP简介

1、关于COAP

2、COAP特点

3、基于COAP的NB-IoT接入流程

二、CoAP协议JAVA实践

1、californium介绍

2、Java集成

3、Maven 资源引入

4、定义Server端

5、Client调用

6、运行测试

总结

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### 前言 ###

今天平安夜，祝大家圣诞快乐，平平安安。最近几年，随着物联网的兴起，很多设备都已经可以实现互联互通。相信很多从事安防、智慧城市、智能家居、智慧农业、应急消防、自然资源行业的朋友们，物联网已经是很成熟的技术了。很多的摄像头、传感器、计量水表、电表、燃气表、湿度传感器等等设备不仅可以支持实时的上传数据，还可以跟物联网平台进行互联互通，接收服务端的指令并进行执行相应操作。

在实现物联网设备和互联网连接的过程中，除了基础的网络通信保障，还有一个重要的基础设施，就是物联网协议。相信大家对协议都不陌生，从TCP/IP、UDP，从HTTP、MQTT、COAP，很多的协议在我们日常的工作当中，当然更多使用的是HTTP协议。关于协议，很多书籍都已经讲解得非常详细。

本文将围绕物联网的COAP协议，首先对其进行简单介绍，然后基于JAVA语言来进行COAP协议通讯编程实战，帮助大家对COAP有一个简单的认知，经过编程实践掌握协议的通信机制。

## 一、COAP简介 ##

为了让不熟悉COAP协议的读者在读这篇博文时，不至于不知道COAP是什么？因为还是在此对COAP进行一个简单的介绍，让每个读者都有一个直观的认识。如果对COAP非常熟悉的朋友，可以略过，直接进入后面的编程实战环节。

### 1、关于COAP ###

CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是一种专为物联网（IoT）设备和资源受限网络设计的应用层协议。它的诞生也是由于物联网设备大多都是资源限制型的，比如 CPU、RAM、Flash、网络宽带等；对于这类设备来说，想要直接使用现有网络的TCP和HTTP来实现设备信息交换是不现实的，为了让这部分设备能够顺利接入网络，CoAP 协议因此诞生。

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### 2、COAP特点 ###

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">序号</td> 
   <td style="width:125px;">特点</td> 
   <td style="width:493px;">说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">1</td> 
   <td style="width:125px;">轻量级</td> 
   <td style="width:493px;">CoAP协议非常简单，头部和选项字段较少，占用网络带宽和资源较少。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">2</td> 
   <td style="width:125px;">基于UDP</td> 
   <td style="width:493px;">基于UDP运行，使得更适用于无连接、低延迟和高效率的通信，通过CoAP的CON（Confirmable）和ACK（Acknowledgment）消息实现可靠性传输。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">3</td> 
   <td style="width:125px;">类Restful架构</td> 
   <td style="width:493px;">采用类RESTful架构风格，支持GET、POST、PUT和DELETE等常用的HTTP方法（有所区分），以进行资源的读取、创建、更新和删除。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">4</td> 
   <td style="width:125px;">低能耗、低带宽</td> 
   <td style="width:493px;">对资源受限设备和网络进行优化，具有低能耗和低带宽消耗的特性。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">5</td> 
   <td style="width:125px;">资源标识符</td> 
   <td style="width:493px;">使用统一资源标识符（URI）来标识资源</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">6</td> 
   <td style="width:125px;">IP多播</td> 
   <td style="width:493px;">允许一对多的通信，对物联网中的多个设备同时接收非常有用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:63px;">7</td> 
   <td style="width:125px;">可扩展性</td> 
   <td style="width:493px;">允许在消息头中包含自定义选项，以满足特定应用的需求，可扩展性高。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 3、基于COAP的NB-IoT接入流程 ###

![3e8f70c6bd804253b86b69c530b0d0de.png][]

上图是某云基于Coap的NB-IoT的数据接入框架，这也是当前很多物联网平台接入的架构（可供参考），是一种比较容易实现的方式。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="width:70px;">序号</th> 
   <th style="width:618px;">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:70px;">1</td> 
   <td style="width:618px;">在设备端NB-IoT模块中，集成物联网平台SDK。厂商在物联网平台控制台申请设备证书（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）并烧录到设备中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:70px;">2</td> 
   <td style="width:618px;">NB-IoT设备通过运营商的蜂窝网络进行入网。需要联系当地运营商，确保设备所属地区已经覆盖NB网络，并已具备NB-IoT入网能力。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:70px;">3</td> 
   <td style="width:618px;">设备入网成功后，NB设备产生的流量数据及产生的费用数据，将由运营商的M2M平台管理。此部分平台能力由运营商提供。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:70px;">4</td> 
   <td style="width:618px;">设备开发者可通过CoAP/UDP协议，将设备采集的实时数据上报到云物联网平台，借助物联网平台，实现海量亿级设备的安全连接和数据管理能力。并且，可通过规则引擎，将数据转发至大数据产品、云数据库、表格存储等服务中进行处理。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:70px;">5</td> 
   <td style="width:618px;">物联网平台提供相关的数据开放接口和消息推送服务，可将数据转发到业务服务器中，实现设备资产与实际应用的快速集成。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 二、CoAP协议JAVA实践 ##

协议一般与编程语言无关。因此，您可以使用熟悉的技术栈来进行实现即可，这里以作者熟悉的Java语言为例，简单的介绍适用Java进行CoAP的协议开发。采用Java实现的原因很简单，基于Java良好的生态，有一款基于Java开发的CoAP协议实现框架californium，基于这个框架可以快速实现CoAP的Server端和Client的开发，帮助我们快速实现物联网业务。

### 1、californium介绍 ###

Californium框架是一款基于Java实现的Coap技术框架，[californium官网地址][californium]，该项目实现了Coap协议的各种请求响应定义，支持CON/NON不同的可靠性传输模式。Californium 基于分层设计且高度可扩展。Californium三层架构如下:

1 网络层:负责处理端口监听，网络数据收发；

2 协议层:负责Coap协议数据包解析及封装，实现消息的路由、可靠性传输、Token处理、观察者模型；

3 逻辑层:负责 Resource定义和映射，一个Resource 对应一个URL，可独立实现Coap 请求处理。可以将resource是一个controller。

![4a8b0c5c0bc74bee808fd9dd22dc669d.png][]

### 2、Java集成 ###

实现申明，在这里，我们使用californium的版本是2.0.x版本，使用2.0版本是因为在3的版本中座了优化和调整，导致有一些配置需要重写。为了保证最简单的实现，我们用2.0作为示例例子，下次可以说明一下在更高级的版本中如何使用。

Java开发环境软件说明：

Eclipse、Jdk1.8、Maven3.3.9、californium 2.0.0-M7

### 3、Maven 资源引入 ###

首先新建一个Maven工程，在Pom.xml中引入所需要的资源jar包。

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
      <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
      <groupId>com.yelangking</groupId>
      <artifactId>californium-client-demo</artifactId>
      <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
      
      <dependencies>
    	<dependency>
    		<groupId>org.eclipse.californium</groupId>
    		<artifactId>californium-core</artifactId>
    		<version>2.0.0-M7</version>
    	</dependency>
    	<dependency>
    		<groupId>org.eclipse.californium</groupId>
    		<artifactId>element-connector</artifactId>
    		<version>2.0.0-M7</version>
    	</dependency>
    	<dependency>
    		<groupId>org.eclipse.californium</groupId>
    		<artifactId>scandium</artifactId>
    		<version>2.0.0-M7</version>
    	</dependency>
    </dependencies>
    </project>

### 4、定义Server端 ###

基于californium的server端开发，其实非常简单。关键代码如下：

package com.yelagking;
    
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.Date;
    
    import org.eclipse.californium.core.CoapResource;
    import org.eclipse.californium.core.CoapServer;
    import org.eclipse.californium.core.coap.CoAP.ResponseCode;
    import org.eclipse.californium.core.server.resources.CoapExchange;
    
    public class HelloCoAPServer {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		CoapServer server = new CoapServer();// 主机为localhost 端口为默认端口5683
    		server.add(new CoapResource("hello") {// 创建一个资源为hello 请求格式为 主机：端口\hello
    			@Override
    			public void handleGET(CoapExchange exchange) { // 重写处理GET请求的方法
    				exchange.respond(ResponseCode.CONTENT, "Hello CoAP!This is from Java coap server");
    			}
    		});
    		server.add(new CoapResource("time") { // 创建一个资源为time 请求格式为 主机：端口\time
    			@Override
    			public void handleGET(CoapExchange exchange) {
    				Date date = new Date();
    				exchange.respond(ResponseCode.CONTENT, new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(date));
    			}
    		});
    		server.start();
    	}
    }

在上面的代码中，相当与定义了两个controller，分别为hello和time，在类里面，开放了一个get访问接口（相当于是restful的get）。在实际业务中，我们可以在get里面做业务逻辑了，比如把接收到的数据进行入库，或者把执行命令一起推送给下游的设备端。

server.add(new CoapResource("hello") {// 创建一个资源为hello 请求格式为 主机：端口\hello
    			@Override
    			public void handleGET(CoapExchange exchange) { // 重写处理GET请求的方法
    				exchange.respond(ResponseCode.CONTENT, "Hello CoAP!This is from Java coap server");
    			}
    		});

### 5、Client调用 ###

有了服务端之后，我们再进行客户端的开发。由于是示例，并未做分离部署，及客户端和服务端在一台机器上，实际情况下肯定是需要分开的。关键代码如下：

package com.yelangking;
    
    import java.io.IOException;
    import java.net.URI;
    import java.net.URISyntaxException;
    
    import org.eclipse.californium.core.CoapClient;
    import org.eclipse.californium.core.CoapResponse;
    import org.eclipse.californium.core.Utils;
    import org.eclipse.californium.core.coap.MediaTypeRegistry;
    
    public class ClientTest {
    
    	public static void main(String[] args) throws URISyntaxException, IOException {
    		URI uri = null;
    		uri = new URI("coap://localhost:5683/hello"); // 创建一个资源请求hello资源，注意默认端口为5683
    		//uri = new URI("coap://127.0.0.1:5683/core/time?type=1");
    		CoapClient client = new CoapClient(uri);
    		CoapResponse response = client.get();
    		if (response != null) {
    			System.out.println(response.getCode()); // 打印请求状态码
    			System.out.println(response.getOptions()); // 选项参数
    			System.out.println(response.getResponseText()); // 获取内容文本信息
    			System.out.println("\nAdvanced\n"); //
    			System.out.println(Utils.prettyPrint(response)); // 打印格式良好的输出
    		}
    
    	}
    
    }

### 6、运行测试 ###

在编写完server端和client端代码后，我们分别来测试一下是否可用，以及通过client调用server，是否有请求报文。首先将Server端启动起来。

![c0b122adba184e129e59c52cf3705312.png][]

然后再启动client，同时访问hello接口，测试能否从接口中获取数据。运行main函数后，发现控制台有以下输出：

SLF4J: Failed to load class "org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder".
    SLF4J: Defaulting to no-operation (NOP) logger implementation
    SLF4J: See http://www.slf4j.org/codes.html#StaticLoggerBinder for further details.
    2.05
    {"Content-Format":"text/plain"}
    Hello CoAP!This is from Java coap server
    
    Advanced
    
    ==[ CoAP Response ]============================================
    MID    : 59202
    Token  : [d845e70ed6398b48]
    Type   : ACK
    Status : 2.05
    Options: {"Content-Format":"text/plain"}
    RTT    : 51 ms
    Payload: 40 Bytes
    ---------------------------------------------------------------
    Hello CoAP!This is from Java coap server
    ===============================================================

![4b4594838b1c4b99bf275dc4de6fde4b.png][]

可以看到，client成功发起了一个get请求，server端正常接收请求，并返回了相应。一次CoAP的协议调用过程实例就成功了。

## 总结 ##

以上就是本文的主要内容，本文将围绕物联网的COAP协议，首先对其进行简单介绍，然后基于JAVA语言来进行COAP协议通讯编程实战，帮助大家对COAP有一个简单的认知，经过编程实践掌握协议的通信机制。

本文部分插图参考网络资源，原文地址：

1、[Coap协议和Californium框架使用示例][Coap_Californium]。

2、[CoAP连接通信][CoAP]。

[65598b6717c0481aa28037cde9ae6313.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/19517a65f1514126874f8419f3e716e8.png
[3e8f70c6bd804253b86b69c530b0d0de.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/8207d4bfe95f40a6aaf3e76eddcdfd85.png
[californium]: https://github.com/eclipse-californium/californium
[4a8b0c5c0bc74bee808fd9dd22dc669d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/2cf5d720cee847e88464d2ada7beeda8.png
[c0b122adba184e129e59c52cf3705312.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/acb994a3f41a4caf852463bc8430e0fb.png
[4b4594838b1c4b99bf275dc4de6fde4b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/30/3b8de8c27ced40338b9f1e09b21ebe72.png
[Coap_Californium]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/170537255
[CoAP]: https://help.aliyun.com/zh/iot/user-guide/connect-devices-to-iot-platform-over-coap?spm=a2c4g.11186623.0.i1