物联网协议之COAP简介及Java实践

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

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。

 2、COAP特点

序号特点说明
1轻量级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。
2基于UDP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。
3类Restful架构采用类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。
4低能耗、低带宽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。
5资源标识符使用统一资源标识符（URI）来标识资源
6IP多播允许一对多的通信，对物联网中的多个设备同时接收非常有用
7可扩展性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。

3、基于COAP的NB-IoT接入流程

         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。

序号描述
1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。
2NB-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。
3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。
4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。
5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。

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，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。

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。

        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
===============================================================

        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。

2、CoAP连接通信。

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