代码收藏家 深入了解物联网协议CoAP的核心和网络部分
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前言
一、Coap的Core包
1、Coap对象
2、Message对象
3、Request对象
4、Response对象
二、Coap的NetWork调试
1、UDP运行模式
2、Network消息接收
3、Sender线程发送数据
三、总结
前言
在之前的博文中，对Californium中Coap的实现进行了简要的介绍，分别从Server和Client两端进行了基础介绍。对于面向连接的连接协议，一定是离不开网络层。本次将重点介绍Coap的Core核心实现以及网络层定义，虽然在Californium协议中，已经全面的实现了Coap协议。
本文将以Core包和NetWork包为主线，对Coap协议中，关于Californium框架的具体实现方式和代码编写进行讲解，希望对想了解Coap的实现朋友对其有更深入的了解。
一、Coap的Core包
Coap的核心包定义了Coap适配的协议，请求协议头、响应对象等。主要包含Coap、Message、Option、Request、Response等几个对象。
1、Coap对象
首先来看一下Coap对象的类图，如下图所示：
从上图可以看出，Coap类主要是一个常量类，其中包含了消息类型、请求类型编码、响应码、消息格式类型等。请注意这里是采用枚举属性的方式进行定义。比如消息类型的定义，部分代码已精简：
/**
* CoAP defines four types of messages:
* Confirmable, Non-confirmable, Acknowledgment, Reset.
*/
public enum Type {
/** The Confirmable. */
CON(0),
/** The Non-confirmable. */
NON(1),
/** The Acknowledgment. */
ACK(2),
/** The Reject. */
RST(3);
/** The integer value of a message type. */
public final int value;
}以上四种消息类型表示如下：
| 序号 | 类型 | 说明 |
| 1 | CON | 需要被确认的请求，如果CON请求被发送，那么对方必须做出响应。这有点像TCP，对方必须给确认收到消息，用以可靠消息传输。 |
| 2 | NON | 不需要被确认的请求，如果NON请求被发送，那么对方不必做出回应。这适用于消息会重复频繁的发送，丢包不影响正常操作。这个和UDP很像。用以不可靠消息传输。 |
| 3 | ACK | 应答消息，对应的是CON消息的应答。 |
| 4 | RST | 复位消息，可靠传输时候接收的消息不认识或错误时，不能回ACK消息，必须回RST消息。 |
请求方法枚举，这里主要定义了Coap请求方法编码，比如GET、POST、PUT等。关键代码如下：
/**
* The enumeration of request codes: GET, POST, PUT and DELETE.
*/
public enum Code {
/** The GET code. */
GET(1),
/** The POST code. */
POST(2),
/** The PUT code. */
PUT(3),
/** The DELETE code. */
DELETE(4);
/** The code value. */
public final int value;
}2、Message对象
在通讯建立后，依赖于网络传输对象，Server端和Client端都会进行消息的传递。这是实际数据传递时所依赖的对象。这里重点介绍Message对象，大家可以重点查看Californium的源码来着重了解。首先来看一下Message对象的类图。
在message对象中，定义了消息类型、mid、token、payload等信息。
消息头（HEAD）
第一行是消息头，必须有，固定4个byte。Ver : 2bit， 版本信息，当前是必须写0x01。T： 2bit， 消息类型，包括 CON, NON. ACK, RST这4种。TKL: 4bit，token长度， 当前支持0~8B长度，其他长度保留将来扩展用。
Code：8bit，分成前3bit（0~7）和后5bit（0~31），前3bit代表类型。 0代表空消息或者请求码， 2开头代表响应码，取值如下：
1 0.00 Indicates an Empty message
2 0.01-0.31 Indicates a request.
3 1.00-1.31 Reserved
4 2.00-5.31 Indicates a response.
5 6.00-7.31 Reserved
Message ID：16bit， 代表消息MID，每个消息都有一个ID ，重发的消息MID不变。token（可选）用于将响应与请求匹配。 token值为0到8字节的序列。 ( 每条消息必须带有一个标记, 即使它的长度为零）。 每个请求都带有一个客户端生成的token, 服务器在任何结果响应中都必须对其进行回应。token类似消息ID，用以标记消息的唯一性。token还是消息安全性的一个设置，使用全8字节的随机数，使伪造的报文无法获得验证通过。
option
请求消息与回应消息都可以0~多个options。 主要用于描述请求或者响应对应的各个属性，类似参数或者特征描述，比如是否用到代理服务器，目的主机的端口等。
payload
实际携带数据内容，若有，前面加payload标识符“0xFF”，如果没有payload标识符，那么就代表这是一个0长度的payload。如果存在payload标识符但其后跟随的是0长度的payload，那么必须当作消息格式错误处理。
/** The Constant NONE in case no MID has been set. */
public static final int NONE = -1;
/**
* The largest message ID allowed by CoAP.
* <p>
* The value of this constant is 2^16 - 1.
*/
public static final int MAX_MID = (1 << 16) - 1;
/** The type. One of {CON, NON, ACK or RST}. */
private CoAP.Type type;
/** The 16-bit Message Identification. */
private volatile int mid = NONE; // Message ID
/**
* The token, a 0-8 byte array.
* <p>
* This field is initialized to {@code null} so that client code can
* determine whether the message already has a token assigned or not. An
* empty array would not work here because it is already a valid token
* according to the CoAP spec.
*/
private volatile Token token = null;
/** The set of options of this message. */
private OptionSet options;
/** The payload of this message. */
private byte[] payload;
/**
* Destination endpoint context. Used for outgoing messages.
*/
private volatile EndpointContext destinationContext;
/**
* Source endpoint context. Used for incoming messages.
*/
private volatile EndpointContext sourceContext;
/** Indicates if the message has sent. */
private volatile boolean sent;
/** Indicates if the message has been acknowledged. */
private volatile boolean acknowledged;
/** Indicates if the message has been rejected. */
private volatile boolean rejected;
/** Indicates if the message has been canceled. */
private volatile boolean canceled;
/** Indicates if the message has timed out */
private volatile boolean timedOut; // Important for CONs
/** Indicates if the message is a duplicate. */
private volatile boolean duplicate;
/** Indicates if sending the message caused an error. */
private volatile Throwable sendError;
/** The serialized message as byte array. */
private volatile byte[] bytes;3、Request对象
与Http协议类似，Coap中，伴随着每一次的请求发送，势必也会有一个request对象。在request中进行信息的传递。因此，Requet也是继承自Message，其类图如下：
可以看到，在Reques对象中，针对Get、Put、Post、Delete等不同的方法也进行了定义。
/**
* Convenience factory method to construct a POST request and equivalent to
* <code>new Request(Code.POST);</code>
*
* @return a new POST request
*/
public static Request newPost() {
return new Request(Code.POST);
}
/**
* Convenience factory method to construct a PUT request and equivalent to
* <code>new Request(Code.PUT);</code>
*
* @return a new PUT request
*/
public static Request newPut() {
return new Request(Code.PUT);
}
/**
* Convenience factory method to construct a DELETE request and equivalent
* to <code>new Request(Code.DELETE);</code>
*
* @return a new DELETE request
*/
public static Request newDelete() {
return new Request(Code.DELETE);
}4、Response对象
response对象与http也是类似的，跟B/S模式是一样的。有Client的请求对象，一定会对应有Server的Response对象。与Request一样，Response也是Message类的子类。
Reponse的方法相对比较简单，主要是将相应的信息放置到响应对象中，然后返回给前端。其主要的方法如下：
/**
* Creates a response to the provided received request with the specified
* response code. The destination endpoint context of the response will be
* the source endpoint context of the request. Type and MID are usually set
* automatically by the {@link ReliabilityLayer}. The token is set
* automatically by the {@link Matcher}.
*
* @param receivedRequest the request
* @param code the code
* @return the response
* @throws IllegalArgumentException if request has no source endpoint
* context.
*/
public static Response createResponse(Request receivedRequest, ResponseCode code) {
if (receivedRequest.getSourceContext() == null) {
throw new IllegalArgumentException("received request must contain a source context.");
}
Response response = new Response(code);
response.setDestinationContext(receivedRequest.getSourceContext());
return response;
}由于篇幅有限，关于Core包的相关类介绍先到此，感兴趣的朋友可以下载源码后自己研究，以上将core包中比较重要的四个类进行讲解。下一步在讲解消息构造和方法运行时会更一步的涉及到这些类。因此着重介绍一下，以免不了解的读者不清楚具体的定义。
二、Coap的NetWork调试
关于Coap的NetWork中的使用，准备结合动态运行过程进行讲解，主要结合Debug的方式，以类图这种分析方法不能完全的展示其调用过程和初始化步骤。比如，为什么说Coap默认是运行在UDP协议之下的，在系统运行时，其协议转换又是怎么工作的。下面将揭开这个面纱。
1、UDP运行模式
众所周知，Coap默认试运行在UCP协议下的，我们来看一下其具体的定义。在CoapServer中创建CoapEndpoint时，可以看到以下的设置过程。
在CoapEndpoint.java 中1285行，很清楚的看到这创建了UDPConnector连接器。
2、Network消息接收
在进行以上的对象定义之后，Coap基本就可以依赖于网络进行请求的运行了。启动方法
在这里，分别定义了发送线程集合和接收线程集合，用来保存接收和发送对象。receiverCount默认是16.
3、Sender线程发送数据
在这里可以看到要发送的数据包信息，
4、Receiver接收响应
protected void work() throws IOException {
datagram.setLength(size);
socket.receive(datagram);
LOGGER.debug("UDPConnector ({}) received {} bytes from {}:{}",
new Object[]{socket.getLocalSocketAddress(), datagram.getLength(),
datagram.getAddress(), datagram.getPort()});
byte[] bytes = Arrays.copyOfRange(datagram.getData(), datagram.getOffset(), datagram.getLength());
RawData msg = RawData.inbound(bytes, new AddressEndpointContext(datagram.getAddress(), datagram.getPort()), false);
receiver.receiveData(msg);
}在work方法中进行信息的转换，获取响应报文。通过转换后就可以获取以下报文体：
2.05
{"Content-Format":"text/plain"}
Hello CoAP!This is from Java coap server
Advanced
==[ CoAP Response ]============================================
MID : 26037
Token : [6243fee1521b9e40]
Type : ACK
Status : 2.05
Options: {"Content-Format":"text/plain"}
RTT : 43333 ms
Payload: 40 Bytes
---------------------------------------------------------------
Hello CoAP!This is from Java coap server
===============================================================三、总结
以上就是本文的主要内容，本文将以Core包和NetWork包为主线，对Coap协议中，关于Californium框架的具体实现方式和代码编写进行讲解，希望对想了解Coap的实现朋友对其有更深入的了解。行文仓促，如有不当之处，请留言批评指正。
