CoAP

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CoAP

Referências: [1], [2], [3], [4]

Introdução ao CoAP

O CoAP (Constrained Application Protocol) (RFC7252) é uma alternativa mais leve ao HTTP, com alvo nos dispositivos limitados em termos de energia e interface de comunicação. O CoAP usa UDP, ao invés do TCP usado pelo HTTP, reduzindo o overhead de mensagens ocasionado pela abertura e encerramento de uma conexão TCP, assim como reconhecimentos e retransmissões.

O CoAP provê interação usando um modelo pedido/resposta (request/response) entre aplicações, com comunicação assíncrona por meio de mensagens UDP. Este modelo é semelhante ao modelo cliente/servidor usado no HTTP, porém, ambas as máquinas podem atuar nas duas funções, diferente do HTTP. O CoAP apresenta baixo overhead de cabeçalho e processamento e suporta URI (Uniform Resource Identifier) e Content-type.

Pode-se visualizar o CoAP em duas camadas, uma camada de mensagens interagindo de forma assíncrona com o UDP e uma camada de interações pedido/resposta usando métodos e códigos de resposta. 

+----------------------+
|      Application     |
+----------------------+  \
|  Requests/Responses  |  |
|----------------------|  | CoAP
|       Messages       |  |
+----------------------+  /
|          UDP         |
+----------------------+

CoAP roda por padrão na porta UDP 5683.

As mensagens CoAP, assim como o HTTP, seguem a arquitetura REST (Representational State Transfer) para criar, ler, atualizar ou apagar de dados de aplicação em servidores remotos.

REST (Representational State Transfer)

Na arquitetura REST um servidor REST simplesmente provê acesso a recursos e um cliente REST acessa e apresenta os recursos. Cada recurso é identificado por uma URI (Uniform Resource Identifier), que é sua identidade global.

Um sistema com capacidade de aplicar os princípios de REST é chamado de RESTful.

Métodos RESTful
  1. GET - ler informação
  2. PUT - atualizar informação
  3. POST - criar uma nova informação
  4. DELETE - apagar informação

A arquitetura REST é fortemente influenciada pelas tecnologias Web, sendo o HTTP uma de suas instâncias mais relevantes.

Muitas aplicações de IoT que utilizam protocolos IP fazem uso publicadores MQTT (sensores) e subscritores MQTT (atuadores), mas podem também utilizar REST Web Services.

O CoAP é um protocolo de transferência RESTful para nós e redes com recursos restritos em termos de processamento, memória e consumo de energia.

Interação entre CoAP e HTTP

Por sua arquitetura REST, o CoAP pode ser integrado ao HTTP por meio de um proxy/cache, permitindo, por exemplo, que um usuário utilizando a Web e HTTP interaja com um dispositivo restrito que suporta o CoAP. 

HTTP Client           Proxy           CoAP Server
     | HTTP GET /temp   |                  |
     +----------------->|  CON GET /temp   |
     |                  +----------------->|
     |                  |   ACK "22.5"     |
     |  200 OK "22.5"   |<-----------------+
     |<-----------------+                  |
     |             cache "22.5"            |
     |                  |                  |
     | HTTP GET /temp   |                  |
     +----------------->|                  |
     |  200 OK "22.5"   |                  |
     |<-----------------+                  |

Modelo de mensagens

O CoAP usa mensagens curtas com cabeçalho de tamanho fixo (4 bytes) que podem ser seguidas por opções e dados (payload). Cada mensagem contém um identificador (Message ID) usado para implementar o serviço de entrega garantida de mensagens.

Para a entrega garantida uma mensagem é marcada como confirmável (CON). Uma mensagem confirmável é retransmitida, usando um temporizador, até receber uma reconhecimento (ACK). Se o receptor não estiver habilitado a fornecer uma resposta adequada ele responde com a mensagem de reset (RST). 

Client              Server
   |                  |
   |   CON [0x7d34]   |
   +----------------->|
   |                  |
   |   ACK [0x7d34]   |
   |<-----------------+
   |                  |

Uma mensagem que não requer confirmação é marcada como não confirmável (NON). 

Client              Server
   |                  |
   |   NON [0x01a0]   |
   +----------------->|
   |                  |

Modelo pedido/resposta

Os pedidos e respostas são carregados por mensagens CoAP, as quais incluem o código do método e da resposta.

Os métodos utilizados pelo CoAP são GET, PUT, POST, e DELETE de modo similar ao HTTP.

Os métodos podem usar mensagens confirmáveis (CON) ou não confirmáveis (NON). A resposta, se tiver disponível, pode ser enviada imediatamente, confirmável ou não confirmável. 

Client              Server       Client              Server
   |                  |             |                  |
   |   CON [0xbc90]   |             |   CON [0xbc91]   |
   | GET /temperature |             | GET /temperature |
   |   (Token 0x71)   |             |   (Token 0x72)   |
   +----------------->|             +----------------->|
   |                  |             |                  |
   |   ACK [0xbc90]   |             |   ACK [0xbc91]   |
   |   2.05 Content   |             |  4.04 Not Found  |
   |   (Token 0x71)   |             |   (Token 0x72)   |
   |     "22.5 C"     |             |   "Not found"    |
   |<-----------------+             |<-----------------+
   |                  |             |                  |

Client              Server
   |                  |
   |   NON [0x7a11]   |
   | GET /temperature |
   |   (Token 0x73)   |
   +----------------->|
   |                  |
   |   NON [0x23bc]   |
   |   2.05 Content   |
   |   (Token 0x73)   |
   |     "22.5 C"     |
   |<-----------------+
   |                  |

Se a resposta não estiver disponível imediatamente, pode ser enviada posteriormente em mensagem separada. 

Client              Server
   |                  |
   |   CON [0x7a10]   |
   | GET /temperature |
   |   (Token 0x74)   |
   +----------------->|
   |                  |
   |   ACK [0x7a10]   |
   |<-----------------+
   |                  |
   ... Time Passes  ...
   |                  |
   |   CON [0x23bb]   |
   |   2.05 Content   |
   |   (Token 0x74)   |
   |     "22.5 C"     |
   |<-----------------+
   |                  |
   |   ACK [0x23bb]   |
   +----------------->|
   |                  |

Formato das mensagens

As mensagens CoAP são codificadas em binário, iniciando com um cabeçalho fixo de 4 bytes. 

   0                   1                   2                   3
   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |Ver| T |  TKL  |      Code     |          Message ID           |
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |   Token (if any, TKL bytes) ...
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |   Options (if any) ...
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  |1 1 1 1 1 1 1 1|    Payload (if any) ...
  +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Campos:

  • Ver: 1
  • T (Type): CON (0), NON (1), ACK (2) ou RST (3)
  • TKL: Comprimento variável do Token (0 a 8 bytes).
  • Code: Código da mensagem:
    • Class (3 bits): request (0), success response (2), client error response (4), server error response (5) ou signaling codes (7)
    • Detail (5 bits): Em caso de pedido, indica o método. Em caso de resposta indica o código da resposta.
Method:0.XX Success:2.XX Client Error:4.XX Server Error: 5.XX       Signaling Codes: 7.XX
0 EMPTY     1 Created    0 Bad Request     0 Internal Server Error  0 Unassigned
1 GET       2 Deleted    1 Unauthorized    1 Not Implemented        1 CSM
2 POST      3 Valid      2 Bad Option      2 Bad Gateway            2 Ping
3 PUT       4 Changed    3 Forbidden       3 Service Unavailable    3 Pong
4 DELETE    5 Content    4 Not Found       4 Gateway Timeout        4 Release
5 FETCH                  ...               5 Proxying Not Supported 5 Abort
6 PATCH
7 iPATCH
  • Message ID: Identificador da mensagem, usado para detectar duplicatas ou correspondências entre uma mensagem CON com a mensagem ACK/RST ou entre uma mensagem NON com uma mensagem RST (caso o nó não possa processar a mensagem).

Campos opcionais:

  • Token: Usado para correlacionar pedidos e respostas
  • Options: A especificação CoAP define um conjunto de opções, identificadas por números, para serem utilizadas nas mensagens.
  • Payload: Dados

Observação de Recursos CoAP

Uma característica importante do CoAP para aplicações de IoT é a possibilidade de observar recursos, recebendo atualizações, por exemplo, quando os dados de um sensor são atualizados.

Para observar recursos usa-se um GET com a opção observar: 

Client                                      Server
   |                                          |
   |   CON GET /temp Observe: 0 Token: 0x3f   |
   +----------------------------------------->|
   |   ACK Observe: 20 Token: 0x3f "22,5"     |
   |<-----------------------------------------+
   |                                          |
   |                                          | temp change
   |   ACK Observe: 21 Token: 0x3f "22,8"     |
   |<-----------------------------------------+
   |            ACK Token: 0x3f               |
   +----------------------------------------->|
   |                                          |

Descoberta de Recursos CoAP

Outra característica do CoAP para aplicações de IoT é a possibilidade de descoberta de serviços ou recursos. Esta característica é importante para aplicações de comunicação máquina máquina.

Um servidor é descoberto por um cliente aprendendo a URI que referencia um recurso no servidor. Ou, pode utilizar mensagens CoAP multicast para descobrir servidores.

URI (Uniform Resource Identifier)

Estrutura de uma URI: 

coap://   host     [:port] path [? query] [#fragment]
parâmetros query :
?key1=value1&key2=value2
lista de chave/valor separados por &.
#fragment
é um marcador para um fragmento do próprio recurso.

Exemplo[5]: 

          userinfo       host      port
          ┌──┴───┐ ┌──────┴──────┐ ┌┴┐
  https://john.doe@www.example.com:123/forum/questions/?tag=networking&order=newest#top
  └─┬─┘   └───────────┬──────────────┘└───────┬───────┘ └───────────┬─────────────┘ └┬┘
  scheme          authority                  path                 query           fragment

Clientes e Servidores CoAP

Algumas referências:

  • Artigo: (Porciúncula etal, 2018) [6]
  • Video: [7]

Agente Usuário CoAP para Chrome

Agente usuário CoAP desenvolvido por Kovatsch Matthias como extensão para o o navegador Chrome [8].

Cliente e Servidor CoAP para Ubuntu

coap-client e coap-server baseado na biblioteca libcoap.

Instalação Ubuntu 20.04:
sudo apt-get update
sudo apt-get install libcoap2

Biblioteca CoAP para Arduíno

Biblioteca CoAP-simple-library: [9], [10]

CoAP para Raspberry Pi

coap-client e coap-server baseado na biblioteca libcoap.

Instalação: Ver [11]

CoAP: Análise do protocolo com Arduíno e Wireshark

Para a análise do protocolo CoAP foram utilizadas as seguintes ferramentas
  • Arduíno e programas exemplo da biblioteca CoAP-simple-library (IP 192.168.0.30) ;
  • coap-server e coap-client: rodando em Ubuntu 18.04 (IP 192.168.0.13);
  • wireshark para captura e análise dos pacotes.

Cenário 1: Arduíno request e coap-server response

Cenário com Arduíno Leonardo (IP 192.168.0.30) rodando programa exemplo coaptest da biblioteca CoAP-simple-library, interagindo através de request (GET) com servidor coap-server (IP 192.168.0.13) rodando em Ubuntu 18.04.

O programa coaptest no Arduíno envia a cada 5s uma mensagem GET para o coap-server solicitando a hora relógio (time) e imprime no monitor serial.

Saída do monitor serial do Arduino
My IP address: 192.168.0.30
Setup Response Callback
Send Request
Coap Response got:
May 21 10:04:14
Send Request
Coap Response got:
May 21 10:04:19
Mostra a sequência de mensagens enviadas (Send Request) e as respostas recebidas do servidor (Coap Response got:) seguida da hora relógio.
Captura de pacotes com Wireshark

Mostra duas trocas de mensagens, cada uma incluindo um pedido CON (GET com confirmação exigida) e a resposta ACK (incluindo o time solicitado).

6--px

Detalhes da captura de pacotes
  • Destaque para o protocolo de transporte UDP e as portas CoAP padrão 5683 utilizados pelas mensagens.
  • Na primeira mensagem CoAP pode-se observar o Code (GET) e a URI [Uri-Path: coap://192.168.0.13/time] da solicitação.
  • O detalhe da mensagem mostra o tamanho reduzido da mensagem CoAP, 4 bytes de cabeçalho, mais as opções com o Uri-Path: coap://192.168.0.13/time.

Cenário 2: Arduíno request e coap-server response e coap-client request e Arduíno response

Cenário com Arduíno Leonardo (IP 192.168.0.30) rodando programa exemplo coapserver da biblioteca CoAP-simple-library, interagindo com um servidor coap-server rodando em Ubuntu 18.04 (IP 192.168.0.13) e também respondendo a requisições de um coap-client rodando no mesmo Ubuntu 18.04 (IP 192.168.0.13).

O programa coapserver no Arduíno também envia a cada 5s uma requisição (GET) para o coap-server solicitando a hora relógio (time) e imprime no monitor serial. Além disto, aceita requisições de um coap-client (PUT) que permite comandar um led conectado a uma porta do Arduíno.

Comando executado no coap-client
coap-client -e "0" -m put coap://192.168.0.30/light
para desligar o led
coap-client -e "1" -m put coap://192.168.0.30/light
para ligar o led
Captura de pacotes com Wireshark

Análise dos pacotes capturados
  • Na marca de tempo 9,41... o Arduíno requisita (CON GET) a hora relógio ao coap-server e recebe a resposta (ACK);
  • Na marca de tempo 11,79... o coap-client requisita (CON PUT) ao Arduíno para apagar led.
  • Na marca de tempo 14,26... uma nova requisição (CON PUT) com mesmo identificador (MID) pois não houve resposta imediata.
  • Nas marcas de tempo 14,4172... e 14,4187... as respostas (ACK) foram enviadas.
  • Na marca de tempo 14,4188... uma mensagem ICMP (Destination unreachable) foi enviada pelo coap-client ao Arduíno pois mesmo encerrou após o recebimento da primeira resposta.
  • Na sequência tivemos mais duas requisições (CON GET) de hora relógio pelo Arduíno ao coap-server e mais uma última requisição (CON PUT) pelo coap-client ao Arduíno.

Agente usuário Copper (Cu)

Outra maneira de interagir com o Arduíno rodando o coapserver para acionamento de leds é através da extensão Copper (Cu) no Google Chrome:

Referências

  1. ↑ https://www.rfc-editor.org/info/rfc7252
  2. ↑ https://en.wikipedia.org/wiki/Constrained_Application_Protocol
  3. ↑ http://www.tigli.fr/lib/exe/fetch.php?media=cours:tutorial_rest_coap_mit_2016_2017.pdf
  4. ↑ Zach Shelby. Constrained Application Protocol (CoAP) Tutorial: https://www.youtube.com/watch?v=4bSr5x5gKvA
  5. ↑ https://en.wikipedia.org/wiki/Uniform_Resource_Identifier
  6. ↑ Cleber B. da Porciúncula, Sílvio Beskow, Daniel Stefani Marcon e Jéferson Campos Nobre. Constrained Application Protocol (CoAP) no Arduino UNO R3: Uma Análise Prática, Anais do V Workshop Pré-IETF, 2018.
  7. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=pfG8uEDZj5g
  8. ↑ https://github.com/mkovatsc/Copper4Cr
  9. ↑ https://www.arduinolibraries.info/libraries/co-ap-simple-library
  10. ↑ https://github.com/hirotakaster/CoAP-simple-library
  11. ↑ https://raspberry-valley.azurewebsites.net/CoAP-Getting-Started/

Evandro.cantu (discussão) 15h22min de 14 de maio de 2020 (-03)

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