CoAP

CoAP

Referências: , ,

O CoAP (Constrained Application Protocol) (RFC7252) é uma alternativa mais leve ao HTTP, com alvo nos dispositivos limitados em termos de energia e comunicação (redes LLN). 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.

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         |
+----------------------+

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

REST (Representational State Transfer)

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

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 usa várias representações para representar um recurso, como texto, JSON e XML, sendo o formato JASON o mais popular em Web Services.

Formato XML:

<endereco>
  <rua>
    JK
  </rua>
  <cidade>
    Foz do Iguaçu
  </cidade>
</endereco>

Formato JASON:

{ endereco:
  {
  rua: JK,
  cidade: Foz do Iguaçu
  }
}

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.

URI (Uniform Resource Identifier)

Estrutura de uma URI:

coap://   host     [:port] path [? query]

Parâmetros query :

?key1=value1&key2=value2 

lista de chave/valor separados por &.

#SomewhereInTheDocument 

é um marcador para outra parte do próprio recurso.

CoAP roda por padrão na porta 5683.

Clientes e Servidores CoAP

Algumas referências:

• Artigo: (Porciúncula etal, 2018)
• Video:

Agente Usuário CoAP para Chrome

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

Cliente e Servidor CoAP para Ubuntu

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

Instalação:

sudo apt-get update
sudo apt-get install libcoap-1-0-bin

Biblioteca CoAP para Arduíno

Biblioteca CoAP-simple-library: ,

CoAP: Análise do protocolo com Arduíno e Wireshark

Para a análise do protocolo CoAP foram utilizadas as seguintes ferramentas

• Biblioteca CoAP-simple-library para Arduíno;
• coap-server e coap-client: rodando em Ubuntu 18.04 (IP 192.168.0.13);
• wireshark: rodando em Ubuntu 18.04 (IP 192.168.0.13);

Cenário 1: Arduíno e coap-server

Cenário com Arduíno Leonardo rodando programa exemplo coaptest da biblioteca CoAP-simple-library, interagindo com servidor coap-server rodando em Ubuntu 18.04.

O programa coaptest envia a cada 5s uma mensagem GET para o coap-server solicitando a hora relógio (time).

Saída do monitor serial do Arduino

My IP address: 192.168.0.30
Setup Response Callback
Send Request
[Coap Response got]
May 21 13:04:14
Send Request
[Coap Response got]
May 21 13:04:19
Send Request

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 três trocas de mensagens, cada uma incluindo um pedido CON (GET com confirmação exigida) e a resposta ACK (incluindo a resposta a solicitação).

Mostra detalhes da primeira mensagem, incluindo o Code (GET) e a URI (host/path) da solicitação.

Referências

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