CoAP: mudanças entre as edições
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:lista de chave/valor separados por &. | :lista de chave/valor separados por &. | ||
Edição das 13h06min de 19 de novembro de 2020
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.
REST (Representational State Transfer)
As mensagens CoAP seguem a arquitetura REST (Representational State Transfer) para criar, ler, atualizar 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
- GET - ler informação
- PUT - atualizar informação
- POST - criar uma nova informação
- 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 com 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.
Clientes e Servidores CoAP
Algumas referências:
Agente Usuário CoAP para Chrome
Agente usuário CoAP desenvolvido por Kovatsch Matthias como extensão para o o navegador Chrome [7].
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: [8], [9]
CoAP para Raspberry Pi
coap-client e coap-server baseado na biblioteca libcoap.
Instalação: Ver [10]
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).
- 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
- ↑ https://www.rfc-editor.org/info/rfc7252
- ↑ https://en.wikipedia.org/wiki/Constrained_Application_Protocol
- ↑ http://www.tigli.fr/lib/exe/fetch.php?media=cours:tutorial_rest_coap_mit_2016_2017.pdf
- ↑ Zach Shelby. Constrained Application Protocol (CoAP) Tutorial: https://www.youtube.com/watch?v=4bSr5x5gKvA
- ↑ 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.
- ↑ https://www.youtube.com/watch?v=pfG8uEDZj5g
- ↑ https://github.com/mkovatsc/Copper4Cr
- ↑ https://www.arduinolibraries.info/libraries/co-ap-simple-library
- ↑ https://github.com/hirotakaster/CoAP-simple-library
- ↑ https://raspberry-valley.azurewebsites.net/CoAP-Getting-Started/
Evandro.cantu (discussão) 15h22min de 14 de maio de 2020 (-03)
