基于CoAP的无线传感器网络与互联网的互联研究

■ 文/传智播客Java基础课程研究组   陈文

陈文&＃xff08;传智播客Java高级讲师&＃xff09;

个人简介&＃xff1a;7年以上软件开发经验。精通Java、PHP、ASP、MySQL、Oracle、SqlServer、Sybase等编程语言和数据库系统。曾参与国家计算机安全中心的531和242课题的研究&＃xff0c;信息产业部<<号码携带运维系统>>&＃xff0c;中国联通的<<运维MIS系统>>&＃xff0c;内蒙联通的<<资源管理系统>>&＃xff0c;中国移动研究院的《TSM平台》&＃xff0c;中国移动的<<上海世博国漫综合业务平台>>等多个电信领域的软件项目的需求分析、设计及研发&＃xff0c;并对企业管理软件有着深刻的理解&＃xff0c;曾参与CRM和ERP等产品设计以及研发。授课思路清晰&＃xff0c;擅长结合现实中的例子讲解抽象的概念&＃xff0c;便于学生理解和记忆。

无线传感器网络与其他网络的互联是无线传感器网络研究热点方向之一&＃xff0c;基于IPv6的全IP化互联方式是当前最受关注的焦点。本文介绍了在IP化无线传感器网络上实现REST风格服务的受限应用层协议CoAP&＃xff0c;比较了CoAP与HTTP的不同和性能差异&＃xff0c;最后提出和总结了基于CoAP的无线传感器网络与互联网的两种互联方式。

关键词&＃xff1a;CoAP  无线传感器网络  物联网  网关  互联方式

1.引言

近年来&＃xff0c;无线传感器网络&＃xff08;WirelessSen-sorNetwork&＃xff0c;WSN&＃xff09;已经成为国际上学术界和工业界共同的研究热点之一。在许多应用中&＃xff0c;无线传感器网络不以孤立网络的形式存在&＃xff0c;而是通过一定的方式与其他外部网络互联&＃xff0c;使其他外部网络能够访问和控制无线传感器网络&＃xff0c;这样才有实际价值。互联网Internet是目前世界上最大的一种网络&＃xff0c;因此实现无线传感器网络与Internet的网络互联具有重大意义。

在Internet以及其他一些网络中&＃xff0c;TCP/IP已经成为事实上的协议标准。由于无线传感器网络终端数量庞大&＃xff0c;IPv4远远不能满足无线传感器网络的地址需求&＃xff0c;因此许多研究把重点放在了IPv6上&＃xff0c;旨在将无线传感器网络IPv6化。互联网工程任务组&＃xff08;InternetEngineeringTaskForce&＃xff0c;IETF&＃xff09;正在进行针对基于IPv6的低功率无线个域网&＃xff08;IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork&＃xff0c;6LoWPAN&＃xff09;的相关标准化活动&＃xff0c;包括将IPv6协议适配到IEEE802.15.4标准的6LoWPAN、低功耗网络路由协议&＃xff08;RoutingProtocolforLow-powerandLossyNetwork&＃xff0c;RPL&＃xff09;、资源受限环境应用层协议&＃xff08;ConstrainedApplicationProtoc-ol&＃xff0c;CoAP&＃xff09;等。IP智能物体产业联盟&＃xff08;IPSm-artObjectAlliance&＃xff0c;IPSO&＃xff09;也开始了嵌入式设备IPv6产品化的推广。

无线传感器网络IP化的优点之一是&＃xff0c;可以采用REST&＃xff08;RepresentationalStateTransfer&＃xff09;风格架构构建物联网应用。REST是表述性状态转换架构&＃xff0c;是一种轻量级的Web服务实现&＃xff0c;是互联网资源访问协议的一般性设计风格。REST有3个基本概念&＃xff1a;表示&＃xff08;Representation&＃xff09;、状态&＃xff08;State&＃xff09;和转换&＃xff08;Tr-ansfer&＃xff09;。表示是指数据和资源都以一定的形式表示&＃xff1b;状态是指一次资源请求中需要使用的状态都随请求提供&＃xff0c;服务端和客户端都是无状态的&＃xff1b;转换是指资源的表示和状态可以在服务端和客户端之间转移。

REST提出了一些设计概念和准则&＃xff1a;网络上的所有资源都被抽象为资源&＃xff1b;每个资源对应唯一的资源标识&＃xff1b;通过通用的连接器接口&＃xff1b;对资源的各种操作不会改变资源标识&＃xff1b;对资源的所有操作是无状态的。REST风格使应用程序可以依赖于一些可共享和重用的并松散耦合的服务。HTTP&＃xff08;HypertextTransferProtocol&＃xff09;协议就是一个典型的符合REST风格的协议。

但是&＃xff0c;HTTP协议较为复杂&＃xff0c;开销较大&＃xff0c;不适用于资源受限的传感器网络。IETFCoRE&＃xff08;ConstrainedRESTfulEnvironment&＃xff09;工作组正在制定CoAP协议&＃xff0c;将REST风格引入智能物体网络。

2.受限应用层协议CoAP

2010年3月&＃xff0c;IETF CoRE工作组开始标准化受限应用层协议&＃xff08;Constrained Application Protocol&＃xff0c;CoAP&＃xff09;。CoAP是一种网络传输协议&＃xff0c;专门为资源受限设备&＃xff08;如传感器节点&＃xff09;和网络&＃xff08;如6LoWPAN网络&＃xff09;优化设计。CoAP采用REST&＃xff08;Representational State Transfer&＃xff09;风格架构&＃xff0c;将网络上的所有对象抽象为资源&＃xff0c;每个资源对应一个唯一的统一资源标识符&＃xff08;Universal Resource Identifier&＃xff0c; URI&＃xff09;&＃xff0c;通过URI可以对资源进行无状态操作&＃xff0c;包括GET、PUT、POST和DELETE等。

CoAP并不是HTTP的压缩协议。CoAP一方面实现了HTTP的一部分功能子集&＃xff0c;并为资源受限环境进行了重新设计&＃xff1b;另一方面提供了内置资源发现、多播支持、异步消息交换等功能。

如图1所示&＃xff0c;与HTTP不同&＃xff0c;CoAP使用的是面向数据包的传输层协议&＃xff0c;如用户数据包协议&＃xff08;User Datagram Protocol&＃xff0c;UDP&＃xff09;&＃xff0c;因此可以支持多播。CoAP分为两层&＃xff1a;消息层&＃xff08;Message&＃xff09;负责使用UDP进行异步交互&＃xff0c;请求/回复层&＃xff08;Request/Response&＃xff09;负责传输资源操作请求和回复数据。

CoAP消息有4种类型&＃xff0c;分别是&＃xff1a;

● Confirmable&＃xff08;CON&＃xff09;&＃xff1a;需要收到确认的消息。 

● Non-confirmable&＃xff08;NON&＃xff09;&＃xff1a;不需要收到确认。

● Acknowledgment&＃xff08;ACK&＃xff09;&＃xff1a;表示确认一个Confirmable类型的消息已收到。

● Reset&＃xff08;RST&＃xff09;&＃xff1a;表示一个Confirmable类型的消息已收到&＃xff0c;但是不能处理。

通过这种双层结构&＃xff0c;CoAP能够在UDP上实现可靠传输机制。进行可靠传输时&＃xff0c;使用CON消息&＃xff0c;如果在规定时间内未收到ACK消息&＃xff0c;则重新传输该消息&＃xff08;超时重传&＃xff09;&＃xff0c;直到收到ACK/RST消息或者超过最大重试次数。接收方收到CON消息时&＃xff0c;返回ACK消息&＃xff0c;如果接收方不能处理该消息&＃xff0c;则返回RST消息。此外&＃xff0c;CoAP还支持异步通信。当CoAP服务端收到不能立即处理的请求时&＃xff0c;首先返回ACK消息&＃xff0c;处理请求之后再发送返回消息。

CoAP主要有以下特点&＃xff1a;

● 满足资源受限的网络需求&＃xff1b;

● 无状态HTTP映射&＃xff0c;可以通过HTTP代理实现访问CoAP资源&＃xff0c;或者在CoAP之上构建HTTP接口&＃xff1b;