概念

COAP（Constrained Application Protocol）是面向受限环境的应用层协议，当我们考虑小型设备（如传感器、嵌入式系统）与互联网通信时，传统的TCP和HTTP协议显得有些过分庞大。TCP协议在建立连接、维护状态等方面需要较多资源，而HTTP协议则以文本格式传输数据，导致通信时的开销较大。对于小型设备来说，资源有限，处理这些繁琐的协议可能会耗尽其计算和存储能力，同时增加能耗，不符合低功耗物联网场景的需求。
COAP协议的设计目的就是为了解决这一问题。它是一种专门针对受限环境的应用层协议，专注于简洁、高效的通信。COAP采用了UDP作为传输层协议，相较于TCP，UDP是一种更轻量级的协议，省略了连接的建立和状态维护，减小了通信的负担。此外，COAP的消息格式为二进制，相较于HTTP的文本格式，更加紧凑，降低了通信的开销。最重要的是，COAP支持非长连接通信，使其适用于需要保持低功耗的物联网设备，设备在不活跃时可以进入休眠状态，有效延长电池寿命。
因此，COAP协议的出现填补了传统协议在小型设备通信方面的不足，为物联网设备提供了一种轻量级、高效的通信方式。

双层结构

COAP协议采用了双层结构，包括事务层和请求/响应层。以此来提供可靠的传输机制

事务层

用于处理节点间的信息交换，每个信息都有唯一的事务标识符（Token）用于标识相关的请求和响应。以确保可靠的消息传输。每个信息都被赋予唯一的Token，使得在通信过程中可以准确追踪和匹配请求和响应。这提供了一种有效的机制，确保了消息的有序传输和正确的匹配，从而保障了通信的可靠性。
此外，COAP还通过事务层提供了对多播和拥塞控制的支持。多播支持使得一个请求可以同时发送给多个设备，适用于需要广播信息的场景。而拥塞控制机制则有效地管理网络负载，防止网络拥塞和资源浪费。COAP通过监测网络状况，动态调整消息的传输频率，以避免过度负载和提高通信效率。

在物联网和通信协议中，拥塞控制的原则是通过监控网络的状态，及时采取措施来避免或缓解拥塞的发生。一些常见的拥塞控制策略包括：

1. 流量控制： 控制数据的输入速率，防止发送方过快地向网络发送数据。这可以通过调整发送速率、使用缓冲区等方式来实现。
2. 拥塞避免： 当检测到网络开始拥塞时，减缓数据传输速率，逐渐增加以观察网络的负载情况。这有助于避免快速增加数据流量引起的拥塞。
3. 重传策略： 在发生数据包丢失时，采取合适的重传策略，以确保丢失的数据能够被成功重新传输。
4. 动态路由调整： 在网络中实时调整路由，以避免某些网络路径的过度拥塞，优化数据的传输路径。

请求/响应层

用以传输对资源进行操作的请求和响应信息。
REST架构基于该层的通信。REST请求附在一个CON或者NON消息上，而REST响应负载匹配的ACK消息上。

特点

COAP运行在UDP网络传输层协议上；COAP基于REST，server的资源地址和互联网一样也有类似url的格式，客户端同样有POST、GET、PUT、DELETE的方法来访问server；COAP是二进制格式的，而HTTP是文本格式的，COAP比HTTP更紧凑；且COAP的最小长度仅仅4B；COAP支持IP多播，可以同时向多个设备发送请求；非长连接通讯，适用于低功耗的物联网场景。

消息结构

COAP的消息结构包含版本（Ver）、消息类型（T）、Token长度（TKL）、列代码（Code）、消息ID（Messgae ID）、标记（Token）、选项（Options）、有效载荷（Payload）。

版本（Ver）

标识COAP协议的版本号。这个字段用于指示COAP协议的版本，有助于确保通信双方都使用相同版本的协议，从而避免不同版本之间的不兼容性。

消息类型（T）

CON（Confirmable），需要被确认的请求，如果CON请求被发送，那么对方给出确认消息，用以可靠消息传输；
NON（Non-confirmable），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，适用于丢包不影响正常操作，用以不可靠消息传输；
ACK（Acknowledgment），应答消息，对应CON消息的响应；
RST（Reset），复位消息，当接收者接收到不认识或不关心或错误的消息时，不能回ACK消息，必须回RST消息；

Token长度（TKL）

表示Token字段的长度，用于标识请求和响应之间的关联。Token是COAP消息中用于标识相关请求和响应的标识符，其长度由TKL字段指示。

列代码（Code）

当消息是一个请求时，Code字段表示请求方法；当是响应时，代表响应代码。请求方法可以是GET、POST、PUT、DELETE等，而响应代码表示请求的处理结果，例如2.04表示成功响应。

消息ID（Messgae ID）

用于请求和响应之间的消息匹配，也可以用来表示重发场景下是否为同一报文。消息ID的存在确保了请求和响应之间的正确匹配，防止混淆。

标记（Token）

用于标识请求和响应之间的关联。Token是COAP消息的一个关键字段，通过它可以确保请求和响应之间的正确匹配，实现有序传输。

选项（Options）

用于在消息中传递额外的参数和选项，类似于HTTP请求头。例如，COAP端口号、主机号、查询字符串等信息可以通过选项字段传递。

有效载荷（Payload）

包含实际的数据内容，例如传感器采集的信息或者对资源的操作请求。有效载荷是COAP消息的核心部分，携带着实际的业务数据。

资源发现机制

定义

COAP提供了一种资源发现机制，允许客户端在服务器上自动发现可用资源。

怎么进行资源发现

客户端GET请求到服务器特定的用于资源发现的路径，这通常是“/.well-known/core”，服务器会返回包含资源描述符的响应，这个资源描述符基于CoRE Link Format（CoRE链接标准）格式，CoRE Link Format描述了服务器上可用资源的URI及其属性，客户端通过解析这些资源描述可以获取资源信息，从而可以与服务器进行进一步的交互，例如发送请求读取、写入或触发资源操作等。通过资源发现机制，客户端可以自动发现服务器上的可用资源，而无需事先知道资源的确切路径和标识。

CoRE Link Format（CoRE链接标准）

CoRE Link Format使用类似于超链接的格式，将资源的URI（Uniform Resource Identifier）和相关的属性组织在一起。它使用尖括号（< >）包围URI，使用分号（;）分隔属性。每个属性由属性名和属性值组成，例如rel=“alternate”。
CoRE Link Format支持以下类型的属性：

1. href：资源的URI。
2. rel：资源的关系类型，描述资源与其他资源之间的关系。
3. rt：资源的媒体类型，指示资源的内容类型。
4. if：资源的接口描述符，描述资源所支持的接口或功能。
5. ct：资源的默认内容类型，指示资源的默认内容类型。
6. title：资源的标题或名称，提供对资源的简要描述。
7. 其他自定义属性：可以根据需求定义其他自定义属性。

当描述物联网领域的资源时，CoRE Link Format可以使用以下类型的属性：

1. href：资源的URI。例如：coap://example.com/sensors/temperature
2. rel：资源的关系类型，描述资源与其他资源之间的关系。例如：rel="alternate"表示资源是一个备选的表示形式。
3. rt：资源的媒体类型，指示资源的内容类型。例如：rt="temperature"表示资源是一个温度传感器。
4. if：资源的接口描述符，描述资源所支持的接口或功能。例如：if="sensor"表示资源是一个传感器接口。
5. ct：资源的默认内容类型，指示资源的默认内容类型。例如：ct=application/json表示资源的默认内容类型是JSON格式。
6. title：资源的标题或名称，提供对资源的简要描述。例如：title="Temperature Sensor"表示资源是一个温度传感器。
7. 自定义属性：根据具体需求，可以定义其他自定义属性来描述资源的特定属性。例如：location="room1"表示资源的位置是在room1。

应用

资源发现机制在物联网中有许多应用，它允许设备或应用程序自动发现网络中可用的资源。

1. 智能家居系统： 在智能家居中，各种设备（如智能灯具、智能插座、智能家电等）可以通过资源发现机制自动注册到家庭网络。用户可以通过一个中心控制界面发现和管理所有可用的智能设备。
2. 物流和供应链管理： 在物流和供应链领域，物联网设备和传感器可以通过资源发现机制将其位置、运输状态、温度等信息注册到网络中。这样的信息对于实时监测货物运输过程中的条件非常有用。
3. 工业自动化： 在工业自动化系统中，各种传感器、控制器和执行器可以通过资源发现机制注册其功能和服务。这有助于构建高度自适应和可配置的制造系统。
4. 智能城市： 在智能城市中，各种设备和基础设施，如智能路灯、环境监测传感器、停车管理系统等，可以通过资源发现机制注册到城市网络中，实现对城市各方面的实时监测和管理。
5. 健康监测系统： 在医疗健康领域，各种医疗设备、传感器和患者监测系统可以通过资源发现机制注册其服务。这样的系统可以实时监测患者的生理参数并与医护人员或医疗设备进行交互。
6. 农业智能化： 在农业中，各种农业传感器和设备，如土壤湿度传感器、气象站、智能灌溉系统等，可以通过资源发现机制注册到农田网络中。这有助于实现农业智能化和精准农业。
7. 车联网： 在车联网中，车辆、交通信号灯、道路监测设备等可以通过资源发现机制注册到网络中，以实现实时的交通管理和车辆通信。
   

可观察性（Observability）

定义

客户端可以通过观察资源的状态来实时监测和更新资源的变化，用于实现对资源的实时订阅和通知。

如何实现对资源的实时监测和更新

客户端向服务器发送一个观察请求，请求订阅特定资源的更新通知，该请求中包含一个观察标记（Observe Option）作为标识，用于指示客户端希望观察此资源，服务器在响应中也会返回一个观察标记，让客户端知道观察请求已被接受，并建立了观察会话（Obervation Session），将客户端的相关信息与该会话关联起来，并且该会话与该资源相关联，一旦建立观察会话，服务器在资源发生更新时就会发送给订阅了该资源的所有观察会话的客户端，当客户端不再继续观察时，发送终止观察请求已取消对该资源的观察。

应用

当涉及到物联网中的实际应用场景时，可观察性在实时监测和更新资源方面发挥了重要作用。

1. 智能家居： 在智能家居系统中，温度传感器可以通过COAP的观察机制实时监测室内温度的变化。当温度发生变化时，传感器可以将实时数据更新发送给所有订阅了观察请求的设备，如智能手机或智能恒温器，以便及时调整室内温度。
2. 工业生产： 在工业生产环境中，设备的运行状态和生产数据可能会经常变化。通过使用COAP的观察机制，监测关键设备的状态变化，例如生产线中的机器故障或能耗情况。工厂管理系统可以实时更新运营数据，帮助进行实时监控和及时的故障排除。
3. 智能健康监测： 在智能健康监测系统中，患者的生理数据，如心率、血压等，可以通过COAP的观察机制实时传输给医护人员。医护人员可以及时获取患者的健康状况，从而采取适当的医疗措施。
4. 交通管理： 在城市交通管理系统中，交通传感器可以通过COAP的观察机制实时监测道路流量的变化。交通管理中心可以根据实时数据进行智能信号灯调整，优化交通流动性，缓解拥堵情况。
5. 农业监测： 在农业领域，农田中的土壤湿度传感器可以通过COAP的观察机制实时更新土壤湿度信息。这样，农民可以远程监控土壤湿度，确保农田中的植物获得适当的灌溉，提高农作物产量。