基于CoAP的M2M课程教学及实验设计

张笑非，刘 镇 ，滕 玮

（1.江苏科技大学 计算机学院，江苏 镇江 212003；2. 北京工业大学 信息学部，北京 100124 ）

基于CoAP的M2M课程教学及实验设计

张笑非1,2，刘 镇1，滕 玮1

（1.江苏科技大学 计算机学院，江苏 镇江 212003；2. 北京工业大学 信息学部，北京 100124 ）

阐述以IETF CoAP协议扩展标准RFC 7959 “CoAP块级传输”中的案例作为M2M课程教学内容，提出通过Eclipse开源项目Californium中提供的API对实验内容进行设计并利用JUnit框架设计CoAP块级传输案例的测试用例，测试结果验证了相应的块级传输流程。

CoAP; 块级传输；请求/应答对；Californium项目

0 引 言

当前，全国众多高校的物联网专业都开设了M2M通信技术课程，由于涉及的理论和技术框架还在发展中，教学及实验内容也在不断建设和完善中。CoAP是一种应用于受限节点和受限网络的Web传输协议，类似HTTP但又不是盲目地在HTTP的技术上进行缩减，而是针对M2M应用进行优化，实现REST架构风格的一个子集[1]。在物联网应用中，CoAP成为HTTP的替代者而实现智能硬件到Web的接入[2]。CoAP的标准已在IETF RFC 7252中给出，文献[3]提出将RFC标准文档应用于计算机网络教学中。MIT、Apache等机构也都给出了多种编程语言版本的CoAP实现，且文献[4-6]也提出网络编程在提高教学和实验效果方面的作用，文献[7]分别就案例分解和重构在网络编程教学中的应用与改革进行了说明。这些都为在物联网专业的M2M通信技术课程中准备了充足的教学和实验素材。

1 CoAP教学设计

本教学设计使用IETF RFC 7959[8]作为M2M通信技术课程中CoAP的教学内容。RFC 7959是对RFC 7252的更新，是对CoAP块级传输方式的定义。CoAP消息的基本传输方式是在客户端和服务端之间，通过一次请求/应答对完成，可以满足从传感器读取数据，或向执行器发送指令等小型载荷需求，但面对固件更新这种需要承载大型载荷的M2M应用时，就需要对这些载荷进行分割。由于CoAP使用的传输层协议是UDP或DTLS，因此不能像TCP对HTTP消息一样进行分割和重新排列。RFC 7959在不考虑使用IP碎片机制的情况下，通过对CoAP协议增加一对Block选项的方式，对单个大型载荷进行分块、并通过多次请求/应答对完成传输。

教学设计中之所以选择RFC 7959定义的CoAP块级传输作为教学内容，是因为对于协议三要素（语法、语义、时序）而言，RFC 7252中介绍的单次请求/应答对作为时序部分较为简单。而基于块级传输的多次请求/应答过程，能够帮助学生更好地理解CoAP消息在客户端/服务端之间的交换过程；同时也可以对比受限网络环境和常规互联网环境下，由于需求差异导致协议栈的每一层功能和策略存在的差别。

1.1 教学内容

CoAP块级传输中需要利用块选项（Block Option），块选项分为Block1和Block2。CoAP中的请求/应答对，其中请求消息由客户端发送给服务端，应答消息由服务端返还给客户端。若需进行分块的载荷来自客户端，如PUT和POST操作，则块选项为Block1。若需进行分块的载荷来自服务端，如接收到GET操作，则块选项为Block2。块选项是变长的，可以是1个或2个或3个字节。块选项包含3个字段，即NUM、M和SZX，其中NUM的长度可以是4bit或12bit或20bit，是当前块在所属载荷分割出的多个块中的序列号；M占1bit，1表示还有后续块，0表示本块是最后一个；SZX占3bit，是当前块尺寸的指数，2^(SZX+4)就是当前块的字节数。为了便于讲解，后面的例子中会将块选项写成4个部分，即“块选项类型:NUM/M/2**(SZX+4)”，例如：2:2/0/32表示一个Block2块选项，块序号为2、没有后续块、当前块的长度是32字节；1:3/1/128表示一个Block1块选项，块序号为3，还有后续块，当前块的长度是128字节。

1.2 教学案例

RFC 7959的第3节给出4类案例，每类案例中包含若干具体案例，见表1。这些案例涵盖了块级GET、块级PUT/POST的消息交换过程，其中块级PUT与块级POST的消息交换过程是一样的，它们的区别在于对原子性和幂等性上的要求不一样。这些案例演示了基本的块级转发流程、存在重传的块级转发流程，存在块尺寸协商的块级转发流程。

表1 CoAP块级传输案例

1.2.1 简单块级GET案例

如图1，该案例给出一个GET请求被分解为三次请求/应答对，客户端在第一次向服务端发起CoAP GET消息时，并不知道服务端将要返回的载荷大小。服务端在第一次应答中建议的块尺寸是128字节，并且M标志位为1，说明还有后续的块。于是客户端继续向服务端发送GET请求，直到接收到的来自服务端的第3个应答时，由于M标志位为0，说明整个载荷接收完毕。本案例中由于来自服务端的载荷被分割成3个块，所以块选项类型是Block2，3个块的NUM依次为0、1、2，每个块的尺寸都是128字节，而实际情况中，第3个块的长度只需满足不小于1个字节、且不大于128字节。

图1 简单块级GET的消息交换过程

1.2.2 存在CON消息丢失的后期协商块级GET案例

如图2，教学设计中利用该案例阐述了CoAP块级传输中的两个要素，一个是块尺寸的后期协商，另一个是重传机制。案例中CoAP消息过程包含5个请求/应答对，这可以通过MID的值或块选项字段NUM看出。MID是CoAP首部中的消息标示符，该例中MID从1234到1238共5个；同样，NUM字段在5次请求/应答对中分别是0、2、3、4、5共5个，而没有1，这正是后期协商造成的。

图2 存在CON消息丢失的后期协商块级GET的消息交换过程

客户端和服务端可以在消息交换中的多次修改块尺寸，提供类似TCP的拥塞控制功能[9]。在教学设计中，首先要讲解什么是早期协商，即在第一次请求/应答对的请求消息中，如果块选项的SZX被设置了值，那这个值就是客户端期望服务端在后续应答时设置的块尺寸指数，反之则说明客户端没有进行早期协商。第一次请求/应答对中的应答消息到达客户端后，客户端对服务端设置的块尺寸128字节并不满意，因此在第二次的请求/应答对的请求消息将块尺寸设置为64字节。由于第一次应答，服务端已经返回了128字节，而这时客户端设置的块尺寸为64字节，因此相当于之前已经发送了两个64字节的块，第二次应答消息中的块相当于是第3个64字节了，这就是为什么转发过程中没有出现NUM为1的情况。

其次，在这个案例中，还需要对CoAP的重传机制作讲解。CoAP请求/应答对的可靠性是通过设置请求消息中的Type字段为“需确认”、即CON，客户端会通过计时器判断在规定时间内是否收到与请求消息MID相同的应答消息，否则会重新发送同样的请求消息。该案例中模拟了第二次请求/应答对的请求消息丢失的情况，若是应答消息丢失则仍由客户端重新发送请求，服务端并不设置超时机制。

1.2.3 原子性块级POST/块级应答组合案例

如图3，教学设计中利用该案例阐述了CoAP块级传输中的两个要素，一个是原子性块级传输，另一个是Block1和Block2块选项的组合。整个CoAP消息过程包含6个请求/应答对，即该例中MID从1234到1239；过程的前半部分是客户端通过Block1块选项把发送给服务端的数据分成了3个块依次传输，过程的后半部分是服务端通过Block2块选项把返回给客户端的结果分成了4个块依次传输。由于在第3次请求/应答对中通过双工的方式同时完成了最后一个Block1块和第一个Block2块，所以双方交换7个块通过6次请求/应答对便完成了。

图3 原子性块级POST/块级应答组合的消息交换过程

在教学设计中，首先要讲解原子性块级传输的机制，与之相对的是无状态块级传输。它们的区别在于在服务端通过应答消息的M字段，以表示块级传输过程中的所有请求/应答对构成一个原子性操作，还是说每个请求/应答对构成独立的操作。从本案例块级传输的每一次应答消息可以看到，除了最后一次应答消息，之前应答消息的M字段均为1，说明服务端预期来自客户端更多的请求消息，直到最后一次应答消息M字段为0，表示服务端认为之前接收到的所有请求/应答对成了一次原子性的块级传输过程。而在无状态块级传输中，即使客户端发送的请求消息中通过M字段置1、以告知服务端本次请求/应答对后还有更多的请求/应答对，但服务端每次向客户端发送的应答消息的M字段都为0，以表示服务端可以独立处理这些被分割的块，每一个请求/应答对是独立的。

其次，在这个案例中，还需要对CoAP的Block1和Block2块选项组合机制作讲解。整个块级传输过程共包含6次请求/应答对，其中第3次请求/应答对的应答消息中同时包含了Block1和Block2块选项。这是因为客户端通过前三次请求将输入数据提交给了服务端，而服务端则在第三次应答中通过Block1块选项M字段为0表示数据接收完成、同时还通过Block2块选项开始向客户端返回结果，直到第6次应答通过Block2块选项M字段置0告知客户端结果返回完毕。

2 CoAP实验设计

本实验设计使用Eclipse开源项目Californium[10]作为CoAP的实验环境。Californium是一个面向后台服务和强劲IoT设备的CoAP框架，其为RESTful Web服务提供的API支持CoAP的所有特性。实验设计在Californium中将每个案例编写成JUnit测试单元来验证，文献[11]就如何将JUnit应用到课程教学中做了探讨。

2.1 案例的测试框架设计

由于每一个CoAP案例的测试设计都包含通用模块和独立模块，因此在设计上利用JUnit4的标注机制。如图4所示，用@BeforeClass定义CoAP网络参数初始化函数init( )，用@Before定义CoAP客户端实例和服务端实例的创建函数setupEndpoints( )，用@After定义CoAP客户端实例和服务端实例的销毁函数shutdownEndpoints( )，用@Test分别定义三个块级传输过程函数testGET()、testGETLateNegotionalLostACK()、testAtomicBlo ckwisePOSTWithBlockwiseResponse()。

图4 实验测试流程

2.2 测试的通用模块设计

锁步（Lockstep）也称为时钟同步，是一种容错技术[12]。为了能够重现教学案例中的场景，我们将服务端运行在正常模式，而将客户端运行在锁步模式，即客户端每次发送和等待接收，都是通过明确的命令来控制。因此，首先定义测试用例的静态初始化函数init( )，在其中为CoAP服务端定义运行时的网络参数：

接着就需要定义每次Test实例的初始化函数setupEndpoints( )，其中需要创建并启动运行在正常模式的CoAP服务端实例，以及运行在锁步模式的CoAP客户端实例：

最后定义每次Test实例运行完毕时执行的销毁函数shutdownEndpoints( )：

2.3 测试的独立模块设计

教学设计中的3个案例，可以通过CoAP客户端的锁步模式完成相应的块级传输流程。其中，客户端client通过函数sendRequest完成请求消息的发送、通过函数expectResponse确认应答消息的接收。以案例3为例，为了完成图3中的块级传输流程，先通过函数generateRandomPayload为CoAP两端生成指定长度的随机载荷；另外，CoAP客户端需要指定token作为区分并发请求消息的标识符，以及path作为POST请求创建资源的路径。

案例3中的6次请求/应答对，每一次请求/应答对在CoAP客户端锁步模式下、通过执行一对sendRequest和expectResponse函数来完成测试。

2.4 测试结果

将通用模块和案例3独立模块的组合作为JUnit单元测试，图5中的运行结果正确验证了案例3在教学设计上的块级传输流程。

图5 案例3的JUnit单元测试结果

3 结 语

该设计方法可以被用到M2M课程其他知识点，或者其他课程的教学和实验设计当中去，特别是目前一些涉及新技术的物联网专业课程，在实际的教学过程中让学生掌握先进技术的原理和开发方法，以提高他们的专业素质和能力。

[1] Shelby K S, Hartke C B.The Constrained Application Protocol (CoAP), IETF RFC 7252, June 2014[EB/OL]. [2017-06-16].https://tools.ietf.org/pdf/rfc7252.pdf.

[2] Levä T, Mazhelis O, Suomi H. Comparing the cost-efficiency of CoAP and HTTP in Web of Things applications[J]. Decision Support Systems, 2014, 63(3): 23-38.

[3] 王盛邦, 田海博. RFC在网络协议教学中的应用[J]. 现代计算机(专业版), 2013(23): 35-39.

[4] 张晓明, 杜天苍, 秦彩云. 计算机网络编程课程的教学改革与实践[J]. 实验技术与管理, 2010(2): 4-7.

[5] 胡静, 赵雷, 罗宜元, 等. 网络工程专业的网络编程课程教学与改革[J]. 计算机教育, 2014(18): 35-38.

[6] 戚平, 石乐义. 原始套接字编程在网络实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2012(7): 325-327.

[7] 吴杰, 梁妍. 基于实验案例分解和重构的Android网络编程教学改革探索[J]. 信息技术与信息化, 2016(5): 103-110.

[8] Borman C. Shelby Z.Block-Wise Transfers in the Constrained Application Protocol (CoAP), IETF RFC 7959, August 2016[EB/OL].[2017-06-16]. https://tools.ietf.org/pdf/rfc7959.pdf.

[9] Castellani A P, Rossi M, Zorzi M. Back pressure congestion control for CoAP/6LoWPAN networks[J]. Ad Hoc Networks, 2014,18(1):71-84.

[10] Kovatsch M, Lanter M, Shelby Z. Californium: Scalable cloud services for the Internet of Things with CoAP[C]// Internet of Things. IEEE, 2014: 1-6.

[11] 朱冬玲. JUnit在软件测试课程教学中的应用[J]. 福建电脑, 2013(10): 56-57.

[12] 付爱英,周晶晶. 基于Lockstep的容错技术的研究[J]. 科技广场, 2012(7): 70-73.

1672-5913(2017)11-0150-05

G642

江苏科技大学2016高教研究立项课题（GJKTY201625）；江苏省教育科学“十二五”规划2015年度立项课题（D/2015/01/78）；江苏科技大学2015年学校重点教改课题“计算机类专业通用课程优质教学资源建设的研究与实践”。

张笑非，男，讲师，研究方向为通信技术研究与教学工作，julychang@just.edu.cn。

（编辑：郭田珍）