Práctica 7. El protocolo CoAP

Objetivos

El objetivo de esta práctica es realizar una introducción al protocolo CoAP, uno de los más extendidos a día de hoy para llevar a cabo comunicaciones M2M. Los objetivos didácticos de la práctica son:

  • Entender la estructura cliente-servidor del protocolo CoAP.
  • Comprender los mensajes utilizados para establecer una comunicación CoAP, tanto a nivel de sintaxis como de semántica.
  • Modificar una aplicación cliente/servidor ejemplo basada en libcoap que realice una comunicación sencilla a través del protocolo CoAP en un entorno Linux.
  • Estudiar el componente libcoap en ESP-IDF para reproducir el comportamiento del servidor CoAP para ofrecer su fucionalidad desde un ESP32.

Instalación y requisitos previos

En esta práctica realizaremos un estudio del protocolo CoAP utilizando una implementación ya desarrollada para un sistema cliente/servidor que hace uso del protocolo CoAP, distribuida a través de la biblioteca libcoap. Nótese que se trata de una práctica introductoria, ya que el protocolo CoAP se utilizará, en sucesivas prácticas, para dar soporte a protocolos de más alto nivel (principalmente LWM2M).

El objetivo principal de la práctica es, pues, introducir a alto nivel las características de CoAP como protocolo de capa de aplicación, así como ser capaces de interactuar con un servidor existente a través de herramientas ya desarrolladas. De forma adicional, se estudiará la posibilidad de implementar un servidor CoAP en el ESP32.

Instalación de requisitos adicionales y libcoap

En primer lugar, instalemos los prerequisitos necesarios para hacer funcionar libcoap. Para ello, en la máquina virtual, ejecutaremos las siguientes órdenes:

sudo apt update
sudo apt install pkg-config libssl-dev libtool

Procedemos ahora con la instalación de `libcoap. Para ello, descarga la última versión de la biblioteca desde la página web del proyecto, descomprímelo y pasa a la fase de compilación e instalación:

sh autogen.sh
./configure --enable-examples --enable-dtls --with-openssl --disable-documentation
make
make install

Si no hay ningún error, libcoap se habrá instalado con éxito. Será de especial interés para nosotros la instalación de programas servidor (coap-server) y cliente (coap-client) de ejemplo en el directorio examples.

Tarea 7.1

Ejecuta los programas servidor y cliente CoAP del directorio examples. Estudia sus opciones y parámetros de configuración. ¿En qué puertos y bajo qué protocolos escucha el servidor CoAP tras su arranque?

Intercambio de mensajes CoAP

Tarea entregable

En la presente sección se proponen distintos intercambios de mensajes CoAP entre el cliente y el servidor de ejemplo proporcionados como parte de la instalación de libcoap. Para cada uno de ellos, se pide un estudio básico de los paquetes intercambiados, haciendo especial hincapié en la pila de protocolos utilizados, contenido de los paquetes y número de paquetes intercambiados. Este estudio, incluyendo capturas y comentarios adicionales, conformará el entregable asociado a la práctica.

Arranque del servidor CoAP

En primer lugar, realizaremos un intercambio básico de mensajes CoAP entre el cliente y el servidor. Para ello, abriremos dos terminales desde las que ejecutaremos, respectivamente, el servidor y el cliente.

Tarea 7.2

Investiga las opciones disponibles en el cliente y servidor con respecto a la cantidad de mensajes de depuración a mostrar. Ejecuta el servidor CoAP con suficiente nivel de detalle en los mensajes de depuración.

Una vez arrancado el servidor, ejecuta la orden correspondiente desde línea de órdenes para averiguar qué puertos ha abierto, y por tanto cómo nos podemos comunicar con él. Averigua si estos puertos son bien conocidos well-known (valor menor a 1024) y, en su caso, cómo pueden modificarse.

Obtención de información del servidor (Resource Discovery)

En primer lugar, obtendremos la información sobre los recursos disponibles en el servidor CoAP. Para ello, realizaremos una petición GET sobre el recurso /.well-known/core del servidor. Esta transacción nos devolverá los recursos disponibles en el mismo, así como algunas características adicionales.

Tarea 7.3

¿Qué recursos están disponibles en el servidor? Estudia el código fuente del mismo para observar la correlación entre los recursos descubiertos y los programados en el código. Averigua el significado de los atributos rt, ct, if y *title.

Obtención de información desde recursos

Utilizando el cliente CoAP proporcionado, resulta sencillo realizar consultas para obtener datos desde el servidor. Para ello, utilizaremos el método GET, seguido del recurso a consultar y, opcionalmente, de una consulta concreta.

Tarea 7.4

Consulta la marca de tiempo proporcionada por el servidor en modo legible (por ejemplo, Dec 13 14:20:43), y también en forma de ticks de reloj, utilizando la consulta adecuada. ¿Qué valor de retorno (código) incluye la respuesta CoAP si el proceso ha tenido éxito?

Modificación de recursos

Al igual que con el método GET, es posible realizar modificaciones en el servidor utilizando el método PUT. Consulta la ayuda del cliente proporcionado para observar algún ejemplo que dé soporte a esta funcionalidad.

Tarea 7.5

Modifica la marca de tiempo que proporciona el servidor CoAP. ¿Qué valor de retorno (código) incluye la respuesta CoAP si el proceso ha tenido éxito?

Eliminación y creación de recursos

Es posible eliminar un determinado recurso (en el ejemplo, el temporizador), utilizando el método DELETE. Investiga cómo hacerlo desde el cliente proporcionado.

Tarea 7.6

Elimina el recurso time del servidor y, a continuación, modifica la marca de tiempo mediante una orden PUT}. ¿Qué valores de retorno (código) se devuelven en ambos casos?}

Suscripción (observación) de recursos

Es posible suscribirse a los cambios en el valor de un recurso utilizando la opción -s del cliente.

Tarea 7.7

Activa la observación sobre el recurso time del servidor y analiza tanto la frecuencia de respuesta como el intercambio de mensajes producido (a través de Wireshark). ¿Se producen peticiones periódicas usando GET?

CoAP sobre TCP

Alternativamente, CoAP puede funcionar utilizando el protocolo de capa de transporte TCP. En este caso, como es lógico, se establecerá una conexión entre cliente y servidor previa a cualquier intercambio de datos.

Tarea 7.8

Fuerza el uso de TCP en el cliente mediante la opción correspondiente y estudia las principales diferencias entre los mensajes intercambiados con respecto al uso de UDP. ¿Cuál es la eficiencia al utilizar UDP y TCP como protocolos de transporte para CoAP?

Tarea 7.9

Fuerza el uso de TCP en el cliente mediante la opción correspondiente y estudia las principales diferencias entre los mensajes intercambiados con respecto al uso de UDP. ¿Cuál es la eficiencia al utilizar UDP y TCP como protocolos de transporte para CoAP?

CoAP con Thingsboard

Como se mencionó en la práctica anterior, Thingsboard permite por defecto la comunicación mediante CoAP con los dispositivos.

Suponiendo una instancia local de Thingsboard es fácil comprobar la conectividad mediante CoAP empleando el siguiente comando, dónde , como es obvio, se debe sustituir por el del dispositivo:

coap-client -v 6 -m POST -t json -e "{temperature:15}" coap://127.0.0.1:5683/api/v1/<TOKEN>/telemetry

Tarea 7.10 (opcional)

Crea un nuevo dispositvo en la instancia local de Thingsboad y comprueba su conectividad. Analiza mediante Wireshark la comunicación.

Tareas entregables

Tarea entregable

Deberás entregar una memoria en la que se incida en detalles observados y aprendidos acerca del protocolo CoAP, con especial atención a las capturas obtenidas a través de Wireshark.

Tarea entregable

Estudia el código del servidor proporcionado, especialmente de la función init_resources, y añade un nuevo recurso llamado temperature. Este recurso aceptará dos consultas distintas: ?celsius (consulta por defecto) devolverá el valor de temperatura expresado en grados centígrados, mientras que ?fahrenheit devolverá la temperatura en grados Fahrenheit. En este caso, el valor de temperatura se obtendrá directamente a través de un número aleatorio, pero se valorará su obtención a partir de un sensor real.

Tarea entregable

ESP-IDF incluye un port de libcoap como componente del ESP Registry (espressif/coap). El ejemplo coap_server implementa un servidor CoAP básico, con un sólo recurso (puedes consultarlo tú mismo/a obteniendo la información del recurso /well-known/core). Analiza el código y observa que la biblioteca libcoap se utiliza de forma exacta a como has estudiado en el código del servidor de ejemplo. Se pide modificar el firmware para dar soporte al recurso time de forma idéntica (con la misma semántica) que la utilizada en el host.