Optimisation de la connectivité IoT via CoAP : solutions évolutives pour une efficacité maximale

L'internet des objets (IdO) connaît une expansion rapide, connectant tout, des réfrigérateurs aux usines. Mais ce monde interconnecté s'accompagne d'un nouveau problème : comment assurer une communication efficace entre ces appareils ? C'est là qu'interviennent les protocoles de communication, qui constituent le langage permettant aux appareils de communiquer entre eux. L'un de ces protocoles est CoAP, qui offre une solution légère pour les appareils IoT dont les ressources sont limitées.

Nagarro a fourni des solutions de communication CoAP très performantes qui répondent aux exigences strictes des applications IoT modernes. Cet article présente une vue d'ensemble du CoAP et de la solution middleware de Nagarro - CoAPConnect, conçue pour faciliter l'intégration transparente du CoAP dans les applications nouvelles et existantes.

CoAP et autres protocoles IoT

Prenons l'exemple d'une maison intelligente avec des douzaines de thermostats qui surveillent en permanence la température des pièces. Les protocoles traditionnels tels que HTTP posent problème en raison des en-têtes encombrants et des connexions TCP qui épuisent la durée de vie de la batterie. MQTT offre une livraison fiable mais augmente la complexité et la consommation d'énergie. CoAP sort vainqueur. Conçu pour les appareils soumis à des contraintes, il réduit considérablement la taille des données et la consommation de ressources.

Par exemple, les en-têtes simplifiés de CoAP permettent aux thermostats de transmettre des données avec seulement 144 mAh/jour, contre 576 mAh pour HTTP. L'impact de CoAP va au-delà des appareils individuels. Imaginez un hub central contrôlant ces thermostats. Grâce à la latence réduite de CoAP (20-50 ms contre 50-100 ms pour MQTT et 100-200 ms pour HTTP) et à l'empreinte mémoire réduite (1-3 Mo contre 3-5 Mo pour MQTT et 5-10 Mo pour HTTP), le hub peut recevoir des données en temps réel et ajuster les paramètres de manière efficace, créant ainsi un avenir meilleur et plus respectueux de l'énergie.
Ce concept s'applique à divers domaines, tels que l'agriculture, les appareils portables et l'automatisation industrielle, où une communication efficace avec des appareils aux ressources limitées est cruciale.

Comment fonctionne CoAP ?

CoAP fonctionne sur la base d'une danse client-serveur rationalisée pour une communication efficace dans le monde à ressources limitées de l'IoT. Voici l'essentiel de l'échange :

• Le client prend l'initiative : Un appareil aux ressources limitées (client) envoie une requête CoAP spécifiant l'opération souhaitée (GET, PUT, etc.) et la source de données (identifiant de la ressource).
• Livraison UDP : CoAP utilise UDP pour le transport des messages, en donnant la priorité à la vitesse plutôt qu'à la garantie de livraison pour réduire les frais généraux.
• Types de messages : Le protocole CoAP offre une grande souplesse en ce qui concerne les types de messages. Les messages confirmables privilégient la fiabilité avec les retransmissions, tandis que les messages non confirmables privilégient la vitesse pour les scénarios en temps réel.
• Traitement par le serveur : Après avoir reçu la demande, le serveur la traite en fonction de l'opération et de l'identifiant de la ressource.
• Réponse du serveur : Le serveur génère une réponse CoAP contenant un code d'état (succès/échec) et potentiellement des données ou un message d'erreur.
• Livraison de la réponse : Le serveur envoie la réponse contenant les messages au client, achevant ainsi le cycle de communication.

Cet échange efficace permet à CoAP d'exceller dans les applications IoT où la bande passante et la puissance de traitement sont limitées.

Présentation de "CoAPConnect

L'intégration de CoAP dans les applications est généralement mise en œuvre à l'aide d'une bibliothèque d'adaptation CoAP. Toutefois, cette approche pose des problèmes de gestion des ressources, tout en limitant la flexibilité et la tolérance aux pannes. Nagarro a développé un service intermédiaire, "CoAPConnect", pour les systèmes basés sur Linux, conçu pour s'intégrer de manière transparente au système d'exploitation par le biais de recettes Yocto ou de définitions de paquets Buildroot. Démarrant automatiquement au démarrage du système, le service permet aux applications de créer, configurer et gérer facilement des clients et des serveurs CoAP par l'intermédiaire de D-Bus, un mécanisme IPC largement utilisé sous Linux.

Cette conception fait abstraction de la complexité de CoAP, ce qui permet aux développeurs de se concentrer sur la logique de l'application sans se soucier des subtilités du protocole ou de la gestion de la mémoire.

L'architecture

Sans CoAPConnect

L'intégration de CoAP dans une application Linux implique généralement l'incorporation d'une bibliothèque CoAP dans l'application elle-même.

Bien que cette approche offre une certaine flexibilité et un contrôle direct sur le protocole, elle s'accompagne de défis importants.

Complexité du protocole :

• Les applications nécessitent un traitement direct des subtilités du protocole de bas niveau, telles que la gestion des messages, les retransmissions et les contraintes de ressources.
• Cela augmente l'effort de développement et la probabilité d'apparition de bogues.

Surcharge des ressources :

• L'empreinte de la bibliothèque peut imposer des exigences importantes en matière de mémoire et d'unité centrale sur les systèmes à ressources limitées.
• Ces exigences augmentent au fur et à mesure que des applications utilisent des instances distinctes de la bibliothèque CoAP.

Inefficacité dans les scénarios multi-applications :

• Lorsque plusieurs applications requièrent la fonctionnalité CoAP, chacune doit inclure sa propre instance de la bibliothèque.
• Cette duplication entraîne une utilisation redondante de la mémoire et de l'unité centrale, ainsi qu'une utilisation accrue du réseau.
• L'utilisation des ressources augmente linéairement avec le nombre d'applications, ce qui peut entraîner une saturation de l'appareil.

Complexité de la maintenance :

• Les mises à jour de la bibliothèque doivent être appliquées à chaque application individuellement, ce qui complique le processus de mise à jour.
• Les différences de version entre les applications peuvent entraîner un comportement incohérent et une instabilité du système.
  
  

Avec CoAPConnect

L'utilisation d'un service centralisé pour CoAP offre une alternative robuste à l'intégration de bibliothèques CoAP dans chaque application.

CoAPConnect de Nagarro rationalise le développement, optimise l'utilisation des ressources et offre aux applications la flexibilité de configurer leur rôle en tant que client, serveur ou les deux, en fonction de leurs besoins spécifiques.

Les points suivants mettent en évidence les principales caractéristiques et les avantages techniques de CoAPConnect :

Gestion simplifiée du protocole :

• CoAPConnect fait abstraction des détails du protocole CoAP de bas niveau, tels que le traitement des messages, les retransmissions et la gestion des ressources.
• Cela réduit la complexité pour les applications individuelles, leur permettant de se concentrer uniquement sur leur fonctionnalité principale plutôt que sur la gestion des tâches spécifiques au protocole.

Utilisation efficace des ressources :

• CoAPConnect gère toutes les opérations du protocole, ce qui élimine le besoin d'instances de bibliothèques redondantes entre plusieurs applications.
• Cela minimise l'utilisation de la mémoire, de l'unité centrale et du réseau, ce qui en fait la solution idéale pour les appareils dont les ressources sont limitées.

Une configuration plus facile :

• CoAPConnect nécessite une configuration minimale pour établir une connexion CoAP.
• Les applications peuvent créer dynamiquement plusieurs sessions et publier de nouvelles ressources en fonction des besoins.
• CoAPConnect permet à chaque session de choisir une communication sécurisée ou non sécurisée.

Prise en charge du double rôle et du P2P :

• CoAPConnect prend en charge les rôles de client et de serveur, ce qui permet aux applications de fonctionner dans l'une ou l'autre capacité, selon les besoins.
• En mode Peer-to-Peer (P2P), chaque application fonctionne à la fois comme client et comme serveur, ce qui permet une communication directe entre les appareils sans intermédiaire.

Communication sécurisée :

• CoAPConnect utilise OSCAR (Open Security for CoAP and REST) pour assurer une communication sécurisée et cryptée entre les clients et les serveurs CoAP.
• CoAPConnect s'appuie sur les mécanismes d'authentification d'OSCAR pour garantir que seuls les appareils autorisés peuvent interagir avec le système, ce qui permet d'éviter les accès non autorisés.
• Grâce aux contrôles d'intégrité des données d'OSCAR, CoAPConnect garantit l'authenticité des messages transmis, assurant ainsi une communication fiable et infalsifiable.

Évolutivité :

• L'ajout de nouvelles applications n'augmente pas de manière significative les demandes de ressources, car toutes les applications partagent la même instance du service CoAPConnect.
• L'architecture prend en charge des scénarios multi-applications sans que l'utilisation des ressources n'évolue de manière linéaire.

Facilité de maintenance et de gestion des pannes :

• Les mises à jour et les corrections de bogues sont appliquées au service, ce qui garantit un comportement cohérent dans toutes les applications.
• Cela réduit la complexité de la maintenance et de la mise à niveau de la fonctionnalité CoAP dans plusieurs applications.
• Contrairement à une bibliothèque, une défaillance critique du service ne perturbera pas le fonctionnement de l'ensemble de l'application.

Flux de travail CoAPConnect

Initialisation et démarrage

Lors du démarrage du système, CoAPConnect est initialisé et s'enregistre automatiquement sur le D-Bus, qui sert de bus de communication pour la communication inter-processus. Cela permet à CoAPConnect d'être immédiatement accessible par les applications au démarrage, fournissant un environnement prêt à l'emploi pour les opérations CoAP sans configuration réseau supplémentaire.

Interaction via D-Bus

Les applications interagissent avec CoAPConnect en envoyant des commandes de haut niveau par le biais de messages D-Bus. Ces messages comprennent généralement des instructions pour créer des clients ou des serveurs CoAP, configurer des ressources, envoyer des requêtes CoAP et traiter les réponses reçues. CoAPConnect traite ces demandes D-Bus en utilisant des mécanismes internes pour traduire les commandes en opérations spécifiques à CoAP, telles que le formatage des messages, le routage et le traitement des réponses.

Gestion du réseau

CoAPConnect est responsable de toutes les opérations au niveau du réseau, y compris la gestion des sockets. Il utilise le protocole UDP (puisque CoAP est basé sur UDP) pour ouvrir et configurer les sockets nécessaires à la communication. CoAPConnect lie les sockets à des ports et des adresses IP spécifiques, en gérant les états des sockets et en s'assurant qu'ils restent ouverts pour une communication continue. S'il est configuré avant le début de la communication, OSCAR facilite un échange de clés sécurisé entre les entités communicantes (client et serveur) en utilisant la cryptographie asymétrique ou des clés pré-partagées. Cette clé est utilisée pour chiffrer et déchiffrer les messages.

Encapsulation du protocole

CoAPConnect encapsule les messages CoAP dans des paquets UDP, conformément à la spécification du protocole CoAP. Il prend en charge la construction des messages, y compris la gestion des en-têtes (par exemple, le code CoAP, le jeton, l'identifiant du message et les options), et assure une segmentation correcte pour les charges utiles volumineuses. Pour des raisons de fiabilité, CoAPConnect gère également la retransmission des messages qui n'ont pas reçu d'accusé de réception dans un délai défini, en gérant les temporisateurs de retransmission et en gardant une trace de l'état des messages. Lorsqu'il est configuré, CoAPConnect crypte les données sortantes tout en authentifiant et en décryptant les données entrantes.

Gestion des sessions et des ressources

CoAPConnect assure la gestion des sessions pour les clients et les serveurs CoAP. Il suit l'état de chaque session CoAP, y compris la création, la maintenance et la fin de la session. Pour la gestion des ressources, CoAPConnect maintient un registre interne des ressources disponibles côté serveur, en associant chaque ressource à son URI. CoAPConnect traite les demandes CoAP entrantes, vérifie le registre des ressources et traite les réponses en temps réel. Il gère également les relations d'observation, les délais d'attente et d'autres attributs liés à la session, en veillant à ce que les ressources soient disponibles pour les interactions des clients en cas de besoin.

Traitement des erreurs et retransmission :

CoAPConnect détecte les erreurs de communication et gère automatiquement les retransmissions. Il s'appuie sur un mécanisme fiable de livraison de messages utilisant les messages confirmables (CON) de CoAP pour les transactions qui nécessitent un accusé de réception. Si un message CoAP ne reçoit pas de réponse dans un délai défini, CoAPConnect déclenche une retransmission. En outre, il gère les scénarios d'erreur tels que les messages malformés, les conditions de dépassement de délai et les points d'extrémité inaccessibles, ce qui garantit la robustesse du système, même dans les environnements de réseau peu fiables. CoAPConnect utilise des stratégies de backoff exponentiel pour les tentatives de retransmission et suit les tentatives de retransmission afin d'éviter les tentatives excessives ou l'inondation de paquets.

Conclusion

CoAP s'impose comme un choix convaincant pour la communication dans les environnements IoT à ressources limitées. Sa conception légère, sa messagerie asynchrone, sa découverte intégrée et sa prise en charge de la multidiffusion en font un outil idéal pour les appareils alimentés par batterie et les réseaux dynamiques. En outre, l'adhésion de CoAP à l'architecture RESTful permet une intégration transparente avec les connaissances existantes des méthodes HTTP, ce qui améliore l'efficacité des développeurs.
En faisant abstraction de la complexité des protocoles et en centralisant la gestion des ressources, CoAPConnect de Nagarro réduit de manière significative le temps et le coût de développement des produits, offrant ainsi un avantage concurrentiel. Contactez embedded@nagarro.com pour interagir avec nos experts en CoAP, IoT et sécurité et construire des dispositifs IoT intelligents et sécurisés.