本文以Java代码为示例,介绍基于CoAP协议的设备接入物联网平台。

背景信息

CoAP协议适用于资源受限的低功耗设备,尤其是NB-IoT的设备。配置设备通过CoAP协议与物联网平台连接并通信的说明,请参见CoAP连接通信

重要 目前仅华东2(上海)、华北2(北京)、华南1(深圳)地域支持设备通过CoAP通道接入物联网平台。

配置设备通过CoAP协议接入物联网平台时,需要填写相应的参数,计算设备端签名,步骤较为复杂。为了便于您理解相关配置,本文提供基于Californium框架的接入示例代码。本示例中,为保证数据安全,使用对称加密。

若需使用C语言开发CoAP协议的设备接入物联网平台,请参见C Link SDK的CoAP接入示例

准备开发环境

本文使用Java开发环境如下:

操作步骤

  1. 打开IntelliJ IDEA,创建一个Maven工程。例如IotCoap-demo
  2. 在工程中的pom.xml文件中,添加以下依赖,然后单击Load Maven Changes图标,完成依赖包下载,引入Californium开源框架、Apache commons工具包和阿里云fastjson包。
    <dependency>
      <groupId>org.eclipse.californium</groupId>
      <artifactId>californium-core</artifactId>
      <version>2.0.0-M17</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>org.apache.commons</groupId>
      <artifactId>commons-lang3</artifactId>
      <version>3.5</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>commons-codec</groupId>
      <artifactId>commons-codec</artifactId>
      <version>1.13</version>
    </dependency>
    <dependency>
      <groupId>com.alibaba</groupId>
      <artifactId>fastjson</artifactId>
      <version>1.2.83</version>
    </dependency>
  3. 在工程IotCoap-demo的路径/src/main/java下,创建Java类,输入代码。例如IotCoapClientWithAes.java,代码内容如下。
    /*   
     * Copyright 2019 Alibaba. All rights reserved.
     */
    import java.io.IOException;
    import java.nio.charset.StandardCharsets;
    import java.security.MessageDigest;
    import java.security.NoSuchAlgorithmException;
    import java.util.Set;
    import java.util.SortedMap;
    import java.util.TreeMap;
    
    import javax.crypto.Cipher;
    import javax.crypto.Mac;
    import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
    import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
    
    import org.apache.commons.codec.DecoderException;
    import org.apache.commons.codec.binary.Hex;
    import org.apache.commons.lang3.RandomUtils;
    import org.eclipse.californium.core.CoapClient;
    import org.eclipse.californium.core.CoapResponse;
    import org.eclipse.californium.core.Utils;
    import org.eclipse.californium.core.coap.CoAP;
    import org.eclipse.californium.core.coap.CoAP.Code;
    import org.eclipse.californium.core.coap.CoAP.Type;
    import org.eclipse.californium.core.coap.MediaTypeRegistry;
    import org.eclipse.californium.core.coap.Option;
    import org.eclipse.californium.core.coap.OptionNumberRegistry;
    import org.eclipse.californium.core.coap.OptionSet;
    import org.eclipse.californium.core.coap.Request;
    import org.eclipse.californium.elements.exception.ConnectorException;
    
    import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
    
    /**
     * CoAP客户端连接阿里云物联网平台,基于eclipse californium开发。
     * 自主接入开发流程及参数填写,请参见《CoAP连接通信》的使用对称加密自主接入章节。
     */
    public class IotCoapClientWithAes {
    
        // ===================需要用户填写的参数,开始。===========================
        // 地域ID,以华东2(上海)为例。
        private static String regionId = "cn-shanghai";
        // 产品productKey。
        private static String productKey = "您的设备productKey";
        // 设备名称deviceName。
        private static String deviceName = "您的设备deviceName";
        // 设备密钥deviceSecret。
        private static String deviceSecret = "您的设备deviceSecret";
        // ===================需要用户填写的参数,结束。===========================
    
        // 定义加密方式,MAC算法可选以下算法:HmacMD5、HmacSHA1,需与signmethod一致。
        private static final String HMAC_ALGORITHM = "hmacsha1";
    
        // CoAP接入地址,对称加密端口号是5682。
        private static String serverURI = "coap://" + productKey + ".coap." + regionId + ".link.aliyuncs.com:5682";
    
        // 发送消息用的Topic。需要在控制台自定义Topic,设备操作权限需选择为“发布”。
        private static String updateTopic = "/" + productKey + "/" + deviceName + "/user/update";
    
        // token option
        private static final int COAP2_OPTION_TOKEN = 2088;
        // seq option
        private static final int COAP2_OPTION_SEQ = 2089;
    
        // 加密算法sha256。
        private static final String SHA_256 = "SHA-256";
    
        private static final int DIGITAL_16 = 16;
        private static final int DIGITAL_48 = 48;
    
        // CoAP客户端。
        private CoapClient coapClient = new CoapClient();
    
        // token有效期7天,失效后需要重新获取。
        private String token = null;
        private String random = null;
        @SuppressWarnings("unused")
        private long seqOffset = 0;
    
        /**
         * 初始化CoAP客户端。
         * 
         * @param productKey,产品key。
         * @param deviceName,设备名称。
         * @param deviceSecret ,设备密钥。
         */
        public void connect(String productKey, String deviceName, String deviceSecret) {
            try {
                // 认证uri,/auth。
                String uri = serverURI + "/auth";
    
                // 只支持POST方法。
                Request request = new Request(Code.POST, Type.CON);
    
                // 设置option。
                OptionSet optionSet = new OptionSet();
                optionSet.addOption(new Option(OptionNumberRegistry.CONTENT_FORMAT, MediaTypeRegistry.APPLICATION_JSON));
                optionSet.addOption(new Option(OptionNumberRegistry.ACCEPT, MediaTypeRegistry.APPLICATION_JSON));
                request.setOptions(optionSet);
    
                // 设置认证uri。
                request.setURI(uri);
    
                // 设置认证请求payload。
                request.setPayload(authBody(productKey, deviceName, deviceSecret));
    
                // 发送认证请求。
                CoapResponse response = coapClient.advanced(request);
                System.out.println(Utils.prettyPrint(response));
                System.out.println();
    
                // 解析请求响应。
                JSONObject json = JSONObject.parseObject(response.getResponseText());
                token = json.getString("token");
                random = json.getString("random");
                seqOffset = json.getLongValue("seqOffset");
            } catch (ConnectorException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        /**
         * 发送消息。
         * 
         * @param topic,发送消息的Topic。
         * @param payload,消息内容。
         */
        public void publish(String topic, byte[] payload) {
            try {
                // 消息发布uri,/topic/${topic}。
                String uri = serverURI + "/topic" + topic;
    
                // AES加密seq,seq=RandomUtils.nextInt()。
                String shaKey = encod(deviceSecret + "," + random);
                byte[] keys = Hex.decodeHex(shaKey.substring(DIGITAL_16, DIGITAL_48));
                byte[] seqBytes = encrypt(String.valueOf(RandomUtils.nextInt()).getBytes(StandardCharsets.UTF_8), keys);
    
                // 只支持POST方法。
                Request request = new Request(CoAP.Code.POST, CoAP.Type.CON);
    
                // 设置option。
                OptionSet optionSet = new OptionSet();
                optionSet.addOption(new Option(OptionNumberRegistry.CONTENT_FORMAT, MediaTypeRegistry.APPLICATION_JSON));
                optionSet.addOption(new Option(OptionNumberRegistry.ACCEPT, MediaTypeRegistry.APPLICATION_JSON));
                optionSet.addOption(new Option(COAP2_OPTION_TOKEN, token));
                optionSet.addOption(new Option(COAP2_OPTION_SEQ, seqBytes));
                request.setOptions(optionSet);
    
                // 设置消息发布uri。
                request.setURI(uri);
    
                // 设置消息payload。
                request.setPayload(encrypt(payload, keys));
    
                // 发送消息。
                CoapResponse response = coapClient.advanced(request);
                System.out.println(Utils.prettyPrint(response));
    
                // 解析消息发送结果。
                String result = null;
                if (response.getPayload() != null) {
                    result = new String(decrypt(response.getPayload(), keys));
                }
                System.out.println("payload: " + result);
                System.out.println();
            } catch (ConnectorException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (DecoderException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        /**
         * 生成认证请求内容。
         * 
         * @param productKey,产品key。
         * @param deviceName,设备名字。
         * @param deviceSecret,设备密钥。
         * @return 认证请求。
         */
        private String authBody(String productKey, String deviceName, String deviceSecret) {
    
            // 构建认证请求。
            JSONObject body = new JSONObject();
            body.put("productKey", productKey);
            body.put("deviceName", deviceName);
            body.put("clientId", productKey + "." + deviceName);
            body.put("timestamp", String.valueOf(System.currentTimeMillis()));
            body.put("signmethod", HMAC_ALGORITHM);
            body.put("seq", DIGITAL_16);
            body.put("sign", sign(body, deviceSecret));
    
            System.out.println("----- auth body -----");
            System.out.println(body.toJSONString());
    
            return body.toJSONString();
        }
    
        /**
         * 设备端签名。
         * 
         * @param params,签名参数。
         * @param deviceSecret,设备密钥。
         * @return 签名十六进制字符串。
         */
        private String sign(JSONObject params, String deviceSecret) {
    
            // 请求参数按字典顺序排序。
            Set<String> keys = getSortedKeys(params);
    
            // sign、signmethod、version、resources除外。
            keys.remove("sign");
            keys.remove("signmethod");
            keys.remove("version");
            keys.remove("resources");
    
            // 组装签名明文。
            StringBuffer content = new StringBuffer();
            for (String key : keys) {
                content.append(key);
                content.append(params.getString(key));
            }
    
            // 计算签名。
            String sign = encrypt(content.toString(), deviceSecret);
            System.out.println("sign content=" + content);
            System.out.println("sign result=" + sign);
    
            return sign;
        }
    
        /**
         * 获取JSON对象排序后的key集合。
         * 
         * @param json,需要排序的JSON对象。
         * @return 排序后的key集合。
         */
        private Set<String> getSortedKeys(JSONObject json) {
            SortedMap<String, String> map = new TreeMap<String, String>();
            for (String key : json.keySet()) {
                String value = json.getString(key);
                map.put(key, value);
            }
            return map.keySet();
        }
    
        /**
         * 使用HMAC_ALGORITHM加密。
         * 
         * @param content,明文。
         * @param secret,密钥。
         * @return 密文。
         */
        private String encrypt(String content, String secret) {
            try {
                byte[] text = content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                byte[] key = secret.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key, HMAC_ALGORITHM);
                Mac mac = Mac.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
                mac.init(secretKey);
                return Hex.encodeHexString(mac.doFinal(text));
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
        }
    
        /**
         * SHA-256
         * 
         * @param str,待加密的报文。
         */
        private String encod(String str) {
            MessageDigest messageDigest;
            String encdeStr = "";
            try {
                messageDigest = MessageDigest.getInstance(SHA_256);
                byte[] hash = messageDigest.digest(str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                encdeStr = Hex.encodeHexString(hash);
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                System.out.println(String.format("Exception@encod: str=%s;", str));
                e.printStackTrace();
                return null;
            }
            return encdeStr;
        }
    
        // AES加解密算法。
        private static final String IV = "543yhjy97ae7fyfg";
        private static final String TRANSFORM = "AES/CBC/PKCS5Padding";
        private static final String ALGORITHM = "AES";
    
        /**
         * key length = 16 bits
         */
        private byte[] encrypt(byte[] content, byte[] key) {
            return encrypt(content, key, IV);
        }
    
        /**
         * key length = 16 bits
         */
        private byte[] decrypt(byte[] content, byte[] key) {
            return decrypt(content, key, IV);
        }
    
        /**
         * aes 128 cbc key length = 16 bits
         */
        private byte[] encrypt(byte[] content, byte[] key, String ivContent) {
            try {
                SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM);
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivContent.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
                return cipher.doFinal(content);
            } catch (Exception ex) {
                System.out.println(
                        String.format("AES encrypt error, %s, %s, %s", content, Hex.encodeHex(key), ex.getMessage()));
                return null;
            }
        }
    
        /**
         * aes 128 cbc key length = 16 bits
         */
        private byte[] decrypt(byte[] content, byte[] key, String ivContent) {
            try {
                SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key, ALGORITHM);
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORM);
                IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(ivContent.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
                return cipher.doFinal(content);
            } catch (Exception ex) {
                System.out.println(String.format("AES decrypt error, %s, %s, %s", Hex.encodeHex(content),
                        Hex.encodeHex(key), ex.getMessage()));
                return null;
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            IotCoapClientWithAes client = new IotCoapClientWithAes();
            client.connect(productKey, deviceName, deviceSecret);
            client.publish(updateTopic, "hello coap".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            client.publish(updateTopic, new byte[] { 0x01, 0x02, 0x03, 0x05 });
        }
    }
  4. 配置相关参数,替换以下参数为实际值。
    参数 说明
    regionId 您的物联网平台服务的地域代码。

    您可在物联网平台控制台左上方,查看当前服务所在地域。

    地域代码的表达方法,请参见地域列表

    productKey 您在物联网平台控制台添加设备后,保存的设备证书信息。

    您可在物联网平台控制台的设备详情页面查看。

    deviceName
    deviceSecret
    serverURI CoAP接入地址。获取方法,请参见查看实例终端节点
  5. 运行IotCoapClientWithAes.java程序。
    运行结果如下所示,设备认证通过后,即可通信。
    sign content=clientIda1****RK0.devicedeviceNamedeviceproductKeya1OX****K0seq16timestamp1658909565141
    sign result=7f3b76dc21e7******fec424838d1858
    ----- auth body -----
    {"clientId":"a1OXp8sXRK0.device","signmethod":"hmacsha1","sign":"7f3b76dc21e7******fec424838d1858","productKey":"a1OX****K0","deviceName":"device","seq":16,"timestamp":"1658909565141"}
    ==[ CoAP Response ]============================================
    MID    : 37682
    Token  : 6E1F******6B91
    Type   : ACK
    Status : 2.05 - CONTENT
    Options: {}
    RTT    : 116 ms
    Payload: 85 Bytes
    ---------------------------------------------------------------
    {"random":"a25******6d44","seqOffset":1,"token":"mnx4OF0b******R000000.5ac7"}
    ===============================================================
    
    ==[ CoAP Response ]============================================
    MID    : 37683
    Token  : AC60******106E7
    Type   : ACK
    Status : 2.05 - CONTENT
    Options: {"Unknown (2090)":0x158a******6aa00}
    RTT    : 118 ms
    Payload: 0 Bytes
    ===============================================================
    payload: null
    
    ==[ CoAP Response ]============================================
    MID    : 37684
    Token  : AA9******EFCC
    Type   : ACK
    Status : 2.05 - CONTENT
    Options: {"Unknown (2090)":0x158a******f600}
    RTT    : 103 ms
    Payload: 0 Bytes
    ===============================================================
    payload: null