📚 课程目录第4章 CoAP协议基础与LwM2M消息映射

4. CoAP协议基础与LwM2M消息映射

LwM2M 的轻量特性并非凭空而来，它建立在 CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）之上。理解 LwM2M 的设备注册、对象读写、属性上报，本质上就是理解“LwM2M 操作如何被翻译成一条条 CoAP 报文”。本节先拆解 CoAP 的四个核心要素——方法、消息类型、选项、响应码，再给出 LwM2M 操作到 CoAP 请求的映射规则，最后说明如何用抓包工具验证这套映射。

一、CoAP 的报文结构与四个核心要素

CoAP 运行在 UDP 之上，默认端口 5683，使用 DTLS 时端口为 5684。它的固定头部只有 4 字节，结构紧凑：版本号（Ver，固定为 1）、消息类型（T，2 bit）、Token 长度（TKL，4 bit）、请求/响应码（Code，8 bit）、消息 ID（Message ID，16 bit），其后跟随 Token、选项（Options）和负载（Payload）。负载前有一个 0xFF 字节作为分隔符，用于区分“选项结束”和“负载开始”。

方法（Method）决定对资源做什么操作，取值位于 Code 字段的高 3 bit：GET（0.01）、POST（0.02）、PUT（0.03）、DELETE（0.04）。GET 用于读取资源，PUT 用于整体替换或创建资源，POST 用于触发动作或部分更新，DELETE 用于删除资源实例。

消息类型（Type）体现 CoAP 的可靠性机制，共四种：CON（Confirmable，需确认）、NON（Non-confirmable，不需确认）、ACK（Acknowledgement，确认应答）、RST（Reset，复位）。CON 报文要求对端回 ACK；若对端无法处理，则回 RST。NON 用于可容忍丢失的周期上报，以降低功耗。

选项（Options）是 CoAP 的扩展机制，采用“增量编号 + 长度”编码。与 LwM2M 关系最密切的选项包括：Uri-Path（编号 11，可重复，用于拼接资源路径）、Content-Format（编号 12，标识负载格式，如 11542 表示 SenML+CBOR、0 表示 text/plain）、Accept（编号 17，声明期望的响应格式）、Observe（编号 6，值为 0 表示注册观察、1 表示取消观察）、Block1/Block2（编号 27/23，用于分块传输大负载）、ETag（编号 4，用于缓存校验）。

响应码（Response Code）位于 Code 字段，格式为“类别.明细”，如 2.05。2.xx 表示成功，4.xx 表示客户端错误，5.xx 表示服务端错误。常见取值：2.01 Created、2.02 Deleted、2.04 Changed、2.05 Content、4.00 Bad Request、4.01 Unauthorized、4.04 Not Found、4.05 Method Not Allowed、5.00 Internal Server Error。

二、LwM2M 操作到 CoAP 请求的映射规则

LwM2M 在 CoAP 之上定义了一套 REST 风格的资源模型，路径形如 /{Object ID}/{Object Instance ID}/{Resource ID}，例如 /3/0/0 表示设备对象（Object 3）第 0 个实例的制造商资源。映射规则可以归纳为“操作决定方法，路径决定 Uri-Path，语义决定选项”。

注册（Register）：客户端向服务器发送 POST /rd?ep={Endpoint Client Name}&lt={Lifetime}&b=U。其中 ep 是端点名，lt 是注册有效期（秒），b=U 表示使用 UDP 传输。服务器成功后在 2.01 Created 响应的 Location-Path 选项中返回注册位置，如 /rd/5a3f，后续 Update 和 Deregister 都基于该位置。

更新（Update）：POST /rd/{location}，可携带新的 lt 参数续期。若注册过期前未更新，服务器会将该端点标记为离线。

注销（Deregister）：DELETE /rd/{location}，正常返回 2.02 Deleted。

读取（Read）：GET /{obj}/{inst}/{res}，成功返回 2.05 Content，负载格式由 Accept 选项协商，通常为 SenML+CBOR（Content-Format 11542）或 TLV（11542 之外的 11542 需按实现确认，常见 TLV 为 11542 的替代编码）。

写入（Write）：PUT /{obj}/{inst}/{res}，负载为待写入值，成功返回 2.04 Changed。若资源为只读，服务器返回 4.05 Method Not Allowed。

执行（Execute）：POST /{obj}/{inst}/{res}，用于触发固件升级、重启等动作，成功返回 2.04 Changed。

发现（Discover）：GET /{obj}，服务器返回该对象下可访问的资源列表及属性，响应 Content-Format 为 application/link-format（40）。

观察（Observe）与通知（Notify）：客户端发送 GET /{obj}/{inst}/{res} 并携带 Observe: 0 选项注册观察。此后资源变化时，服务器主动发送 2.05 Content 响应，且 Observe 选项值按 24 位序号递增，客户端据此判断通知的新旧顺序。取消观察时发送 GET 并携带 Observe: 1，或直接发送 RST。

三、抓包分析：从一条 Read 看完整交互

下面以一次“读取设备制造商”为例，说明抓包中应观察的字段。假设客户端端点名为 urn:dev:001，服务器地址为 coap://lwm2m.example.com:5683。

# 客户端 → 服务器（CON 请求）
Code: 0.01 (GET)
Type: 0 (CON)
Message ID: 0x1a2b
Token: 0x7f3c
Options:
  Uri-Path: "3"
  Uri-Path: "0"
  Uri-Path: "0"
  Accept: 11542 (application/senml+cbor)

# 服务器 → 客户端（ACK 响应）
Code: 2.05 (Content)
Type: 2 (ACK)
Message ID: 0x1a2b   ← 与请求一致，完成匹配
Token: 0x7f3c       ← 与请求一致，完成匹配
Options:
  Content-Format: 11542
Payload: SenML CBOR 编码的制造商字符串

抓包时重点核对三处：Message ID 用于 CON/ACK 配对，Token 用于请求与响应的业务匹配（尤其在 NON 或分块场景下），Uri-Path 选项的拼接顺序必须与 LwM2M 路径一致。若响应为 4.04 Not Found，通常说明对象或实例未在注册时声明；若为 4.01 Unauthorized，则需检查 DTLS 握手或服务器侧鉴权配置。

观察通知的抓包中，同一 Token 会持续复用，而 Observe 选项值不断递增。若发现序号回绕或跳变，应检查服务器是否重启或观察关系是否被重建。

四、映射速查表

LwM2M 操作	CoAP 方法	典型路径	关键选项	成功响应码
Register	POST	/rd?ep=…&lt=…&b=U	Uri-Query	2.01 Created
Update	POST	/rd/{loc}	Uri-Query(lt)	2.04 Changed
Deregister	DELETE	/rd/{loc}	—	2.02 Deleted
Read	GET	/{obj}/{inst}/{res}	Accept	2.05 Content
Write	PUT	/{obj}/{inst}/{res}	Content-Format	2.04 Changed
Execute	POST	/{obj}/{inst}/{res}	Content-Format	2.04 Changed
Discover	GET	/{obj}	Accept(40)	2.05 Content
Observe	GET	/{obj}/{inst}/{res}	Observe:0	2.05 Content
Notify	—（服务器主动）	/{obj}/{inst}/{res}	Observe:序号	2.05 Content

掌握这张映射表后，开发 LwM2M 设备端时就可以把“业务动作”直接翻译为“CoAP 报文构造”：先确定方法与路径，再选择消息类型（注册、写操作优先 CON，周期上报可用 NON），最后按需附加 Content-Format、Accept、Observe 等选项。抓包验证时，只要 Message ID、Token、Uri-Path、响应码四者自洽，就说明映射链路正确。