Accès structurés et Interopérabilité

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1 Accès structurés et Interopérabilité Yoann Ricordel, João Prado, Cedric Honnet Robotique et Systèmes Embarqués Telecom ParisTech 24 mars Introduction Avec l avènement du Web 2.0, l Internet est de plus en plus interactif, et l usage des webservices se répand. En effet, comme en témoigne le succès de Facebook ou Twitter, les sites à contenu dynamique ont largement pris la place des pages statiques, et la réactivité et la personnalisation sont des attributs désormais exigés par la plupart des utilisateurs. Parallèlement à cela, le nombre de terminaux connectés à Internet augmente rapidement avec la démocratisation des smartphones, et l émergence de l IPv6 permettra à chaque objet d avoir une adresse publique, ils seront donc susceptibles d héberger des services Web. Une architecture REST offre une grande simplicité à l utilisateur du service Web, que ce soit un humain ou un programme nous discuterons cette architecture dans la première section de cet article. Le protocole CoAP est adapté aux faibles ressources, et sera donc tout indiqué pour l Internet des objets que certains appellent déjà le Web 3.0, il sera détaillé dans une seconde partie. Enfin, pour garantir l interopérabilité à tous les niveaux, il est impératif de représenter les données de manière standardisée, ce sera l objet de la dernière partie de l article. 2 REST 2.1 Prologue REST, acronyme de REpresentational State Transfer, n est pas un protocole ni un standard mais plutôt une définition de bonnes pratiques de création de service Web. Ce style d architecture a été élaboré en an 2000 par Roy Fielding, un des créateurs du protocole HTTP, qui lui-même avait été élaboré une dizaine d années auparavant. 2.2 Concept Pour introduire le sujet il peut être utile d évoquer quelques termes utilisé dans la suite du document : Une ressource" est une chose nommable (ex : un site web) Une représentation" est une séquence d octets (ex : un image) Un composant" est un acteur, il est relié a d autres composants ou ressources par des canaux (ex : un serveur) Le modèle REST peut même être considéré comme la base de l architecture originale du Web, il est bâtie sur quelques principes simples : L architecture client-serveur est le mode de communication utilisé 1

2 Un URI 1 doit suffire pour accéder à une ressource Chaque opération est auto-suffisante : il n y a pas d état relatif au client chez le serveur, condition quasi sine qua none pour le passage à l échelle Le serveur utilise des ressources distribuées en couches, la couche externe répartissant les taches à d autres couches non accessible par le client directement. HTTP fournit toutes les opérations nécessaires : GET, PUT, POST et DELETE, essentiellement (cf illustration ci-après) Les contraintes précédentes peuvent établir la caractérisation d un système respectant le modèle REST. Comme évoqué, ces services se mettent facilement en correspondance avec les opérations de HTTP : Une opération GET permet d obtenir de l information Une opération PUT permet d en envoyer Une opération POST permet d effectuer une mise à jour Une opération DELETE permet d effacer une ressource L illustration suivante résume les requêtes HTTP de bases et leur rôle : Figure 1 Source : figer.com Ces détails peuvent paraître évident mais ils ne sont pas toujours respectés. En effet, il existe par exemple des implémentations moyennement logiques dans lesquelles un GET peut provoquer des modifications sur un serveur. Les ressources doivent donc être catégorisées selon leurs possibilités offertes à l application cliente ; la question suivante se pose donc : ne peut-elle que recevoir une représentation (GET) ou peut-elle modifier/créer une ressource (POST, PUT, DELETE)? 2.3 Épilogue En conclusion, REST établie des conventions architecturales pratiques pour la communication de données de façon générale. Cette méthode est propre" contrairement à bien des pratiques rencontrées dans certains sites fait en php par exemple : pour de nombreux sites commerciaux l URI est inutilisable parce qu un état caché est utilisé par exemple ; on ne peut donc pas marquer une page donnée, envoyer son URI à d autres, etc. L URI a aussi l avantage de permettre l utilisation de cache pour éviter des requêtes inutiles. Cette fonctionnalité améliore considérablement les performances réseaux mais on traitera 1. Uniforme Ressource Locator : URN (Name) ou URL (Locator) 2

3 plus profondément ce sujet dans le chapitre traitant CoAP, une implémentation de REST pour l embarqué. Enfin, REST présente l intérêt d ouvrir l accès à des données de façon plus structurées et donc plus simplement. Des exemples d implémentations seront fournis dans les chapitres suivants mais concrètement un service RESTful doit être facile à lire ou à parser même avec des outils aussi basique que curl 2. Cette interopérabilité présente de nombreux avantages qui seront illustrés dans ce document. 3 CoAP : Constrained Application Protocol 3.1 REST pour l embarqué Comme vu dans la section précédente, REST permet d implémenter des systèmes fiables, flexibles et interopérables. Pourtant, les protocoles qui implémentent cette architecture ne sont pas toujours adaptés au monde des systèmes embarqués. HTTP, par exemple, a des entêtes codées en ASCII, ce qui augmente beaucoup l overhead du protocole quand chaque requête retourne un nombre faible de données c est typiquement le cas, par exemple, dans les réseaux de capteurs sans fil, où chaque message est souvent une seule mesure. C est pour proposer des solutions pour le monde des systèmes embarqués RESTful que le groupe de travail CoRE (Constrained RESTful environments), de l IETF (Internet Engineering Task Force), a été créé. Son objectif est de fournir un framework pour les applications qui s appuient sur des réseaux avec des contraintes de débit, consommation et puissance de calcul. Le protocole CoAP (Constrained Application Protocol), qui sera exposé dans cette section, est le fruit de ces efforts. 3.2 Anatomie du protocole Le premier brouillon de CoAP date de juin 2010, et, au moment de l écriture de cet article, il est toujours en développement. Pour implémenter l architecture REST, CoAP reprend plusieurs concepts d HTTP. En effet, il y a une correspondance directe entre les méthodes des deux protocoles, ce qui simplifie la conception d un proxy pour connecter un réseau CoAP à l Internet usuel. Pourtant, plusieurs optimisations ont été faites pour le rendre plus adapté aux systèmes embarqués. Premièrement, les échanges se font par des messages asynchrones, avec des mécanismes de fiabilité optionnels ; les protocoles de transport par datagramme notamment UDP, qui est utilisé par défaut sont donc privilégiés. En outre, les entêtes sont assez compressées, pour réduire la complexité du décodage et les besoins en bande passante. Finalement, plusieurs fonctionnalités supplémentaires, dont des capacités de proxy et cache simplifiées, de découverte et observation de ressources augmentent l intérêt du protocole pour les réseaux contraints Format des messages Tous les messages CoAP ont le format décrit dans la figure 2. Les champs sont définis comme suit : Version (Ver) : indique le numéro de version de CoAP utilisé. Pour l instant, la seule valeur possible est 1 ; Type (T) : indique si le message est : 1. Confirmable (CON) : message fiable, qui exige un acquittement ; 2. Dans un usage simplifié, curl pourrait se résumer à une combinaison de wget et de less 3

4 2. Non-confirmable (NON) : message asychrone, qui n a pas besoin d être acquitté ; 3. Acknowledgement (ACK) : message d acquittement, réponse à une requête CON ; 4. Reset (RST) : message qui indique qu un serveur a bien reçu la requête, mais n a pas le contexte nécessaire pour fournir une bonne réponse (suite à un redémarrage, par exemple) ; Option count (OC) : contient le numéro d options transmises dans l entête Code : indique si le message est une requête, une réponse ou un message vide. Dans le cas d une requête, indique également la méthode utilisée (GET, POST, PUT ou DELETE) ; pour une réponse, contient un code qui permet d identifier la nature de la réponse ; Message ID : numéro de série, utilisé pour détecter les messages dupliqués et pour faire la correspondance entre un message CON et son ACK respectif ; Options : contiennent des informations supplémentaires, reliées ou non au type du message. Par exemple, ce champ peut contenir un paramètre Max-Age pour définir la validité des données transmises (rendant ainsi possible l utilisation d un cache), ou bien un Token qui peut être utilisé par le serveur pour identifier une réponse différée (cf. section 3.3.2) ; Payload : contient les données transmises par l application. 3.3 Exemples Message confirmable et réponse immédiate La figure 3 contient un exemple basique de l utilisation des messages du type CON. Le client demande, par une requête du type GET, la température chez le serveur. Le serveur répond immédiatement, avec un réponse ACK, la valeur lue par ses capteurs. Il y a trois points importants à souligner sur ce premier exemple : 1. La requête (CON) et l acquittement (ACK) ont le même message ID. Cela permet l implémentation d un mécanisme de fiabilité : le client peut retransmettre un message confirmable jusqu à ce qu il reçoit l acquittement correspondent ou qu il excède une limite maximum de tentatives (MAX_RETRANSMIT, qui vaut 4 pour la version actuelle de CoAP). L intervallle entre les retransmissions croît exponentiellemnent en fonction du nombre de tentatives échouées ; 2. Le message d acquittement contient déjà les données de la réponse : CoAP utilise donc la technique du piggybacking pour optimiser les transferts ; 3. Le ticket permet d identifier univoquement une requête ; son utilité peut être mieux comprise dans le prochain exemple. Figure 2 Format d un message CoAP (extrait de [I-D.ietf-core-coap]) 4

5 Client Serveur CON [0xbc90] GET /temperature (Token 0x71) ACK [0xbc90] 2.00 OK (Token 0x71) "22.5 C" Figure 3 Message confirmable et réponse immédiate (extrait de [I-D.ietf-core-coap]) Message confirmable et réponse différée Un autre cas d utilisation est possible pour les messages confirmables. Si le serveur n est pas en mésure de répondre immédiatement à une requête, il peut envoyer un acquittement vide au client, pour signaler qu il a bien reçu le message et qu il essaye d obtenir la réponse. Une fois qu il aura les données nécessaires, il les enverra au client dans un message contenant le même ticket (qu il aurait sauvegardé lors du premier message) : de cette manière, le client peut identifier la requête d origine et interpréter correctement la réponse. Une représentation graphique de cette dynamique est présente sur la figure 4. Client Serveur CON [0x7a10] GET /temperature (Token 0x73) ACK [0x7a10] CON [0x23bb] 2.00 OK (Token 0x73) "22.5 C" ACK [0x23bb] Figure 4 Message confirmable et réponse différée (extrait de [I-D.ietf-core-coap]) 3.4 Observation de ressources Une extension intéressante à CoAP proposée par CoRE (et présentée en [I-D.ietf-core-observe]) permet d observer les changements d état d un serveur dans le temps. Cela se fait par un mécanisme de souscription : le client envoie au serveur une requête du type GET contenant une option temps de vie (Lifetime) ; le serveur, à son tour, envoie une réponse indiquant l état actuel et enregistre l abonnement, pour qu à chaque changement d état une notification soit 5

6 envoyée au client, et ce jusqu à l expiration du temps de vie. Cette option permet, d un côté, d optimiser l utilisation de la bande passante, vu que les multiples requêtes ne sont plus nécessaires. De l autre côte, la possibilité de n envoyer des messages que lors d un changement d état rend possible une sensible économie d énergie chez le serveur un facteur important lorsque l on considère les réseaux de capteurs sans fil, dans lesquels l intérêt est d avoir les nœuds les plus énergétiquement efficients pour minimiser les coûts et les inconvénients liés à l échange des batteries (quand il est possible). 4 Interopérabilité et représentation des informations 4.1 Position du problème Nous savons maintenant comment créer une architecture flexible grâce à REST, et nous connaissons un protocole applicatif adapté aux faibles ressources, et donc tout indiqué pour l embarqué. Nous avons donc tout le nécessaire pour que nos applications puissent s envoyer des messages, et pour créer facilement de nouvelles interfaces utilisant les services REST fournis. Cependant, il y a encore un problème que nous n avons pas abordé : nos applications doivent se comprendre. Si j envoie une lettre en Français à un ami Chinois qui ne parle pas Français, la lettre arrivera sans problème mais ne lui sera d aucune utilité. Il en va de même pour les applications : pour pouvoir échanger des données, l application émettrice doit les représenter d une manière compréhensible pour l application réceptrice. Il est donc nécessaire de définir des normes, ou au minimum d avoir des standards de fait, de préférence ouverts, concernant le format d échange de données. Aujourd hui, deux formats sortent du lot pour remplir cette tâche : XML et JSON. Dans la suite, nous nous intéresseront à ces deux standards en essayant de montrer les forces et les faiblesses de chacun. 4.2 XML : extensible Markup Language Forme du langage La syntaxe d XML contient deux éléments principaux permettant de structurer les informations : les balises, et les attributs. Cette syntaxe est en fait familière à toute personne ayant déjà manipulé du HTML 3 : une balise peut contenir un ou plusieurs attributs dont chacun possède une valeur, puis on trouve le contenu, et enfin la balise fermante : <balise attribut_1="valeur_1" attribut_2="valeur_2"> Contenu de la balise </balise> On peut organiser hiérarchiquement un document à l aide de plusieurs balises différentes, en les imbriquant les unes dans les autres (en prenant soin de les fermer dans l ordre). On pourrait par exemple décrire un article de la manière suivante : <article auteur="jean Dupont"> <titre>titre de l article</titre> <sommaire> <chapitre id="1">chapitre 1</chapitre>... <chapitre id="n">chapitre n</chapitre> <sommaire> 3. même si HTML n est pas strictement un langage XML, excepté les deux versions de XHTML 6

7 <contenu> <chapitre id="1"> Contenu du chapitre, qui peut encore être divisé en sous sections, contenir des listes... </chapitre>... <chapitre id="n"> Contenu du chapitre </chapitre> </contenu> </aticle> Pas un langage, un métalangage XML n est en réalité pas un langage, mais un métalangage. Il définit un certain nombre de règles, mais ne définit pas de vocabulaire (les mots-clés). Ainsi, dans l exemple précédent, on utilise les mots article, auteur, chapitre, qui ne sont pas définis dans la norme XML. Tout langage XML est accompagné de la définition de son vocabulaire, définition qui peut prendre plusieurs formes, comme une DTD 4 ou un schéma XML. XML permet donc la définition d un langage adapté à une utilisation spécifique, comme la représentation de pages web (XHTML 5 ), de documents bureautique (OpenDocument), ou encore d images vectorielles (SVG 6 ). Cette propriété rend XML très utile pour la conception de documents structurés de taille importante, et offre aux documents une forte valeur sémantique, utile par exemple pour des opérations d indexation automatique. Par ailleurs, XML gère les espaces de noms, permettant d utiliser plusieurs vocabulaires différents dans un même document Utilisation dans des applications REST Ce qui existe Un bon exemple d implémentation de REST est le protocole HTTP, et l une de ses utilisations grandissante est la méthode AJAX 7. Cette technologie, comme son nom l indique, se repose à la base sur JavaScript et XML. Son principe est simple : un script JavaScript côté client envoie une requête HTTP à un serveur, qui lui renvoie les informations demandées en XML, puis le script utilise ces informations comme il le souhaite. Cette technique est souvent utilisée pour mettre à jour une page web sans avoir à la recharger entièrement, utile par exemple pour de l auto-complétion dans un formulaire. Limites Généralement, les retours venus du serveur sont assez réduits en volume (par exemple une liste ordonnée de 5 auto-complétions possibles). Il paraît alors un peu démesuré d utiliser un format XML avec un vocabulaire précis (qui doit être connu du programme traitant les données), de la même manière qu il serait démesuré de créer un document L A TEX pour faire sa liste de courses. De plus, XML est relativement verbeux et peu économe en nombre de caractères nécessaires, notamment à cause des balises fermantes obligatoires, ce qui est gênant si l on a des ressources limitées (n oublions pas qu un paquet CoAP doit obligatoirement tenir dans un paquet IP, une représentation des données trop peu compacte peut donc être handicapante). 4. Document Type Definition 5. extensible HyperText Markup Language 6. Scalable Vector Graphics 7. Asynchronous JAvascript and XML 7

8 Si XML est très adapté à la représentation de documents structurés, il semble l être moins pour la représentation de petites quantités d information, ce qui nous amène à considérer une représentation plus adaptée : JSON. 4.3 JSON JSON (prononcer «Jason»), acronyme pour JAvascript Object Notation, propose une alternative agréable à XML pour la transmission de données. Apparu vers le début des années 2000, il a mis quelques années à se démocratiser, mais est aujourd hui assez répandu et utilisé comme substitut à XML en AJAX 4.4 Syntaxe de JSON JSON reprend la syntaxe du langage JavaScript, et se base sur deux structures de données : L Array : un liste ordonnée de valeurs, entre crochets et séparées par des virgules : [Valeur_1, Valeur_2,..., Valeur_n] L Object : un tableau associatif ou hashtable, associant des clés (uniques) à des valeurs : { "Clé_1" : Valeur_1, "Clé_2" : Valeur_2,... "Clé_n" : Valeur_n} Une valeur peut être un objet, un array, une chaine de caractères, un nombre flottant, ou encore les valeurs true, false et null. Voici en détails la grammaire du langage JSON, présenté sous forme graphique, plus agréable à lire qu une vraie grammaire EBNF (source : json.org) : Figure 5 Grammaire des objets Figure 6 Grammaire des tableaux 8

9 Figure 7 Grammaire des valeurs Figure 8 Grammaire des chaînes de caractères 9

10 Figure 9 Grammaire des flottants 4.5 Points forts Parsage Nous venons de voir que la grammaire de JSON est très simple, puisque 5 règles suffisent à la décrire. Certaines seraient éclatées en plusieurs s il fallait écrire une grammaire BNF lisible (la description des chaînes ou nombres ne se ferait peut-être pas en une seule règle), mais même dans ce cas, elles resteraient en nombre raisonnable. Même si ces cinq règles devaient se séparer en vingt lors de l implémentation d un analyseur syntaxique, on serait encore loin derrière les 89 utilisées pour décrire la grammaire d XML 8. Le parsage de données représentées en JSON apparaît donc comme étant plus léger, plus simple que pour du XML, ce qui est intéressant en particulier sur des systèmes à ressources limitées, comme les systèmes embarqués Proximité avec les langages de programmation JSON se repose sur deux structures de données qui existent nativement dans un grand nombre de langages, ce qui permet de passer rapidement d une donnée interne au programme à une donnée JSON à transmettre, et inversement. Le tableau est une structure native de presque tous les langages «mainstream» (tableaux de C, C++, Java, Python,...). En ce qui concerne les tableaux associatifs, ils sont natifs en Python (dictionnaires) ou Java (hashtable), et présents dans les conteneurs standards C++ (map). En ce qui concerne C, il n y a rien de natif mais on trouve des implémentations de hashtables, notamment dans la glib. Cette proximité rend JSON adapté à la sérialisation d objets, en particulier en JavaScript où la désérialisation consiste en une simple lecture de la chaîne de caractères 9, mais aussi pour de nombreux autres langages. 4.6 JSON en pratique Pour ceux qui auraient d ores et déjà décidé d opter pour l utilisation de JSON, voici quelques pistes pour démarrer plus vite Cette pratique est cependant très peu sécurisée car du code malicieux pourrait facilement être exécuté, et ne devrait donc être utilisée que sur des systèmes dont on a le contrôle complet 10

11 Parseurs JSON : en bas de la page json.org se trouvent de nombreux liens vers des bibliothèques JSON en C, Python, C++, Lua, ou presque tout autre langage qui pourrait vous intéresser Type MIME : que ce soit pour HTTP ou CoAP, il est nécessaire de préciser dans l en-tête du paquet que la charge utile est du JSON (pour que l application distante puisse savoir comment la décoder). En HTTP, il s agit de préciser le type MIME application/json à la section Content-Type. Pour CoAP, par souci d économie de taille, les options ont un ordre fixe, et leurs valeurs sont encodées. On s intéresse ici à l option n 1 correspondant au champ Content-Type, dont la valeur correspondant au type application/json est Des hash-tables en C : contrairement à Python et C++ (via la stdlib), le C ne possède pas de structure native pour les tableaux associatifs. Néanmoins, des implémentations existent, on peut notamment regarder du côté de la GLib 11, ou simplement se débrouiller avec des struct. Références [BORTZMEYER] [BORDERIE] [I-D.ietf-core-coap] Bortzmeyer, Stephane, Programmation réseau avec REST Borderie, Xavier, L architecture REST rest1a.shtml Shelby, Z., Hartke, K., Bormann, C., and B. Frank, Constrained Application Protocol (CoAP), draft-ietf-core-coap-04 (travaux en cours), janvier [I-D.ietf-core-observe] Hartke, K. and Shelby, Z. Observing Resources in CoAP, draft-ietf-core-observe-01 (travaux en cours), février [JSON] [GLib] [MACTECH] JSON site officiel json.org GLib documentation officielle html Mactech, How to Harness the Power of Associative Arrays. AssociativeArrays/index.html 10. Pour plus d informations, se reporter au dernier draft de l IETF : draft-ietf-core-coap

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