物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開放式架構(gòu)研究 (2).doc_第1頁
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異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開放式架構(gòu)研究 張俊偉 吳月新 張小英 電子工程學(xué)院 北京郵電大學(xué) 北京100876.P.G. 中國(guó)摘要:本文提出的是異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的開放式架構(gòu)的研究,通過使用該模型,不同類型的大量的數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換成融合數(shù)據(jù),然后封裝成服務(wù)包。此外,狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)融合(REST)平臺(tái)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這種架構(gòu),優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)的效率高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好的表現(xiàn)和驗(yàn)證所提出的架構(gòu)。關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);狀態(tài)傳輸(REST)數(shù)據(jù)融合一、引言 物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一個(gè)很好的研究課題,在于它使真實(shí)的世界和社會(huì)變得數(shù)字化和虛擬化1-2。與此同時(shí),有很多的基礎(chǔ)設(shè)施可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)未來。一個(gè)實(shí)用的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是基于6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn),在帕多瓦大學(xué)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)靈活的和可收縮的基礎(chǔ)設(shè)施,便于節(jié)點(diǎn)的管理3。在華盛頓大學(xué)一個(gè)無線射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)創(chuàng)建了一個(gè)縮略的物聯(lián)網(wǎng)。一套基于網(wǎng)絡(luò)的能管理個(gè)人RFID數(shù)據(jù)和隱私設(shè)置的工具已開發(fā)出來4。一種基于物聯(lián)網(wǎng)的方法在醫(yī)療環(huán)境中的應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)了全球連接并能感知病人周圍的一切情況。這種方法能夠提供一個(gè)環(huán)境意識(shí),使病人的生活更輕松,臨床過程更有效5。一種商業(yè)模式的提出和一個(gè)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì),需要支持智能工作流6。另一種解決方案是應(yīng)用軟件的架構(gòu)和工程原則來描述7。該解決方案在一個(gè)真實(shí)的案例研究中,通過舉例說明提出了一種方法和服務(wù)解決方案概念被稱為“準(zhǔn)富客戶”。面向服務(wù)對(duì)象的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)非常熱門,其中包含6個(gè)部分:應(yīng)用程序接口,服務(wù)管理,設(shè)備管理,安全性,平臺(tái)抽象和設(shè)備裝置8。9一個(gè)有價(jià)值的應(yīng)用程序所提供的說明能幫助如何部署物聯(lián)網(wǎng),分配和探索聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的價(jià)值。中國(guó)所提議的物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu):工業(yè)/區(qū)域一級(jí),國(guó)家一級(jí),涉及到有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念正在建立和分析中10。然而,三層結(jié)構(gòu)可能無法表達(dá)物聯(lián)網(wǎng)的整體功能和內(nèi)涵11?;谙蛄烤W(wǎng)絡(luò)(VN)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通過信譽(yù)為本的擁塞控制計(jì)劃可以提供電信級(jí)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)12。根據(jù)上述的討論,物聯(lián)網(wǎng)大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是無序的,也可能有很多數(shù)據(jù)存在著重復(fù)。隨著數(shù)據(jù)量的增加,需要越來越多的存儲(chǔ)空間;然而,一些數(shù)據(jù)可能毫無價(jià)值意義,這將導(dǎo)致存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。要建立一個(gè)智能的環(huán)境,對(duì)于一些更高端的信息,實(shí)際上是有價(jià)值的數(shù)據(jù),涉及到終端用戶,應(yīng)該采集大;量混亂的數(shù)據(jù)。因此,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該提供一個(gè)安全的API和單獨(dú)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口。在本文中,我們首先分析了傳統(tǒng)的SOAP中國(guó)Web服務(wù),然后提出了一個(gè)基于狀態(tài)傳輸風(fēng)格的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開放架構(gòu)。此外,一個(gè)基于此架構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)在應(yīng)用中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)的開放式架構(gòu)不僅可以減輕服務(wù)器的負(fù)荷,提高客戶端的處理器的利用率,而且可以把龐大的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成各種融合數(shù)據(jù)然后封裝為服務(wù)包,由不同的應(yīng)用程序內(nèi)容滿足客戶的不同需求。二、系統(tǒng)模型 物聯(lián)網(wǎng)有兩種不同的數(shù)據(jù)分類方法,即時(shí)間的敏感程度和數(shù)據(jù)的效率水平。這兩種方法描述如下:(1)時(shí)間的敏感程度 根據(jù)其變化和更新的頻率,這些數(shù)據(jù)可以被分為兩種類型,非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)不隨時(shí)間的推移而快速變化,因此不需要在做決定的每一個(gè)時(shí)刻都采集數(shù)據(jù)。從而這種數(shù)據(jù)可以從在線或離線的服務(wù)提供商獲得。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一個(gè)例子就是一個(gè)城市的地圖,雖然有時(shí)候城市規(guī)劃可能會(huì)改變一個(gè)城市的地圖,但它應(yīng)該是多年來改變的結(jié)果,而不是每時(shí)每刻都在改變。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移而變化。數(shù)據(jù)在作出決定時(shí)需要收集并做為評(píng)判的參考。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的例子例如車輛的流量和天氣狀態(tài)。(2)數(shù)據(jù)的效率水平數(shù)據(jù)根據(jù)所在的過程可以分為三個(gè)層次。隨著進(jìn)程的執(zhí)行,相應(yīng)的數(shù)據(jù)的變化來自于感測(cè)數(shù)據(jù)、粗糙數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)。程序包括數(shù)據(jù)集成,復(fù)制消除和應(yīng)用算法。如圖1中數(shù)據(jù)流量剖面圖所示。當(dāng)在更高層次變化時(shí),少量的數(shù)據(jù)包含更多的信息內(nèi)容,從而擁有大量的有用價(jià)值。如圖1所示,感測(cè)數(shù)據(jù)處在底部,其數(shù)據(jù)來源包括無線射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)等等。它包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。中間是加工數(shù)據(jù),加工數(shù)據(jù)是指從遙感數(shù)據(jù)收集的通過整合的非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù),通過比較數(shù)據(jù),衡量從不同的方式收集的同一個(gè)對(duì)象,選擇最好的一個(gè)。融合數(shù)據(jù)是指通過應(yīng)用算法來處理過的一個(gè)最高級(jí)別的數(shù)據(jù),而不是通過提供的各種重復(fù)的數(shù)據(jù)并利用大規(guī)模的命令處理平臺(tái)在感測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過整合和推理工作使數(shù)據(jù)變?yōu)樗^的“聚合數(shù)據(jù)”。聚合數(shù)據(jù)將最后封裝為準(zhǔn)確的和用戶友好型的服務(wù)包提供給客戶。 圖1:數(shù)據(jù)流量剖面圖三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對(duì)于Web服務(wù),由W3C的正式定義如下:Web服務(wù)是指一個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)交互支持互操作的人機(jī)交互軟件系統(tǒng),它有一個(gè)機(jī)器進(jìn)程格式描述的接口(特別是WSDL)。其系統(tǒng)以規(guī)定的SOPA信息方式與Web服務(wù)交互,通常通過使用HTTP和XML序列和其它Web標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行傳輸13。 傳統(tǒng)的SOAP Web服務(wù)使用一系列的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)(RIES協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn))來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。例如使用WSDL服務(wù)描述,使用UDDI發(fā)布和查找服務(wù),使用SOAP進(jìn)行服務(wù)請(qǐng)求,使用WSFL處理相互之間的協(xié)作。然而,SOAP協(xié)議也有一些缺點(diǎn)和不足,如可擴(kuò)展性,緊密耦合性,且不易每個(gè)請(qǐng)求都緩存。每一個(gè)請(qǐng)求都是一個(gè)比較復(fù)雜的過程,數(shù)據(jù)使得服務(wù)器和帶寬的負(fù)載增加。為了解決上述問題,我們提出了REST Web服務(wù),以取代傳統(tǒng)SOAP Web服務(wù),REST第一次被羅伊托馬斯提出僅僅是一種架構(gòu)形式,而不是一種通用標(biāo)準(zhǔn)。通過使用REST架構(gòu)形式,我們可以在一定程度上避免了一些缺點(diǎn)并很好利用REST Web服務(wù)的優(yōu)勢(shì)。例如輕量級(jí)的解決方案就不要需要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的XML信息作為SOAP XML 標(biāo)準(zhǔn)。 然而,物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)是聚集和輕質(zhì)的,Web物聯(lián)網(wǎng)集成的應(yīng)用程序提供個(gè)性化的內(nèi)容和豐富的應(yīng)用模式。REST的約束“以客戶為無狀態(tài)服務(wù)器”,要求狀態(tài)放置在資源或客戶。為了滿足個(gè)性化的內(nèi)容和豐富的應(yīng)用程序,我們必須提供大量的狀態(tài)信息。此外,它不支持分布式緩存。集成服務(wù)器端Web應(yīng)用結(jié)果的事實(shí)是,它不能使用REST的第一個(gè)類型來支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存。異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)的架構(gòu)通過使用不同的JavaScript和XML(AJAX)來設(shè)計(jì)。AJAX客戶端的REST Web能夠提供良好的支持REST風(fēng)格的服務(wù),一方面它可以滿足“無狀態(tài)服務(wù)器”和“分布式高速緩存“,另一方面,它提供了良好的安全性并能處理服務(wù)器出現(xiàn)的故障。 接下來REST被提出做為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。作為資源,每一個(gè)資源在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上都對(duì)應(yīng)于唯一的資源標(biāo)識(shí)符(ID),因此,資源操作通過一個(gè)共同的連接器的操作接口,資源標(biāo)識(shí)符將不會(huì)改變并且所有的操作都是無狀態(tài)的。由于REST符合上述標(biāo)準(zhǔn),它遵循創(chuàng)建,讀取,更新和刪除(CRUD)的原則。CRUD要求僅僅只有4種行為OURCES:創(chuàng)建,讀取,更新和刪除,這些四則運(yùn)算都只是相應(yīng)的HTTP的GET,POST,PUT和DELETE方法,因此REST這四個(gè)URL資源限制這種設(shè)計(jì)和開發(fā)方法方法的操作。Web應(yīng)用程序,可以降低開發(fā)的復(fù)雜性提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性14。融合物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)建立了多個(gè)“物理分布參數(shù)邏輯一致性”的信息源數(shù)據(jù)庫(kù),涵蓋了各種基本的通信和信息資源,提供一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口收集,更新和管理資源。所以對(duì)于平臺(tái)本身的功能,它在遵循REST的CRUD原則下,非常適合使用AJAX和REST的Web 服務(wù)框架。要?jiǎng)?chuàng)建REST的Web服務(wù),我們需要確認(rèn)我們要開放別的系統(tǒng)平臺(tái)的資源,包括資源列表,資源細(xì)節(jié)等等。在REST中,每一種資都通過唯一的資源ID來確定,所以我們需通過唯一的URI來確認(rèn)資源。例如,資源可以被確認(rèn)為“Http:/ / WWW。netiot / 0001”,然后我們可以使用HTTP的GET,PUT,POST和DELET來更新和修改資源。這些資源提供了大量的超鏈接從而提供更多的相關(guān)信息15。四種異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)代碼由Servlet API給出,包括doPost,oPut,doGet,doDelete的方法,分別用來添加和刪除信息。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果A. 訪問REST架構(gòu)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)時(shí),當(dāng)用戶訪問Web服務(wù)器,因?yàn)锳JAX EN-gine被直接嵌入到用戶的瀏覽器中,所以用戶可以直接發(fā)送XMLHTTP請(qǐng)求。服務(wù)器響應(yīng)客戶端,解析XML信息并轉(zhuǎn)移服務(wù),然后顯示給用戶。 圖2:數(shù)據(jù)流量剖面圖 當(dāng)客戶端用GET方法請(qǐng)求服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接時(shí),如在圖3中所示,服務(wù)器返回的是XML文件。此XML文件包括來自在建筑中的更新服務(wù)器數(shù)據(jù)并通過PUT方法返回的傳感器。如圖3所示,當(dāng)用戶訪問時(shí)REST架構(gòu)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)時(shí),左側(cè)顯示的是建筑物上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),右側(cè)顯示的是通過服務(wù)器返回的XML文件。這種方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。 圖3:REST架構(gòu)的應(yīng)用程序場(chǎng)景 B.測(cè)試REST架構(gòu)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間,圖4顯示的為服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間。需要注意的是響應(yīng)時(shí)間是在最高點(diǎn)處連接,一旦連接成功,響應(yīng)時(shí)間就會(huì)變得比較平坦。 圖4:TEST服務(wù)的測(cè)試結(jié)果五、結(jié)論 一個(gè)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)開放式的架構(gòu)如上所組成,這種結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)數(shù)據(jù)的利用效率。此外,它還有有很大的商業(yè)價(jià)值,它可以為電子設(shè)備制造商提供服務(wù)并為第三加盟方做出系統(tǒng)應(yīng)有的價(jià)值和貢獻(xiàn)。致謝這項(xiàng)工作由專項(xiàng)資金重點(diǎn)專業(yè)中國(guó)編號(hào)2009ZX01039-002-001-07號(hào)2010ZX03005-001-03號(hào)支持是教育部基礎(chǔ)設(shè)施TURE建設(shè)項(xiàng)目(2-5-2)。參考文獻(xiàn)1 VERMESAN O,恒信中號(hào),VOGT H等。 因特網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖。 第1版。 布魯斯SELS:歐洲委員會(huì)信息社會(huì)和2009媒體DG。2物聯(lián)網(wǎng)R。 國(guó)際電聯(lián)技術(shù)報(bào)告,2005。3 CASTELLANI AP,BUI卡薩里P,等。 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議:一病例研究C / /第八屆IEEE國(guó)際計(jì)算與通信工作會(huì)議:3月4月29日,2010年,曼海姆,德國(guó)。 活塞cataway,NJ,USA:IEEE,2010:678-683。4華邦E,BATTLE L,科爾 G等。 大廈物聯(lián)網(wǎng)使用RFID案例J。 IEEE互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算,2009,13(3):48-55。5,薩莫拉JARA AJ AJ,SKARMETA M.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的支持移動(dòng)TURE醫(yī)療環(huán)境中的安全性C / /第七屆IEEE消費(fèi)通信和網(wǎng)絡(luò)工作會(huì)議:1月9日至12日,2010年,拉斯維加斯,NE-美國(guó)瓦達(dá)。 皮斯卡塔韋,NJ,USA:IEEE,2010:1-5。6 GINER C,P,CETINA FONS 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