物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放式架構(gòu)研究 (2).doc

異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)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(kāi)放式架構(gòu)的研究,通過(guò)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(lái)。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(wú)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)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(lái)描述7。該解決方案在一個(gè)真實(shí)的案例研究中，通過(guò)舉例說(shuō)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(mén)，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(shuō)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(wú)法表達(dá)物聯(lián)網(wǎng)的整體功能和內(nèi)涵11。基于向量網(wǎng)絡(luò)（VN）的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)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(wú)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(lái)越多的存儲(chǔ)空間；然而，一些數(shù)據(jù)可能毫無(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)源包括無(wú)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(guò)整合的非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)應(yīng)用算法來(lái)處理過(guò)的一個(gè)最高級(jí)別的數(shù)據(jù)，而不是通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)使用HTTP和XML序列和其它Web標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)使用不同的JavaScript和XML（AJAX）來(lái)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(wú)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(lái)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(guò)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(wú)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(kāi)發(fā)方法方法的操作。Web應(yīng)用程序，可以降低開(kāi)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(kāi)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(guò)唯一的資源ID來(lái)確定，所以我們需通過(guò)唯一的URI來(lái)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(lái)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(lái)添加和刪除信息。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果A. 訪問(wèn)REST架構(gòu)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，當(dāng)用戶訪問(wèn)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(guò)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(lái)自在建筑中的更新服務(wù)器數(shù)據(jù)并通過(guò)PUT方法返回的傳感器。如圖3所示，當(dāng)用戶訪問(wèn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，右側(cè)顯示的是通過(guò)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(kāi)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 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