物聯(lián)網(wǎng)技術-異構物聯(lián)網(wǎng)的開放式架構研究 (2).doc

異構物聯(lián)網(wǎng)的開放式架構研究 張俊偉 吳月新 張小英 電子工程學院 北京郵電大學 北京100876.P.G. 中國摘要：本文提出的是異構物聯(lián)網(wǎng)（IOT)的開放式架構的研究,通過使用該模型，不同類型的大量的數(shù)據(jù)都可以轉換成融合數(shù)據(jù)，然后封裝成服務包。此外，狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)融合（REST）平臺已經(jīng)在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)這種架構，優(yōu)點是數(shù)據(jù)的效率高。實驗結果能很好的表現(xiàn)和驗證所提出的架構。關鍵詞：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）是一個很好的研究課題，在于它使真實的世界和社會變得數(shù)字化和虛擬化1-2。與此同時，有很多的基礎設施可進行數(shù)據(jù)的采集而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)架構未來。一個實用的物聯(lián)網(wǎng)架構是基于6LoWPAN標準，在帕多瓦大學架構的物聯(lián)網(wǎng)是一個靈活的和可收縮的基礎設施，便于節(jié)點的管理3。在華盛頓大學一個無線射頻識別系統(tǒng)（RFID）創(chuàng)建了一個縮略的物聯(lián)網(wǎng)。一套基于網(wǎng)絡的能管理個人RFID數(shù)據(jù)和隱私設置的工具已開發(fā)出來4。一種基于物聯(lián)網(wǎng)的方法在醫(yī)療環(huán)境中的應用，從而實現(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環(huán)境意識，使病人的生活更輕松，臨床過程更有效5。一種商業(yè)模式的提出和一個系統(tǒng)模型的設計，需要支持智能工作流6。另一種解決方案是應用軟件的架構和工程原則來描述7。該解決方案在一個真實的案例研究中，通過舉例說明提出了一種方法和服務解決方案概念被稱為“準富客戶”。面向服務對象的物聯(lián)網(wǎng)架構非常熱門，其中包含6個部分：應用程序接口，服務管理，設備管理，安全性，平臺抽象和設備裝置8。9一個有價值的應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)智能設備的價值。中國所提議的物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結構：工業(yè)/區(qū)域一級，國家一級，涉及到有關物聯(lián)網(wǎng)的相關概念正在建立和分析中10。然而，三層結構可能無法表達物聯(lián)網(wǎng)的整體功能和內(nèi)涵11?；谙蛄烤W(wǎng)絡（VN）的異構物聯(lián)網(wǎng)通過信譽為本的擁塞控制計劃可以提供電信級的服務質量（QoS）12。根據(jù)上述的討論，物聯(lián)網(wǎng)大量的數(shù)據(jù)存儲是無序的，也可能有很多數(shù)據(jù)存在著重復。隨著數(shù)據(jù)量的增加，需要越來越多的存儲空間；然而，一些數(shù)據(jù)可能毫無價值意義，這將導致存儲和網(wǎng)絡資源的浪費。要建立一個智能的環(huán)境，對于一些更高端的信息，實際上是有價值的數(shù)據(jù)，涉及到終端用戶，應該采集大；量混亂的數(shù)據(jù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)應該提供一個安全的API和單獨的設備網(wǎng)絡標準接口。在本文中，我們首先分析了傳統(tǒng)的SOAP中國Web服務，然后提出了一個基于狀態(tài)傳輸風格的異構物聯(lián)網(wǎng)的開放架構。此外，一個基于此架構的系統(tǒng)平臺已經(jīng)在應用中。實驗結果顯示，異構互聯(lián)網(wǎng)的開放式架構不僅可以減輕服務器的負荷，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)量轉換成各種融合數(shù)據(jù)然后封裝為服務包，由不同的應用程序內(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，非實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。非實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)不隨時間的推移而快速變化，因此不需要在做決定的每一個時刻都采集數(shù)據(jù)。從而這種數(shù)據(jù)可以從在線或離線的服務提供商獲得。非實時數(shù)據(jù)的一個例子就是一個城市的地圖，雖然有時候城市規(guī)劃可能會改變一個城市的地圖，但它應該是多年來改變的結果，而不是每時每刻都在改變。實時數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)隨著時間的推移而變化。數(shù)據(jù)在作出決定時需要收集并做為評判的參考。實時數(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層次。隨著進程的執(zhí)行，相應的數(shù)據(jù)的變化來自于感測數(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，復制消除和應用算法。如圖1中數(shù)據(jù)流量剖面圖所示。當在更高層次變化時，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值。如圖1所示，感測數(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)絡等等。它包括實時數(shù)據(jù)和非實時數(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時和實時的數(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對象,選擇最好的一個。融合數(shù)據(jù)是指通過應用算法來處理過的一個最高級別的數(shù)據(jù)，而不是通過提供的各種重復的數(shù)據(jù)并利用大規(guī)模的命令處理平臺在感測數(shù)據(jù)的基礎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)將最后封裝為準確的和用戶友好型的服務包提供給客戶。 圖1：數(shù)據(jù)流量剖面圖三、系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 對于Web服務，由W3C的正式定義如下：Web服務是指一個通過網(wǎng)絡交互支持互操作的人機交互軟件系統(tǒng)，它有一個機器進程格式描述的接口（特別是WSDL）。其系統(tǒng)以規(guī)定的SOPA信息方式與Web服務交互，通常通過使用HTTP和XML序列和其它Web標準來進行傳輸13。 傳統(tǒng)的SOAP Web服務使用一系列的協(xié)議和標準（RIES協(xié)議和標準）來實現(xiàn)相關的功能。例如使用WSDL服務描述，使用UDDI發(fā)布和查找服務，使用SOAP進行服務請求，使用WSFL處理相互之間的協(xié)作。然而，SOAP協(xié)議也有一些缺點和不足，如可擴展性，緊密耦合性，且不易每個請求都緩存。每一個請求都是一個比較復雜的過程，數(shù)據(jù)使得服務器和帶寬的負載增加。為了解決上述問題，我們提出了REST Web服務，以取代傳統(tǒng)SOAP Web服務，REST第一次被羅伊托馬斯提出僅僅是一種架構形式，而不是一種通用標準。通過使用REST架構形式，我們可以在一定程度上避免了一些缺點并很好利用REST Web服務的優(yōu)勢。例如輕量級的解決方案就不要需要建立一個標準的XML信息作為SOAP XML 標準。 然而，物聯(lián)網(wǎng)的體系結構是聚集和輕質的，Web物聯(lián)網(wǎng)集成的應用程序提供個性化的內(nèi)容和豐富的應用模式。REST的約束“以客戶為無狀態(tài)服務器”，要求狀態(tài)放置在資源或客戶。為了滿足個性化的內(nèi)容和豐富的應用程序，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。集成服務器端Web應用結果的事實是，它不能使用REST的第一個類型來支持數(shù)據(jù)緩存。異構物聯(lián)網(wǎng)的體系結構的架構通過使用不同的JavaScript和XML（AJAX）來設計。AJAX客戶端的REST Web能夠提供良好的支持REST風格的服務，一方面它可以滿足“無狀態(tài)服務器”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器出現(xiàn)的故障。 接下來REST被提出做為設計的標準。作為資源，每一個資源在網(wǎng)絡服務器上都對應于唯一的資源標識符（ID），因此，資源操作通過一個共同的連接器的操作接口，資源標識符將不會改變并且所有的操作都是無狀態(tài)的。由于REST符合上述標準，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，這些四則運算都只是相應的HTTP的GET，POST，PUT和DELETE方法，因此REST這四個URL資源限制這種設計和開發(fā)方法方法的操作。Web應用程序，可以降低開發(fā)的復雜性提高系統(tǒng)的可擴展性14。融合物聯(lián)網(wǎng)的體系結構建立了多個“物理分布參數(shù)邏輯一致性”的信息源數(shù)據(jù)庫，涵蓋了各種基本的通信和信息資源，提供一個統(tǒng)一的標準接口收集，更新和管理資源。所以對于平臺本身的功能，它在遵循REST的CRUD原則下，非常適合使用AJAX和REST的Web 服務框架。要創(chuàng)建REST的Web服務，我們需要確認我們要開放別的系統(tǒng)平臺的資源，包括資源列表，資源細節(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來確認資源。例如，資源可以被確認為“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信息15。四種異構互聯(lián)網(wǎng)的架構代碼由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、實驗結果A. 訪問REST架構的異構物聯(lián)網(wǎng)時，當用戶訪問Web服務器，因為AJAX 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請求。服務器響應客戶端，解析XML信息并轉移服務，然后顯示給用戶。 圖2：數(shù)據(jù)流量剖面圖 當客戶端用GET方法請求服務器通過網(wǎng)絡連接時，如在圖3中所示，服務器返回的是XML文件。此XML文件包括來自在建筑中的更新服務器數(shù)據(jù)并通過PUT方法返回的傳感器。如圖3所示，當用戶訪問時REST架構異構物聯(lián)網(wǎng)時，左側顯示的是建筑物上的無線傳感器網(wǎng)絡，右側顯示的是通過服務器返回的XML文件。這種方法可以很容易地擴展到大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡。 圖3：REST架構的應用程序場景 B.測試REST架構的異構物聯(lián)網(wǎng)的響應時間，圖4顯示的為服務器的響應時間。需要注意的是響應時間是在最高點處連接，一旦連接成功，響應時間就會變得比較平坦。 圖4：TEST服務的測試結果五、結論 一個異構物聯(lián)網(wǎng)開放式的架構如上所組成，這種結構可以加強數(shù)據(jù)的利用效率。此外，它還有有很大的商業(yè)價值，它可以為電子設備制造商提供服務并為第三加盟方做出系統(tǒng)應有的價值和貢獻。致謝這項工作由專項資金重點專業(yè)中國編號2009ZX01039-002-001-07號2010ZX03005-001-03號支持是教育部基礎設施TURE建設項目（2-5-2）。參考文獻1 VERMESAN O，恒信中號，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：歐洲委員會信息社會和2009媒體DG。2物聯(lián)網(wǎng)R。 國際電聯(lián)技術報告，2005。3 CASTELLANI AP，BUI卡薩里P，等。 物聯(lián)網(wǎng)架構和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議：一病例研究C / /第八屆IEEE國際計算與通信工作會議：3月4月29日，2010年，曼海姆，德國。 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)計算，2009，13（3）：48-55。5，薩莫拉JARA AJ AJ，SKARMETA 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