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

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）平臺已經(jīng)在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)這種架構(gòu)，優(yōu)點是數(shù)據(jù)的效率高。實驗結(jié)果能很好的表現(xiàn)和驗證所提出的架構(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(chǔ)設(shè)施可進行數(shù)據(jù)的采集而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)未來。一個實用的物聯(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)是一個靈活的和可收縮的基礎(chǔ)設(shè)施，便于節(jié)點的管理3。在華盛頓大學(xué)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(luò)的能管理個人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(shè)計，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。該解決方案在一個真實的案例研究中，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)對象的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)非常熱門，其中包含6個部分：應(yīng)用程序接口，服務(wù)管理，設(shè)備管理，安全性，平臺抽象和設(shè)備裝置8。9一個有價值的應(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)備的價值。中國所提議的物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)：工業(yè)/區(qū)域一級，國家一級，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)通過信譽為本的擁塞控制計劃可以提供電信級的服務(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空間；然而，一些數(shù)據(jù)可能毫無價值意義，這將導(dǎo)致存儲和網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該采集大；量混亂的數(shù)據(jù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該提供一個安全的API和單獨的設(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Web服務(wù)，然后提出了一個基于狀態(tài)傳輸風(fēng)格的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的開放架構(gòu)。此外，一個基于此架構(gòu)的系統(tǒng)平臺已經(jīng)在應(yīng)用中。實驗結(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(wù)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(yīng)該是多年來改變的結(jié)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(yīng)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(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，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(luò)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(yīng)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(fù)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(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)計與實現(xiàn) 對于Web服務(wù)，由W3C的正式定義如下：Web服務(wù)是指一個通過網(wǎng)絡(luò)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(wù)交互，通常通過使用HTTP和XML序列和其它Web標(biāo)準(zhǔn)來進行傳輸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進行服務(wù)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(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并很好利用REST Web服務(wù)的優(yōu)勢。例如輕量級的解決方案就不要需要建立一個標(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)果的事實是，它不能使用REST的第一個類型來支持?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。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)計的標(biāo)準(zhǔn)。作為資源，每一個資源在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上都對應(yīng)于唯一的資源標(biāo)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(biāo)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(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，這些四則運算都只是相應(yīng)的HTTP的GET，POST，PUT和DELETE方法，因此REST這四個URL資源限制這種設(shè)計和開發(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)的可擴展性14。融合物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)框架。要創(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、實驗結(jié)果A. 訪問REST架構(gòu)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)時，當(dāng)用戶訪問Web服務(wù)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(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方法請求服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)連接時，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REST架構(gòu)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)時，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擴展到大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。 圖3：REST架構(gòu)的應(yīng)用程序場景 B.測試REST架構(gòu)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的響應(yīng)時間，圖4顯示的為服務(wù)器的響應(yīng)時間。需要注意的是響應(yīng)時間是在最高點處連接，一旦連接成功，響應(yīng)時間就會變得比較平坦。 圖4：TEST服務(wù)的測試結(jié)果五、結(jié)論 一個異構(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(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(chǔ)設(shè)施TURE建設(shè)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(shù)報告，2005。3 CASTELLANI 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