基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)平臺

摘 要：根據(jù)YD/T 2437-2012標(biāo)準(zhǔn)，給出了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)平臺的設(shè)計。討論了為應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求的實現(xiàn)取得網(wǎng)絡(luò)資源支持的途徑，為該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生成和維護(hù)提供了基礎(chǔ)。所得結(jié)果是解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)問題的一種實用性方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；YD/T 2437-2012；覆蓋網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用開發(fā)平臺

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

在國家標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2437-2012[1]的體系結(jié)構(gòu)中 [2]提出了涉及網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)子層。覆蓋網(wǎng)絡(luò)是通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層之上應(yīng)用層子層的虛擬網(wǎng)絡(luò)，它是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求描述的平臺，是由虛擬節(jié)點通過虛擬鏈路連接構(gòu)成的。網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中包括許多異構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施資源的實體節(jié)點，它們是由實體路徑連接起來的。虛擬節(jié)點的選擇涉及網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層實體節(jié)點可分為三類：參考點Ia、參考點Ia”終端和參考點Ia”網(wǎng)關(guān)[1，2]。虛擬鏈路的確定依賴這三類實體節(jié)點各自的功能形成彼此之間相連接的實體路徑。覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，還要有一個將一個具有虛擬節(jié)點和虛擬鏈路約束的覆蓋網(wǎng)絡(luò)映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的過程的映射方案，其中虛擬節(jié)點映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的實體節(jié)點上，虛擬鏈路映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的實體路徑上，而且滿足覆蓋網(wǎng)絡(luò)中虛擬節(jié)點和虛擬鏈路對資源需求的約束。使得覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的虛擬節(jié)點及其被連接虛擬鏈路，可能對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的實體節(jié)點及其被連接的多個實體鏈路中的一個路徑。應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)被要求具備兩方面的功能，既要為應(yīng)用層實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求提供網(wǎng)絡(luò)資源的途徑，又要生成并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了這兩方面的功能得到更清晰的表達(dá)，我們在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，基于YD/T 2437-2012體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步給出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)平臺。

1 應(yīng)用開發(fā)平臺的框架設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)平臺模型（圖1）是在提出了應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)子層[2]的基礎(chǔ)上設(shè)計的。在應(yīng)用開發(fā)平臺框架中，從網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層的視角，把應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)描述為虛擬網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中覆蓋網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用支撐網(wǎng)，作為承載覆蓋網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元是將這三類實體節(jié)點的組合并加以封裝形成的。

圖1 根據(jù)YD/T2437-2012的應(yīng)用開發(fā)平臺框架

具體講，應(yīng)用層的虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用開發(fā)者或用戶完成應(yīng)用開發(fā)提供業(yè)務(wù)需求描述的平臺。業(yè)務(wù)需求描述將通過專門的模型來提出的請求，并提出應(yīng)該把哪些網(wǎng)元組合在一起生成網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，即業(yè)務(wù)需求被解耦為兩個層面：虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)需求模型和網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實現(xiàn)模型提出來的這些請求，還要期待位于網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用支撐網(wǎng)承接虛擬網(wǎng)元的映射的響應(yīng)，然后通過感知延伸代理，從組合節(jié)點容器那里獲得回答。

2 框架模型的主要成分的結(jié)構(gòu)

根據(jù)YD/T2437-2012的應(yīng)用開發(fā)平臺框架涉及應(yīng)用支撐網(wǎng)、感知延伸代理和組合節(jié)點容器等。

2.1 節(jié)點組合容器

YD/T 2437-2012規(guī)定：感知延伸層由物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點、感知延伸網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)，以及傳感器、執(zhí)行器、智能控制等部件構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)通常作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的代理，向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層進(jìn)行注冊、認(rèn)證鑒權(quán)和信息交互等。具有信息采集、標(biāo)識讀取、信息存儲、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層指示執(zhí)行特定動作等能力。感知延伸層實現(xiàn)物理世界信息的采集、自動識別和智能控制。并具體地通過參考點Ia，參考點Ia”， 參考點Id，參考點It和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行信息交互。這些節(jié)點，通常會利用各種近距離技術(shù)、自組織組網(wǎng)技術(shù)等，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)等方式，來實現(xiàn)節(jié)點間的信息傳遞。

大多數(shù)今天的應(yīng)用程序是通過低層的服務(wù)（無論是基于REST 或基于 SOAP） 面向直接訪問資源和/或設(shè)備。實體的抽象，這是IoT-A的關(guān)鍵概念之一，主要介紹了來自處理低層資源的復(fù)雜性和以物聯(lián)網(wǎng)為中心的系統(tǒng)的簡單化實施的抽象。沿著同樣的路線，利用簡單的資源/設(shè)備和其他（物聯(lián)網(wǎng)外部）的服務(wù)為基元，我們將推動“實體服務(wù)”和“集成服務(wù)”作為更高層的抽象，從而隱藏（屏蔽）處理來自物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)者和用戶的復(fù)雜性[3-5]。因此，可以將物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點、感知延伸網(wǎng)等節(jié)點，組合成節(jié)點構(gòu)件。節(jié)點構(gòu)件可以獨立部署或被組裝，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點組合容器。在開發(fā)平臺框架的設(shè)計中，感知延伸層的部件及其相應(yīng)的功能都將融入到節(jié)點組合容器和感知延伸代理這兩個主要成分中。由節(jié)點構(gòu)件組裝而成的節(jié)點組合容器，具有傳感器、執(zhí)行器等部件，通過感知延伸代理，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層的業(yè)務(wù)請求，部署節(jié)點構(gòu)件執(zhí)行。節(jié)點構(gòu)件向外暴露其接口，通過接口向外界提供服務(wù)，并根據(jù)環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整自身行為。根據(jù)業(yè)務(wù)請求感知延伸代理，可以指示節(jié)點組合容器任意選擇或組裝節(jié)點構(gòu)件。節(jié)點組合容器結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括：節(jié)點構(gòu)件，節(jié)點構(gòu)件服務(wù)管理兩部分。

圖2 節(jié)點組合容器結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點組合容器結(jié)構(gòu)圖中，節(jié)點構(gòu)件由節(jié)點構(gòu)件實例和執(zhí)行器組成；節(jié)點構(gòu)件服務(wù)管理涉及傳感器和規(guī)則引擎、規(guī)劃引擎、命名服務(wù)、組合服務(wù)等功能模塊。在具體實現(xiàn)中，節(jié)點組合容器一方面管理節(jié)點構(gòu)件服務(wù)的生命周期，為構(gòu)件實例提供執(zhí)行業(yè)務(wù)請求的運行環(huán)境，另一方面為構(gòu)件訪問服務(wù)管理的功能模塊提供支持。每個構(gòu)件實例的環(huán)境信息模塊，既要截取傳感器中相適應(yīng)的外界信息，又要解析來自感知延伸代理轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)請求。按照規(guī)則引擎、規(guī)劃引擎、命名服務(wù)、組合服務(wù)等預(yù)置的功能模塊，對節(jié)點構(gòu)件實例提供的規(guī)則集、規(guī)劃集、行動集進(jìn)行整合，然后交付執(zhí)行器去實現(xiàn)。

2.2 感知延伸代理

對應(yīng)YD/T 2437-2012的規(guī)定，感知延伸代理包涵物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)、智能控制等部件。一方面感知延伸代理通常作為組合節(jié)點容器中節(jié)點構(gòu)件及其組合的代理，能夠獲知容器中的通信狀態(tài)，并進(jìn)行注冊、認(rèn)證，如果需要，可以向網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層提供；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)在由大量的連接異構(gòu)的設(shè)備構(gòu)成的一個迅速改變的環(huán)境內(nèi)操作，滿足需求驅(qū)動的自適應(yīng)能力的智能體成為必需[6，7]。感知延伸代理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 感知延伸代理結(jié)構(gòu)圖

感知延伸代理作為有決策能力的自主的智能體，能截取來自物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層的消息，并向組合節(jié)點容器發(fā)起會話，也可根據(jù)需要選擇性的向具體節(jié)點構(gòu)件透傳消息，特別應(yīng)用層的消息，啟動執(zhí)行應(yīng)用程序所需的功能。因此，感知延伸代理要將節(jié)點構(gòu)件接收到的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行解釋和分類，并將其分配到相關(guān)的感知延伸代理的部件中，在解析業(yè)務(wù)請求后，需根據(jù)環(huán)境發(fā)生的變化做出決策，實現(xiàn)節(jié)點構(gòu)件之間的動態(tài)協(xié)作，完成來自應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元的業(yè)務(wù)部署。因此，圖3給出的感知延伸代理的結(jié)構(gòu)包含了協(xié)調(diào)控制器、監(jiān)視傳遞模塊、推理決策模塊、感知適配器、和執(zhí)行適配器等部件，具體體現(xiàn)該智能體在復(fù)雜動態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，采取分布式的策略處理機(jī)制，實現(xiàn)感知、決策和執(zhí)行的功能。

協(xié)調(diào)控制器的配置接口接收到業(yè)務(wù)請求時，通過查詢監(jiān)視傳遞模塊和推理決策模塊提供的相關(guān)信息，來確定是否響應(yīng)服務(wù)的請求。在接受請求的服務(wù)過程中，執(zhí)行適配器將調(diào)用相關(guān)的節(jié)點構(gòu)件組合。服務(wù)結(jié)束后，感知適配器將結(jié)果返回，通過協(xié)調(diào)控制器提供給服務(wù)請求者。感知適配器負(fù)責(zé)對節(jié)點組合容器提供相關(guān)的管理接口和功能接口。將異構(gòu)性的各種不同節(jié)點構(gòu)件，進(jìn)行統(tǒng)一抽象后組裝成為各種組件動態(tài)注冊進(jìn)行緩存，并創(chuàng)建、刪除和更新上傳各種組件標(biāo)識，以及面向容器進(jìn)行通信地址的解析。使協(xié)調(diào)控制器可以使用統(tǒng)一的標(biāo)識符實現(xiàn)對異構(gòu)資源的讀寫。執(zhí)行適配器面對節(jié)點組合容器中節(jié)點構(gòu)件，為了解決如何啟動它們有效地完成執(zhí)行功能的問題，需要提供對容器中有限多個節(jié)點構(gòu)件的選擇功能，支持感知適配器和容器之間各種組件的標(biāo)識的協(xié)議適配和轉(zhuǎn)換，并與協(xié)調(diào)控制器的配置接口接收到的業(yè)務(wù)請求動態(tài)綁定。

2.3 應(yīng)用支撐網(wǎng)

在開發(fā)平臺框架的設(shè)計中，應(yīng)用支撐網(wǎng)位于網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層。YD/T 2437-2012規(guī)定，該層承擔(dān)支持和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的交互，支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層的交互，以及向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層相關(guān)狀態(tài)；該層具有網(wǎng)絡(luò)的連接能力、支撐信息的雙向傳遞和控制能力，在此基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層要提供網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、路由的控制、業(yè)務(wù)的控制等功能。按規(guī)定網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層包括兩大部件：核心網(wǎng)絡(luò)（通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)）和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺，并涵蓋參考點In、參考點Ia和參考點Ia”。在此背景下，應(yīng)用支撐網(wǎng)將通過該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)來體現(xiàn)（圖4）。

圖4 應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元上端接口安全接入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，讀取該網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用請求并寫入支撐網(wǎng)的網(wǎng)元。應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元下端接口，向感知延伸代理的協(xié)調(diào)控制器下達(dá)業(yè)務(wù)請求。把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用取決于它們的操作或部署狀態(tài)。當(dāng)然，應(yīng)用部署這個觀念意味著，在一個“事物”的上下文。如果它的關(guān)聯(lián)的“事物”被部署，一個應(yīng)用也就被部署。這自然并不意味著該應(yīng)用的實現(xiàn)，因此，部署和實際之間有必要區(qū)分[8]。加之，物聯(lián)網(wǎng)可以看成是智能物品的互聯(lián)。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，作為智能體的感知延伸代理之間，可以通過自組織的模式建立更高級的協(xié)同智能模型[9]。因此，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用一般抽象為活動間的業(yè)務(wù)邏輯組合，采用流程來表達(dá)，覆蓋網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元可以視為截取流程的部分活動組成的子流程。應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元都對應(yīng)的應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)絡(luò)的子流程，即該網(wǎng)元執(zhí)行的應(yīng)用層下達(dá)的某個特定任務(wù)。應(yīng)用支撐網(wǎng)的網(wǎng)元由數(shù)據(jù)處理引擎、解析器、調(diào)度器、路由規(guī)則模塊、前置路由器和后繼路由器組成。下端接口接受到的感知延伸代理的協(xié)調(diào)控制器上傳的響應(yīng)服務(wù)請求的相關(guān)信息，以及由上端接口下達(dá)的與業(yè)務(wù)請求有關(guān)的子流程的上下文，形成網(wǎng)元的運行環(huán)境。

然而，在物聯(lián)網(wǎng)上下文中，有兩個基本屬性：一個是，每個數(shù)字代理必須有且只有一個識別代表的對象的ID，數(shù)字代理和物理實體之間的關(guān)聯(lián)必須自動的建立；另一個是，環(huán)境變化影響數(shù)字代理的變化，在物理世界中的物理實體上得到體現(xiàn)[10]。因此，數(shù)據(jù)處理引擎需要根據(jù)網(wǎng)元的運行環(huán)境發(fā)生的變化，提供數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地間的映射，向應(yīng)用層上傳流程配置、解析和執(zhí)行的相關(guān)信息。解析器將子流程的描述解析為抽象語法，轉(zhuǎn)換為感知延伸代理，以及前置路由器接收的信息。調(diào)度器采用ECA（事件-條件-活動）規(guī)則審視是否執(zhí)行路由規(guī)則預(yù)定的后繼路由。

3 結(jié) 語

基于YD/T 2437-2012體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開發(fā)平臺由應(yīng)用支撐網(wǎng)、感知延伸代理和組合節(jié)點容器三個主要成分構(gòu)成。應(yīng)用支撐網(wǎng)涵蓋了國家標(biāo)準(zhǔn)中的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺，方便應(yīng)用開發(fā)者或用戶訪問；感知延伸代理被設(shè)計成智能體（Smart Object），它具有根據(jù)模型提出來請求自主向感知延伸層映射，調(diào)用相應(yīng)的組合節(jié)點容器來滿足業(yè)務(wù)需求的功能。組合節(jié)點容器是聚合不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點有限集或傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的獨立服務(wù)組件的抽象，隱藏了它們的異構(gòu)性，其中每一個組合節(jié)點容器都能提供特定感知和執(zhí)行的功能，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)所必需的支撐環(huán)境，是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力的基礎(chǔ)設(shè)施的體現(xiàn)，滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)者差異化的實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的重復(fù)利用。此外，本文限于揭示開發(fā)平臺功能性，非功能方面的性能還待補充。

參考文獻(xiàn)

[1]中國工業(yè)和信息化部.物聯(lián)網(wǎng)總體框架與技術(shù)要求（YD/T 2437-2012）[S].北京：人民郵電出版社，2013.

[2] 魏歌.物聯(lián)網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的層次定位及其構(gòu)建的研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2014，4（7） ：15-16，19.

[3] Haller， S.， The Things in the Internet of Things[C]. Proceedings of Internet of Things Conference 2010， Tokyo， 2010

[4] L. Richardson， S. Ruby. RESTful Web Services[M]. OReilly Media， May 2007.

[5] D. Guinard， V. Trifa， T. Pham，et al. Towards Physical Mashups in the Web of Things[C].IEEE Sixth International Conference on Networked Sensing Systems， Pittsburgh， USA， June 2009

[6] Marko Koprivica. Self-Adaptive Requirements-Aware Intelligent Things[J]. International Journal of Internet of Things， 2013， 2（1）： 1-4.

[7] Furdík K， Lukác G. Events Processing and Device Interoperability in a Smart Office IoT Application[C].Proceedings of the 23rd Central European Conference on Information and Intelligent Systems （CECIIS 2012）. University of Zagreb， Croatia. 2012： 387-394.

[8] G. Martin，et al. IoT-A Project Deliverable D2.1 - Resource Description Specification[R]， 2012.

[9] 陳海明，崔莉，謝開斌. 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法的比較研究[J].計算機(jī)學(xué)報，2013， 36 （1）： 168-188.

[10] Serbanati A， Medaglia C M， Ceipidor U B. Building blocks of the internet of things： State of the art and beyond[M]. Deploying RFID-Challenges， Solutions， and Open Issues. C. Turcu， Ed.， ed： InTech， 2011.