基于REST架構(gòu)的泛在物聯(lián)通信技術(shù)研究

朱 紅

（西安市公安局，西安 710003）

基于REST架構(gòu)的泛在物聯(lián)通信技術(shù)研究

朱 紅

（西安市公安局，西安 710003）

本文首先研究了當(dāng)前泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與REST架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，然后研究了REST架構(gòu)在泛在環(huán)境中應(yīng)用方案，尤其是REST架構(gòu)的資源描述模型和資源管理系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，最后提出了一種REST架構(gòu)在泛在物聯(lián)環(huán)境中的應(yīng)用解決方案。

泛在；物聯(lián)；通信技術(shù)；REST架構(gòu)；資源描述模型；資源管理系統(tǒng)

1　泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的概念

對于泛在網(wǎng)的概念［1］，國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化組織（ITU-T）的定義為：泛在網(wǎng)（Ubiquitous Network）是個人和/或設(shè)備在預(yù)訂服務(wù)的情況下以對服務(wù)被接入的地點(diǎn)、時(shí)間和方式的最少技術(shù)限制接入到服務(wù)和通信的能力。即具有支持“任何服務(wù)、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何對象”的各類應(yīng)用/服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力的網(wǎng)絡(luò)。

泛在網(wǎng)絡(luò)是廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，它的基本特征是無所不在、無所不包、無所不能，以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物都能順暢地通信為目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)和泛在網(wǎng)是不同的技術(shù)范疇。物聯(lián)網(wǎng)覆蓋的設(shè)備和技術(shù)寬泛，包括傳感器、近場通信（或稱為近程通信、近距離通信）等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物與物之間、物與人之間的連接。而泛在網(wǎng)的范圍更大，可以實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、人與人之間的通信和連接，換句話說，泛在網(wǎng)絡(luò)是對物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等的聚合。

2　泛在物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

泛在網(wǎng)絡(luò)力求實(shí)現(xiàn)人與周邊的事物和諧交互，從而實(shí)現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。泛在網(wǎng)絡(luò)資源具有以下典型特征：

首先，泛在網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備可達(dá)性。資源能否被成功訪問是資源使用者最關(guān)心的問題之一。事實(shí)上有許多設(shè)備并不具備基本的通信和計(jì)算能力，而無法接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中或者完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，因此，擴(kuò)展這些設(shè)備的能力是很有必要的。同時(shí)，由于沒有標(biāo)準(zhǔn)化的泛在資源之間的通信協(xié)議，使得在設(shè)備接入時(shí)完成一些協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作。［2］

其次，泛在網(wǎng)絡(luò)資源具有動態(tài)性。在泛在環(huán)境下，提供資源的服務(wù)器通常是可移動的。如網(wǎng)關(guān)、傳感器、智能終端等，這些設(shè)備一般在部署時(shí)通過無線通信方式加入到網(wǎng)絡(luò)中，由于部署的需要或者設(shè)備本身的物理屬性，它們可能移動到不同的地點(diǎn)，隨著物理位置發(fā)生變化，它們的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（如IP地址）也會發(fā)生變化。因此，資源可能由于設(shè)備的移動或者斷開連接而不可用，這就要求泛在網(wǎng)關(guān)資源的使用者必須能夠動態(tài)的發(fā)現(xiàn)哪些資源可用［3］。

第三，泛在資源是海量的，并且增長、變化速度很快。在設(shè)計(jì)相關(guān)平臺和設(shè)備（如網(wǎng)關(guān)）時(shí)必須考慮這一特點(diǎn)，目前，最為常見的兩種部署架構(gòu)是集中式和分布式。集中式一般有一個管理中心對全局范圍的所有資源進(jìn)行管理，優(yōu)點(diǎn)是資源集中管理，建設(shè)成本低、維護(hù)簡單；缺點(diǎn)是會帶來資源的實(shí)時(shí)性受影響，資源的安全性變得更加復(fù)雜，不能靈活適用于不同的業(yè)務(wù)場景，管理中心的負(fù)載較高等。分布式部署則將管理中心的全部或者部分能力交由局域控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。在分布式架構(gòu)中，控制節(jié)點(diǎn)之間通過相互協(xié)作和同步完成對其接入資源的管理，分布式或者中心化架構(gòu)更適合對泛在網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行管理，網(wǎng)關(guān)則作為局域控制節(jié)點(diǎn)，不僅具備接入設(shè)備和管理設(shè)備的能力，同時(shí)可以支撐嵌入式服務(wù)器［4］。

圖1　典型的泛在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3　REST架構(gòu)的特點(diǎn)

REST（Representational State Transfer）描述了一個架構(gòu)樣式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它同樣是一種Web Serice實(shí)現(xiàn)方案。REST首次出現(xiàn)在2000年Roy Fielding的博士論文中，他是HTTP規(guī)范的主要編寫者之一。

REST是一組架構(gòu)約束條件和原則，滿足這些約束條件和原則的應(yīng)用程序或設(shè)計(jì)就是RESTful。在服務(wù)器端，應(yīng)用程序狀態(tài)和功能可以分為各種資源，資源可以是應(yīng)用程序?qū)ο?、?shù)據(jù)庫記錄、算法、文件、音視頻資源以及設(shè)備（如網(wǎng)關(guān)、智能終端、智能傳感設(shè)備）等。每個資源都使用URI（Universal Resource Identifier）得到一個惟一的地址，所有資源都共享統(tǒng)一的接口，以便在客戶端和服務(wù)器之間傳輸狀態(tài)。使用的是標(biāo)準(zhǔn)的HTTP方法，比如GET，PUT，POST，DELETE。

REST另一個原則是，客戶端和服務(wù)器之間的交互在請求之間是無狀態(tài)的，從客戶端到服務(wù)器的每個請求都必須包含理解請求所必需的信息，如果服務(wù)器在請求之間的任何時(shí)間點(diǎn)重啟，客戶端不會得到通知。此外，無狀態(tài)請求可以由任何可用服務(wù)器回答，這十分適合云計(jì)算之類的環(huán)境，客戶端可以緩存數(shù)據(jù)以改進(jìn)性能。

4　基于REST架構(gòu)的泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案

REST架構(gòu)是基于資源訪問的Web服務(wù)，這一特點(diǎn)是非常符合泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的。通過對包括平臺服務(wù)（如應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、文件資源等）及泛在設(shè)備（如網(wǎng)關(guān)、傳感器、控制器、采集器、智能終端）進(jìn)行資源定義，可有效屏蔽泛在網(wǎng)絡(luò)固有的接入異構(gòu)性，同時(shí)，也為服務(wù)與設(shè)備的快速部署與退出提供有效的技術(shù)手段，這是REST引入泛在物聯(lián)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)Web應(yīng)用方案應(yīng)用在泛在物聯(lián)網(wǎng)，會隨著服務(wù)部署、中間件的部署及物聯(lián)設(shè)備的部署的增加，整個系統(tǒng)的復(fù)雜性也會非線性的增加，甚至?xí)兊秒y以維護(hù)和管理。2005年Luchenbach提出了Web of Things的概念，主張?jiān)谖锫?lián)網(wǎng)中引入輕量級的Web Service技術(shù)［5］，［6］。到了2009年，Guinard又提出通過智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Web Of Things，將物體與服務(wù)實(shí)現(xiàn)REST通信［7］。

4.1泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的資源描述模型

泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各種異構(gòu)終端、設(shè)備和系統(tǒng)的能力與數(shù)據(jù)信息等均可抽象為特定的資源，但是應(yīng)該注意的是針對不同的資源，描述的語法和語義都有或大或小的差異性，因此不適合資源之間的協(xié)同工作和有效組織及管理。定義統(tǒng)一的資源描述框架可以便于實(shí)現(xiàn)資源發(fā)現(xiàn)與搜索、資源動態(tài)調(diào)度等資源管理機(jī)制，便于資源之間的信息共享與協(xié)同工作以便對異構(gòu)資源進(jìn)行更高效更智能化與自動化的聚合與使用［7］，［8］。表1詳細(xì)說明了資源描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表1　資源描述模型

4.2資源搜索

泛在物聯(lián)環(huán)境下，設(shè)備或終端具有海量性及移動性，業(yè)務(wù)則具有聚合性與動態(tài)性，而資源是集中或分布式管理的，因此，資源需具有良好的可發(fā)現(xiàn)性，也即能快速搜索獲取［9］，［10］。

資源的發(fā)現(xiàn)需從設(shè)備發(fā)現(xiàn)和注冊的過程開始，在已有的一些研究中包括UPnP，JiNi等已經(jīng)一定程度上解決了這個問題，同時(shí)考慮到資源受限的場景下，資源應(yīng)該盡量減少傳輸開銷，包括HTTP compression等研究都提供相應(yīng)的思路，但是很多設(shè)備還不具備實(shí)現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)和注冊協(xié)議的能力。為了解決這個問題，有必要為設(shè)備擴(kuò)展基本的被發(fā)現(xiàn)的能力。另外，海量的資源必須有效的組織，才具備可搜索性。

在泛在物聯(lián)應(yīng)用的解決方案中，需提供基于語義本體的資源描述框架。RDF作為一種資源描述框架，將資源、資源的屬性和具體資源的屬性值很好地結(jié)合起來共同定義一個資源。RDF用形如“主體-謂詞-客體”的三元組來描述Web上的各種資源和它們之間的關(guān)系，并提供一種基本的結(jié)構(gòu)在Web上對這些元數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、交換和重用。通過兩個工具的支持：URI用來區(qū)分和標(biāo)識一個聲明中的主體、謂詞和客體的機(jī)器可處理的標(biāo)識符系統(tǒng)；XML用以表示以這些聲明，并且這些聲明可在機(jī)器間交流的機(jī)器可處理的語言［11］。

4.3應(yīng)用解決方案

基于REST架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，最核心的思想是將服務(wù)、數(shù)據(jù)與實(shí)體進(jìn)行資源化，并提供搜索及獲取資源有效手段，因此，應(yīng)用系統(tǒng)解決方案的核心就是要建立資源管理系統(tǒng)。資源管理系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2　資源管理系統(tǒng)

從圖2中可以看出，資源管理系統(tǒng)包括服務(wù)資源、數(shù)據(jù)、實(shí)體等資源的分類管理，每類管理模塊中包含資源注冊、資源發(fā)現(xiàn)等功能，整個資源庫可通過引擎進(jìn)行查詢、搜索。泛在環(huán)境下的各應(yīng)用系統(tǒng)及實(shí)體（如網(wǎng)關(guān)、智能移動終端、智能傳感器等）可在資源管理系統(tǒng)進(jìn)行注冊，并通過查詢搜索引擎進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)資源的屬性，并通過獲取的信息，訪問資源。

因此，資源管理系統(tǒng)在整個應(yīng)用系統(tǒng)中，起著非常重要的作用，泛在環(huán)境下典型的通信流程如圖3所示。

圖3　資源訪問通信流程

1.資源訪問者向資源管理系統(tǒng)發(fā)起查詢請求。

2.資源管理系統(tǒng)向訪問者返回資源信息。

3.如果泛在資源不可直接連接泛在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，則根據(jù)資源信息，向其所在網(wǎng)關(guān)發(fā)起訪問請求。

4.網(wǎng)關(guān)訪問泛在資源。

5.泛在資源將訪問結(jié)果返回給網(wǎng)關(guān)。

6.網(wǎng)關(guān)將結(jié)果返回給資源訪問者。

3’.如果泛在資源直接在泛在環(huán)境中可訪問，則資源訪問者直接訪問泛在資源。

6’.泛在資源將訪問結(jié)果直接返回給資源訪問者。

基于資源管理系統(tǒng)，我們可重新架構(gòu)泛在物聯(lián)環(huán)境下的應(yīng)用解決方案，如圖4所示。

圖4　REST架構(gòu)下的泛在物聯(lián)應(yīng)用解決方案架構(gòu)

在這樣的系統(tǒng)架構(gòu)下，資源管理系統(tǒng)成為整個泛在物聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)的核心伺服系統(tǒng)，資源管理系統(tǒng)可為整個應(yīng)用系統(tǒng)提供高效的運(yùn)行機(jī)制。資源管理系統(tǒng)為應(yīng)用層和感知層設(shè)備提供資源的注冊、管理、搜索查詢等。各類泛在物聯(lián)應(yīng)用在資源管理系統(tǒng)的強(qiáng)大支撐下，快速獲取各種所需的資源信息，并根據(jù)各自的業(yè)務(wù)需求發(fā)起訪問流程，如讀取各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備參數(shù)；直接或通過泛在網(wǎng)關(guān)控制各類終端系統(tǒng)。

5　結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合最終形成泛在網(wǎng)，這是發(fā)展趨勢，在此過程中，最大的挑戰(zhàn)是物聯(lián)網(wǎng)固有的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、通信協(xié)議的異構(gòu)性，這些差異在一定情況下，是互聯(lián)互通的最大障礙。基于REST架構(gòu)的泛在物聯(lián)環(huán)境，為解決這種鴻溝提供了很好的手段，但離最終解決所有問題還有很長的路要走。在這種現(xiàn)實(shí)下，為資源化解決方案找到更高效的資源描述模型及發(fā)現(xiàn)搜索機(jī)制是很值得探索的。

［1］張春紅，裘曉峰等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2011

［2］Golenberg K， Kimelfeld B， Sagiv Y. Keyword proximity search in complex data graphs［C］//Proceedings of the 2008 ACM SIGMOD international conference on Management of data. ACM， 2008：927-940

［3］Amer-Yahia， S.， Koudas， N.， Marian， A.， Srivastava， D.， Toman， D.：Structure and Con-tent Scoring for XML. In：VLDB， pp. 361-372 （2005）

［4］Mihalcea， R.， & Tarau， P. TextRank：Bringing order into texts. In Proceedings of empirical methods in natural language processing（2006），pp. 404-411

［5］Brin， S.， & Page， L. The anatomy of a large-scale hypertextual web search engine. Computer Networks and ISDN Systems（1998）， 30， 1-7

［6］Chang J H，Lee W S：Finding frequent itemsets over online data strems. Information and Software Technology，2006，48：606-618

［7］Fung B C M，Wang Ke，Easter M.Heirarchical document clustering using frequent itemsets［C］. Proceedings of SDM，2003

［8］Porter， M. （1980）. An algorithm for suffix stripping. Program， 14（3）， 130-137

［9］W3C.The SSN Ontology of the W3C Semantic Sensor Network Incubator Group.2011

［10］Resnik， P. （1995）. Using information content to evaluate semantic similarity in a taxonomy. In C. S Mellish （Ed.）. 14th international joint conference on artificial intelligence， IJCAI 1995 （Vol. 1， pp. 448-453）. Montreal， Quebec， Canada：Morgan Kaufmann Publishers Inc

［11］Lin， D. （1998）. An information-theoretic definition of similarity. In J. Shavlik （Ed.）， Fifteenth international conference on machine learning，ICML 1998 （pp. 296-304）. Madison， Wisconsin， USA：Morgan Kaufmann

Things Communications Technology Research based on REST Architecture Pan

Zhu Hong （Xi'an Public Security Bureau， Xi'an， 710003）

This paper studies the current ubiquitous network environment Things REST architecture and technical characteristics， Both the current situation and development. During the inspection of the typical characteristics of ubiquitous environment based on， REST architecture studies at the Pan applications in the environment， Focuses on the REST architecture of resource description models， And resource management system prototyping on this resource description models， Finally， a REST architecture application solutions in the pan IOT environment.

Ubiquitous； Things； Communications technology； REST architecture； Resource Description Model； Resource Management System

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.03.009

TN92

A

1672-7274（2015）03-0038-04