基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

摘 ?要： 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)、智能終端技術(shù)等發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用。本文認(rèn)為，其體系結(jié)構(gòu)既要滿足對互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的繼承性，又能反映物體、服務(wù)等在現(xiàn)實(shí)世界中的相互關(guān)系?；诖擞^點(diǎn)，提出了基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，給出了物體之間關(guān)系的構(gòu)建方法，提出了關(guān)系域、物體的關(guān)系屬性的概念。物體之間關(guān)系的建立，真實(shí)反映了物體在現(xiàn)實(shí)世界中的關(guān)系屬性，對物聯(lián)網(wǎng)的兼容性、安全性、可靠性及智能應(yīng)用具有重要作用。

關(guān)鍵詞：?物聯(lián)網(wǎng);體系結(jié)構(gòu);關(guān)系層

中圖分類號： TP393????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.029

本文著錄格式：丁義. 基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[J]. 軟件，2019，40（9）：124-128

Internet of Things Architecture Based on Relationship

DING Yi

（Department of computer science and technology， Dezhou University， Dezhou 253023， China）

【Abstract】： Internet of things is the integration of several technologies such as the Internet， wireless sensor networks， smart terminals and so on. We think that its architecture not only satisfy the succession of the internet， but also reflect the relationship among entities and services similar to what happens in the real world. Based on this viewpoint， we propose the relation-oriented architecture of internet of things. The construction of relations?is elaborated?and the domain of relation， attribute?of relation?are also proposed. These relations among entities， which reflect the attribute of objects in real world， are important to the compatibility， security， reliability， and intelligence?application?of internet of things.

【Key words】： Internet of things; Architecture; Relation?layer

0??引言

物聯(lián)網(wǎng)的概念^[1]自1999年由Ashton教授提出后，迅速成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并受到各國政府的重視。2008年，美國國家情報委員會將其列為對美國國力有潛在影響的六大技術(shù)之一，并預(yù)測到2025年，日常生活中的物體均會成為網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點(diǎn)^[2]。2009年，溫家寶總理提出“感知中國”的概念，進(jìn)一步推動了國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)步伐。目前，較為認(rèn)可的物聯(lián)網(wǎng)定義為^[3]：物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

早期的物聯(lián)網(wǎng)，其典型架構(gòu)主要有歐美的EPC（Electronic Product Code）體系^[4]和日本的UID（Ubiquitous Identification）體系^[5]。這兩種體系在各自政府支持和企業(yè)推動下已推廣應(yīng)用，但架構(gòu)中都存在后臺數(shù)據(jù)和用戶隱私的安全問題^[6]。目前，對該領(lǐng)域的研究主要分為兩方面，一是在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)層次化功能模型的基礎(chǔ)上拓展^[7-11]?和探索非層次化的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)^[12，13]，從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究的角度出發(fā)，解決物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)機(jī)理、信息整合等應(yīng)用領(lǐng)域的共性問題;二是從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，解決大量物體接入網(wǎng)絡(luò)后，引起的知識表示、存儲搜索、信息組織等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的具體問題^[14-16]。

網(wǎng)絡(luò)層依據(jù)物體移動引起的拓?fù)渥兓?、以及關(guān)系節(jié)點(diǎn)給出的關(guān)系描述，識別所有可利用的候選資源并評估其代價，匹配可以利用的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行資源分配，配置虛擬節(jié)點(diǎn)，建立虛擬鏈路，構(gòu)建新的虛擬拓?fù)?。在?jié)點(diǎn)映射階段，首先選擇和分配節(jié)點(diǎn)，而不考慮它們與鏈路映射階段的關(guān)系，順序得到節(jié)點(diǎn)和鏈路的映射^[24];也可以將節(jié)點(diǎn)和鏈路映射同時執(zhí)行，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡^[25]。

2.3物體的關(guān)系屬性

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，需要對物體的屬性進(jìn)行標(biāo)識。屬性包括靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性可以直接存儲在電子標(biāo)簽中，動態(tài)屬性由傳感器實(shí)時探測，需要識別設(shè)備完成對物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。

為更好地描述物體在現(xiàn)實(shí)世界中的相互關(guān)系，在物體的電子編碼中增加關(guān)系屬性標(biāo)識。同樣，關(guān)系屬性也包括靜態(tài)關(guān)系屬性和動態(tài)關(guān)系屬性。比如物體與生產(chǎn)者之間的關(guān)系貫穿于物體的整個生命周期，屬于靜態(tài)關(guān)系;出租車與乘客的關(guān)系屬于動態(tài)關(guān)系。在關(guān)系域中，通過物體的關(guān)系屬性描述物體之間的相互關(guān)系。

目前EPC體系是三級域名解析體系，其標(biāo)準(zhǔn)制定者制定了編碼、解析及傳輸協(xié)議等規(guī)則，擁有編碼解析主服務(wù)器、中央數(shù)據(jù)庫，實(shí)際控制了全球生產(chǎn)流通企業(yè)注冊、物品編碼的發(fā)放，掌握了信息流向，所有工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、商品流通等重要信息也就被編碼解析服務(wù)器擁有者全面獲取^[26]。而物體之間關(guān)系的建立，有望改變物體的身份識別方式。因此，研究制定關(guān)系屬性的標(biāo)準(zhǔn)，確定關(guān)系屬性的編碼規(guī)則，從根本上改變受制于人的局面，對我國的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要的意義。

2.4 關(guān)系的應(yīng)用

基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只能被動傳輸數(shù)據(jù)的體系結(jié)構(gòu)，關(guān)系節(jié)點(diǎn)可駐留系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序，能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)的計算功能，也允許用戶視特定應(yīng)用向關(guān)系節(jié)點(diǎn)插入定制的程序，以便修改、存儲或重定向網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，從而極大地改善了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力，為提供智能應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是建立物體之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信息資源的共享，如產(chǎn)品追溯系統(tǒng)。通過信息的實(shí)時采集，物體的屬性特征實(shí)時動態(tài)地傳送到關(guān)系節(jié)點(diǎn)，關(guān)系節(jié)點(diǎn)通過關(guān)系屬性建立關(guān)系，應(yīng)用服務(wù)通過終端訪問請求調(diào)用關(guān)系。關(guān)系通過定義在關(guān)系節(jié)點(diǎn)之上的執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)完成應(yīng)用。如前所述，關(guān)系既可在同一關(guān)系節(jié)點(diǎn)內(nèi)部建立，也可在關(guān)系節(jié)點(diǎn)之間建立，因此在關(guān)系的應(yīng)用中，執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)可嵌套調(diào)用，即執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)既能調(diào)用同一關(guān)系節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)，也能調(diào)用其它關(guān)系節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)。圖4給出了關(guān)系節(jié)點(diǎn)中關(guān)系的應(yīng)用示例。

關(guān)系層可看作是關(guān)系域的集合，每個關(guān)系節(jié)點(diǎn)由一個或若干個執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)實(shí)體組成，關(guān)系節(jié)點(diǎn)間通過虛擬化的方法由各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接在一起，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依舊可以工作在關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中。應(yīng)用服務(wù)通過關(guān)系調(diào)用實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用，運(yùn)行于關(guān)系節(jié)點(diǎn)之上的執(zhí)行環(huán)境和數(shù)據(jù)實(shí)體完成關(guān)系計算，提供物體之間的各種關(guān)系應(yīng)用。例如追蹤物體的蹤跡，可通過關(guān)系屬性將物體的行進(jìn)路線在相關(guān)監(jiān)控中直接提取出來。每個執(zhí)行環(huán)境由一個獨(dú)立的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)解釋物體的關(guān)系屬性及到達(dá)節(jié)點(diǎn)的分組的電子編碼含義，不同的執(zhí)行環(huán)境定義不同的虛擬機(jī)。對于具體的應(yīng)用服務(wù)而言，關(guān)系屏蔽了數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和執(zhí)行環(huán)境的差異;對于執(zhí)行環(huán)境而言，關(guān)系屏蔽了不同應(yīng)用的相互影響。

從以上應(yīng)用描述可以看出，基于關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的以實(shí)現(xiàn)端到端傳輸機(jī)制為設(shè)計準(zhǔn)則的互聯(lián)網(wǎng)^[27]，轉(zhuǎn)變?yōu)橐躁P(guān)系為中心的網(wǎng)絡(luò)。

3 ?結(jié)束語

本文提出了基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，給出了物體之間關(guān)系的構(gòu)建方法，提出了關(guān)系域、物體的關(guān)系屬性的概念。物體之間關(guān)系的建立，真實(shí)反映了物體在現(xiàn)實(shí)世界中的屬性，對物聯(lián)網(wǎng)的可用性、安全性、可靠性具有重要作用。

關(guān)系層是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的高度抽象，它屏蔽了來自網(wǎng)絡(luò)層和感知層的通信細(xì)節(jié)。對應(yīng)用層來說，這種屏蔽將允許底層數(shù)據(jù)通信協(xié)議的動態(tài)選擇以及新的傳感技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，提高系統(tǒng)的兼容性，將傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)傳輸為主要功能的網(wǎng)絡(luò)，變換為以關(guān)系應(yīng)用為中心的網(wǎng)絡(luò)。

在基于關(guān)系的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)框架下，由于物體之間關(guān)系的復(fù)雜性，身份認(rèn)證、關(guān)系屬性編碼、網(wǎng)絡(luò)評價與度量模型等，將是我們進(jìn)一步研究的???課題。

參考文獻(xiàn)

• Auto-Id Labs [EB/OL]， http：//www.autoidlabs.org.
• Luigi A， Antonio I， Giacomo M. The Internet of Things： A survey. Computer Networks. 2010， 54（15）： 2787-2805
• 朱洪波， 楊龍祥， 于全. 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想與應(yīng)用策略研究. 通信學(xué)報， 2010， 31（11）： 2-9.
• EPC global [EB/OL]. The EPCgloble Architecture Frame work. http：//www.gs1.org/epcglobal/standards/architecture.
• Ubiquitous ID Center [EB/OL]. Ubiquitous ID Architecture. http：//www.Uidcenter.org/English/architecture.html.
• 寧煥生， 徐群玉. 全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及中國物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)若干問題思考. 電子學(xué)報. 2010， 38（11）： 2590-2599.
• Internet of Things in 2020： Roadmap for the Future. EpoSS.
• 馬華東. 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究. 國家973計劃項目[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/6739b872027 68e99 51e 73833. html
• Dunkels A， Vasseur J P， IP for Smart Objects， Internet Protocol for Smart Objects （IPSO） Alliance， White Paper #1， September 2008[EB/OL]， http：//www.ipso-alliance.org.
• Hui J， Culler D， Chakrabarti S， 6LoWPAN： Incorporating IEEE 802. 15.4 Into the IP Architecture–Internet Protocol for Smart Objects （IPSO） Alliance， White Paper #3， January 2009[EB/OL]， http：//www.ipso-alliance.org.
• Gershenfeld N， Krikorian R， Cohen D. The internet of things. Scientific American， 2004， 291（4）： 76-81
• Jacobson V， Content Centric Networking， Presentation at DARPA Assurable Global Networking， January 30， 2007.
• Koponen T， Chawla M， chun B， et al， A data oriented （and beyond） network architecture. ACM SIGCOMM Computer Communication Review. 2007， 37（4）： 181-192
• Toma I， Simperl E， Hench G， A joint roadmap for semantic 1699 technologies and the internet of things， //Proceedings of the Third STI Roadmapping Workshop， Crete， Greece， June 2009. ?
• Guinard D， Trifa V， et al. Interacting with the SOA-based Internet of Things： Discovery， Query， Selection， and On-?Demand Provisioning of Web Services. IEEE Transactions on Service Oriented Computing， 2010， 3（3）： 223-235
• Guinard D， Vlad T. Towards the web of things： web mashups for embedded devices， //Proceedings of the International World Wide Web Conference 2009 （WWW 2009）， Madrid， Spain， April 2009.
• 沈蘇彬， 范曲立， 宗平等. 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究. 南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2009， 29（6）： 1-11.
• 吳建平， 劉瑩， 吳茜. 新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)理論研究進(jìn)展. 中國科學(xué)?E輯： 信息科學(xué). 38（10）， 2008. 1540-1564.
• Dominique G， Domnic S. Interacting with the SOA-Based Internet of Things： Discovery， Query， Selection， and On-?Demand Provisioning of Web Services. IEEE Transac tions on services computing， 2010， 3（3）： 223-235.?
• Milgram， S. The small world problem. Psychology Today， 1967， 2： 60-70
• Elmacioglu E， Lee D. On six degrees of separation in DBLP-DB and more. ACM SIGMOD Record， 2005， 34（2）： 33–40.
• Laoutaris N， Sirivianos M， Yang X Y， et al. Inter-Datacenter bulk transfers with netstitcher. ACM SIGCOMM， 2011.
• Mosharaf Kabir Chowdhury N M， Boutaba R. A survey of network virtualization. Computer Networks. 2010， 54（5）： 862-876.?
• Houidi I， Louati W， Bean-Ameur W， et al. Virtual network provisioning across multiple substrate networks. Computer Networks， 2011， 55（4）： 1011-1023.
• Werle C， Bless R. Papadimitriou P， et al. Building virtual networks across multiple domains. ACM SIGCOMM， 2011， 412-413.?
• 劉亞東. 中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及基礎(chǔ)思考[EB/OL]. http：//www.?ipv6edu.com.
• Paul S， Pan J L， Jain R. Architectures for the future networks and the next generation internet： a survey. Computer Communications， 2011， 34（1）： 2-42.?