面向物聯(lián)網(wǎng)的資源片互操作中間件技術(shù)研究

劉瑜

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);資源片;互操作性;元數(shù)據(jù)

0引言

由于物聯(lián)網(wǎng)的各種功能和云構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，所以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的互操作性提出了更多的要求。當(dāng)前一些標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注具體的物聯(lián)網(wǎng)互操作性問(wèn)題，并提出了許多解決方案。然而與底層系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化相比，大多數(shù)提出的物聯(lián)網(wǎng)互操作性解決方案是靜態(tài)的，雖然可以通過(guò)引入針對(duì)特定用途的預(yù)部署軟件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但缺乏相應(yīng)的技術(shù)來(lái)提供和配置這樣的軟件?；诖?，為了滿足特定應(yīng)用的需要，以及將此類軟件與其他解決方案有效結(jié)合起來(lái)，從而提供所需的互操作性橋梁，可以通過(guò)使用預(yù)部署的協(xié)議橋、語(yǔ)義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心、傳感器數(shù)據(jù)語(yǔ)法和元數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)其配置過(guò)程進(jìn)行觀察。

當(dāng)客戶端需要一組物聯(lián)網(wǎng)資源、網(wǎng)絡(luò)功能資源和云資源，但這些資源由于某些原因不能互操作時(shí)，需要嘗試通過(guò)具有良好定義的接口服務(wù)來(lái)為有需要的互操作性解決方案獲取和控制資源，而此方法在當(dāng)下的物聯(lián)網(wǎng)和云系統(tǒng)中已經(jīng)很常見(jiàn)。因此認(rèn)為，需要對(duì)資源進(jìn)行獲取和控制的，主要是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集，因?yàn)槠湫枰ㄟ^(guò)大量的資源來(lái)滿足各種應(yīng)用需求。在整個(gè)資源的獲取和控制過(guò)程中，資源片是在特定上下流程中為特定應(yīng)用程序建立的一組資源。

同時(shí)需要考慮如何使這樣一組資源可以進(jìn)行互操作，因?yàn)樵跒閼?yīng)用程序提供基于其特定上下流程的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，不能保證所有的資源和供應(yīng)商對(duì)現(xiàn)有的用來(lái)實(shí)現(xiàn)互操作協(xié)議、數(shù)據(jù)格式的服務(wù)完全已知。因此開(kāi)發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能和云資源協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)服務(wù)，以期其可以通過(guò)使用新的資源來(lái)增加客戶機(jī)的數(shù)據(jù)資源，從而對(duì)互操作性面臨的問(wèn)題進(jìn)行解決，而且還可以通過(guò)接口到其他各種服務(wù)端口來(lái)接收關(guān)于資源的各類信息（例如：谷歌機(jī)器、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)）?；诖耍疚奶岢隽艘粋€(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)的資源片互操作中間件（RsiHub）的概念，并給出了相關(guān)示例，為資源片互操作中間件在未來(lái)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。

1相關(guān)工作

在物聯(lián)網(wǎng)互操作性方面，現(xiàn)有的工作主要集中在調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)互操作性的靜態(tài)協(xié)議和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案上，因?yàn)檫@類解決方案通常會(huì)因互操作性問(wèn)題的提前出現(xiàn)而不能對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行合理地開(kāi)發(fā)和部署，因此這類解決方案往往很難重新配置，且只能在特定的部署中使用。

同時(shí)由于一些標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)提供了各種互操作性解決方案，所以可以通過(guò)元數(shù)據(jù)對(duì)這些現(xiàn)有的解決方案進(jìn)行了解，并確定其是否可以合理實(shí)現(xiàn)互操作性。另外還有其他一些研究人員提出了一些解決方案。

例如Blackstock等提出了一種基于數(shù)據(jù)中心的物聯(lián)網(wǎng)互操作性方案，該方案內(nèi)包括各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換，但其并不是使用資源片的動(dòng)態(tài)解決方案;又如Pace等展示了一種平臺(tái)互操作性的架構(gòu)和范例，但其主要是通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接服務(wù)的提前部署來(lái)確?；ゲ僮餍?，這與本文對(duì)資源的選擇、部署和控制以及對(duì)互操作性支持的方法并不相同。

2資源片互操作中間件

當(dāng)前生活環(huán)境中存在著許多攝像機(jī)，這些攝像機(jī)通過(guò)供應(yīng)商（公共組織或個(gè)人）提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和處理。攝像機(jī)以及其各類視頻文件都是資源，當(dāng)兩個(gè)特定的客戶端需要訪問(wèn)某一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有攝像機(jī)數(shù)據(jù)資源時(shí)，由于攝像機(jī)資源種類較多，所以其客戶端往往會(huì)因?yàn)樾枰幚聿煌蟮囊曨l應(yīng)變而面臨一些互操作性問(wèn)題，例如：（1）不同的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和攝像機(jī)可能會(huì)改變數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制;（2）客戶端可能需要盡可能多的視頻在非常短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行同時(shí)處理;（3）由于客戶端需要在基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，因此其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)防火墻和存儲(chǔ)可能需要數(shù)次更改。

為了解決這些互操作性問(wèn)題，提出了資源片互操作中間件的概念。首先，對(duì)該概念以及其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

用RS（c）和Rs（r）分別表示客戶端和資源片，且用r（DP，CP，MT）表示各類資源，其中DP=DPRS（c）。同時(shí)出于互操作性的考慮，假設(shè)RS（c）CRSi（c）。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定r（CP）控制源由r（DP）實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接收反饋，當(dāng)元數(shù)據(jù)r（MT）被調(diào)用后，客戶端RS（c）便可以在資源片RS（r）的協(xié)調(diào)下對(duì)存儲(chǔ)空間內(nèi)的相關(guān)資源進(jìn)行快速接入，只要提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)S是確定的，則允許客戶端RS（c）通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)的r（DP）和r（CP）來(lái)捕捉各類信息，從而實(shí)現(xiàn)一定程度上的互操作性。

將上述概念用于包括網(wǎng)絡(luò)功能和云服務(wù)在內(nèi)的所有類型資源之中，由于網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可能不支持物聯(lián)網(wǎng)或云資源等各種數(shù)據(jù)點(diǎn)，且相關(guān)應(yīng)用程序的資源片可能非常復(fù)雜，所以并不關(guān)注于自構(gòu)建的資源片結(jié)構(gòu)。此外，將只關(guān)注特定形式的切片，因?yàn)檫@些形式是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的典型形式。在這種情況下，可以實(shí)現(xiàn)多種操作類型，例如：（1）多對(duì)一，即將多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集成到一個(gè)地方;（2）一對(duì)一，即典型的數(shù)據(jù)點(diǎn)和控制點(diǎn)的一對(duì)一交互;（3）一對(duì)多，即典型的控制和數(shù)據(jù)傳播。

同時(shí)，資源提供者往往適用于物聯(lián)網(wǎng)互操作性，對(duì)于這樣的資源提供者，首先，需要通過(guò)發(fā)布API來(lái)對(duì)所有可能存在的資源進(jìn)行查詢;其次，需要資源控制API來(lái)對(duì)相關(guān)資源進(jìn)行控制，比如資源的供應(yīng)、配置等。有了這兩組API，便可以使用數(shù)據(jù)點(diǎn)和控制點(diǎn)來(lái)對(duì)資源進(jìn)行查詢和控制。

接下來(lái)對(duì)資源片互操作中間件（rsiHub）的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，具體如圖1所示。根據(jù)圖示的體系結(jié)構(gòu)，可以知道該體系結(jié)構(gòu)中包括了確保資源片互操作性實(shí)現(xiàn)的服務(wù)、軟件構(gòu)件和算法，而且可以提供以下服務(wù)：（1）引入資源片管理服務(wù);（2）檢查和搭建互操作性橋接器，并提供互操作性資源配置工作流;（3）通過(guò)本地管理服務(wù)為物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能和云提供商提供接口。

3核心問(wèn)題

在資源片互操作中間件實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，需要對(duì)包括互操作性分析組件、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)質(zhì)量和配置在內(nèi)的核心問(wèn)題進(jìn)行關(guān)注，因?yàn)檫@些核心問(wèn)題將影響面向物聯(lián)網(wǎng)的資源片互操作中間件是否可以有效運(yùn)行。

首先，對(duì)互操作性分析組件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。由于互操作性分析組件可以通過(guò)獲取數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)互操作性問(wèn)題進(jìn)行確定，所以在支持互操作性分析和建議時(shí)，將依賴于資源元數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的軟件工件元數(shù)據(jù)，以及可用于互操作性檢查的目錄。其目錄中的信息可以將目標(biāo)狀態(tài)下的一個(gè)數(shù)據(jù)源映射到另一個(gè)數(shù)據(jù)源上，且可以對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行重新配置。因此，互操作性分析組件的存在將會(huì)直接影響互操作性的有效實(shí)現(xiàn)。

其次，對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹。為了合理實(shí)現(xiàn)互操作性，考慮了各種類型的元數(shù)據(jù)，以下類型的元數(shù)據(jù)對(duì)于互操作性的實(shí)現(xiàn)非常重要。例如：（1）數(shù)據(jù)交付頻率，當(dāng)客戶端從不同頻率的物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，它們可能會(huì)產(chǎn)生一些互操作性問(wèn)題，所以需要對(duì)其頻率是否兼容進(jìn)行檢查;（2）數(shù)據(jù)法規(guī)，某些資源將基于一些必要的數(shù)據(jù)法規(guī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的正常交付，如只有谷歌的資源需要用于分析時(shí)，其防火墻的網(wǎng)絡(luò)功能才會(huì)被允許向谷歌客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，否則正常情況下，其不會(huì)向任何客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

接下來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行介紹。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議而言，給定的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議可以對(duì)相關(guān)組件進(jìn)行部署，從而連接不同的協(xié)議。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中，不僅需要通過(guò)調(diào)用按需服務(wù)來(lái)進(jìn)行通信，也需要對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)用。

數(shù)據(jù)質(zhì)量在不同的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源中是不兼容的，但如果需要部署的兩個(gè)資源的數(shù)據(jù)質(zhì)量不兼容，那么它們可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)互操作，為了使它們可以有效地實(shí)現(xiàn)互操作，則可能需要調(diào)用某些任務(wù)，例如刪除不良數(shù)據(jù)。同時(shí)如果利用復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，則此任務(wù)在運(yùn)行時(shí)便可以完成。

最后對(duì)資源片的配置進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。由于可執(zhí)行互操作性的軟件工件沒(méi)有部署資源和相關(guān)服務(wù)，因此資源片互操作中間件將利用可用的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)對(duì)資源的配置進(jìn)行執(zhí)行。在配置過(guò)程中，首先需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行配置，其次完成對(duì)軟件服務(wù)資源的配置。

4相關(guān)示例

在本節(jié)中，將對(duì)資源片互操作中間件的相關(guān)示例進(jìn)行介紹，例如基站收發(fā)站和攝像機(jī)切片。這些示例可以通過(guò)對(duì)各種物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能和云提供商的開(kāi)發(fā)和利用來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。

首先對(duì)基站收發(fā)站進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹?？蛻敉ǔＯＭF(xiàn)有的基站收發(fā)站可以對(duì)特定類型的警報(bào)進(jìn)行有效地接收和分析，但是在以往的工作中，一個(gè)簡(jiǎn)單的資源片一般包括虛擬基站收發(fā)站傳感器、MQTT代理、客戶端和云數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。如果將基站收發(fā)站監(jiān)控外包給不同的維護(hù)人員，則會(huì)導(dǎo)致其數(shù)據(jù)格式產(chǎn)生一定程度的不同，為了避免這種不同對(duì)互操作性產(chǎn)生影響，需要添加基于Logstash的數(shù)據(jù)管道轉(zhuǎn)換，以此產(chǎn)生新的互操作資源片，從而保證有效的互操作性。

接下來(lái)對(duì)攝像機(jī)切片進(jìn)行介紹，由于在攝像機(jī)切片中，不同的應(yīng)用場(chǎng)景一般需要不同的資源切片，所以通常通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商將數(shù)據(jù)推送到Kaf-ka，使得相關(guān)觸發(fā)器可以從Kafka直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的訂閱。而在這個(gè)過(guò)程中，所有與系統(tǒng)相關(guān)的元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)點(diǎn)和控制點(diǎn)都需要進(jìn)行提前部署。在這種情況下，需要一個(gè)橋接元素來(lái)對(duì)這些元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)處理，從而保證客戶端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取。具有互操作性橋接元素的資源片示例如圖2所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了用于物聯(lián)網(wǎng)互操作性的資源片互操作中間件的概念，并對(duì)其體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)示例進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)利用現(xiàn)有的互操作性軟件構(gòu)件和服務(wù)來(lái)對(duì)包括物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)功能和云在內(nèi)的動(dòng)態(tài)資源片進(jìn)行了簡(jiǎn)單搭建，從而解決了特定于應(yīng)用程序的互操作性需求。