面向物聯(lián)網的資源片互操作中間件技術研究

劉瑜

關鍵詞：物聯(lián)網;資源片;互操作性;元數(shù)據(jù)

0引言

由于物聯(lián)網的各種功能和云構建的物聯(lián)網應用越來越復雜，所以對物聯(lián)網的互操作性提出了更多的要求。當前一些標準化組織已經開始關注具體的物聯(lián)網互操作性問題，并提出了許多解決方案。然而與底層系統(tǒng)的動態(tài)變化相比，大多數(shù)提出的物聯(lián)網互操作性解決方案是靜態(tài)的，雖然可以通過引入針對特定用途的預部署軟件來解決這個問題，但缺乏相應的技術來提供和配置這樣的軟件。基于此，為了滿足特定應用的需要，以及將此類軟件與其他解決方案有效結合起來，從而提供所需的互操作性橋梁，可以通過使用預部署的協(xié)議橋、語義數(shù)據(jù)轉換中心、傳感器數(shù)據(jù)語法和元數(shù)據(jù)來對其配置過程進行觀察。

當客戶端需要一組物聯(lián)網資源、網絡功能資源和云資源，但這些資源由于某些原因不能互操作時，需要嘗試通過具有良好定義的接口服務來為有需要的互操作性解決方案獲取和控制資源，而此方法在當下的物聯(lián)網和云系統(tǒng)中已經很常見。因此認為，需要對資源進行獲取和控制的，主要是物聯(lián)網設備所產生的數(shù)據(jù)集，因為其需要通過大量的資源來滿足各種應用需求。在整個資源的獲取和控制過程中，資源片是在特定上下流程中為特定應用程序建立的一組資源。

同時需要考慮如何使這樣一組資源可以進行互操作，因為在為應用程序提供基于其特定上下流程的物聯(lián)網數(shù)據(jù)時，不能保證所有的資源和供應商對現(xiàn)有的用來實現(xiàn)互操作協(xié)議、數(shù)據(jù)格式的服務完全已知。因此開發(fā)了物聯(lián)網、網絡功能和云資源協(xié)調的基礎服務，以期其可以通過使用新的資源來增加客戶機的數(shù)據(jù)資源，從而對互操作性面臨的問題進行解決，而且還可以通過接口到其他各種服務端口來接收關于資源的各類信息（例如：谷歌機器、網絡和數(shù)據(jù)服務）。基于此，本文提出了一個面向物聯(lián)網的資源片互操作中間件（RsiHub）的概念，并給出了相關示例，為資源片互操作中間件在未來的實現(xiàn)鋪平了道路。

1相關工作

在物聯(lián)網互操作性方面，現(xiàn)有的工作主要集中在調整物聯(lián)網互操作性的靜態(tài)協(xié)議和數(shù)據(jù)轉換解決方案上，因為這類解決方案通常會因互操作性問題的提前出現(xiàn)而不能對數(shù)據(jù)資源進行合理地開發(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。

同時由于一些標準化組織已經提供了各種互操作性解決方案，所以可以通過元數(shù)據(jù)對這些現(xiàn)有的解決方案進行了解，并確定其是否可以合理實現(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)網互操作性方案，該方案內包括各種數(shù)據(jù)轉換功能，可以有效實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)的有效轉換，但其并不是使用資源片的動態(tài)解決方案;又如Pace等展示了一種平臺互操作性的架構和范例，但其主要是通過對物聯(lián)網平臺連接服務的提前部署來確保互操作性，這與本文對資源的選擇、部署和控制以及對互操作性支持的方法并不相同。

2資源片互操作中間件

當前生活環(huán)境中存在著許多攝像機，這些攝像機通過供應商（公共組織或個人）提供的物聯(lián)網服務進行數(shù)據(jù)獲取和處理。攝像機以及其各類視頻文件都是資源，當兩個特定的客戶端需要訪問某一個區(qū)域內所有攝像機數(shù)據(jù)資源時，由于攝像機資源種類較多，所以其客戶端往往會因為需要處理不同要求的視頻應變而面臨一些互操作性問題，例如：（1）不同的物聯(lián)網服務和攝像機可能會改變數(shù)據(jù)傳輸機制;（2）客戶端可能需要盡可能多的視頻在非常短的時間內進行同時處理;（3）由于客戶端需要在基于物聯(lián)網服務的前提下進行數(shù)據(jù)獲取，因此其相關的網絡防火墻和存儲可能需要數(shù)次更改。

為了解決這些互操作性問題，提出了資源片互操作中間件的概念。首先，對該概念以及其體系結構進行簡單介紹。

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）。同時出于互操作性的考慮，假設RS（c）CRSi（c）。在此基礎上，設定r（CP）控制源由r（DP）實現(xiàn)點對點的接收反饋，當元數(shù)據(jù)r（MT）被調用后，客戶端RS（c）便可以在資源片RS（r）的協(xié)調下對存儲空間內的相關資源進行快速接入，只要提供的物聯(lián)網服務S是確定的，則允許客戶端RS（c）通過調用對應的r（DP）和r（CP）來捕捉各類信息，從而實現(xiàn)一定程度上的互操作性。

將上述概念用于包括網絡功能和云服務在內的所有類型資源之中，由于網絡功能服務可能不支持物聯(lián)網或云資源等各種數(shù)據(jù)點，且相關應用程序的資源片可能非常復雜，所以并不關注于自構建的資源片結構。此外，將只關注特定形式的切片，因為這些形式是物聯(lián)網應用中的典型形式。在這種情況下，可以實現(xiàn)多種操作類型，例如：（1）多對一，即將多個數(shù)據(jù)點集成到一個地方;（2）一對一，即典型的數(shù)據(jù)點和控制點的一對一交互;（3）一對多，即典型的控制和數(shù)據(jù)傳播。

同時，資源提供者往往適用于物聯(lián)網互操作性，對于這樣的資源提供者，首先，需要通過發(fā)布API來對所有可能存在的資源進行查詢;其次，需要資源控制API來對相關資源進行控制，比如資源的供應、配置等。有了這兩組API，便可以使用數(shù)據(jù)點和控制點來對資源進行查詢和控制。

接下來對資源片互操作中間件（rsiHub）的體系結構進行介紹，具體如圖1所示。根據(jù)圖示的體系結構，可以知道該體系結構中包括了確保資源片互操作性實現(xiàn)的服務、軟件構件和算法，而且可以提供以下服務：（1）引入資源片管理服務;（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）通過本地管理服務為物聯(lián)網、網絡功能和云提供商提供接口。

3核心問題

在資源片互操作中間件實現(xiàn)的過程中，需要對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)質量和配置在內的核心問題進行關注，因為這些核心問題將影響面向物聯(lián)網的資源片互操作中間件是否可以有效運行。

首先，對互操作性分析組件進行簡單介紹。由于互操作性分析組件可以通過獲取數(shù)據(jù)資源的元數(shù)據(jù)來對互操作性問題進行確定，所以在支持互操作性分析和建議時，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狀態(tài)下的一個數(shù)據(jù)源映射到另一個數(shù)據(jù)源上，且可以對現(xiàn)有資源進行重新配置。因此，互操作性分析組件的存在將會直接影響互操作性的有效實現(xiàn)。

其次，對元數(shù)據(jù)進行介紹。為了合理實現(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)對于互操作性的實現(xiàn)非常重要。例如：（1）數(shù)據(jù)交付頻率，當客戶端從不同頻率的物聯(lián)網傳感器進行數(shù)據(jù)接收時，它們可能會產生一些互操作性問題，所以需要對其頻率是否兼容進行檢查;（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)來進行數(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，其防火墻的網絡功能才會被允許向谷歌客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，否則正常情況下，其不會向任何客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

接下來對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)質量進行介紹。對于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議而言，給定的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議可以對相關組件進行部署，從而連接不同的協(xié)議。當然，在這個過程中，不僅需要通過調用按需服務來進行通信，也需要對數(shù)據(jù)轉換進行調用。

數(shù)據(jù)質量在不同的物聯(lián)網數(shù)據(jù)源中是不兼容的，但如果需要部署的兩個資源的數(shù)據(jù)質量不兼容，那么它們可能無法實現(xiàn)互操作，為了使它們可以有效地實現(xiàn)互操作，則可能需要調用某些任務，例如刪除不良數(shù)據(jù)。同時如果利用復雜的物聯(lián)網數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，則此任務在運行時便可以完成。

最后對資源片的配置進行簡單介紹。由于可執(zhí)行互操作性的軟件工件沒有部署資源和相關服務，因此資源片互操作中間件將利用可用的基礎設施來對資源的配置進行執(zhí)行。在配置過程中，首先需要對基礎設施資源進行配置，其次完成對軟件服務資源的配置。

4相關示例

在本節(jié)中，將對資源片互操作中間件的相關示例進行介紹，例如基站收發(fā)站和攝像機切片。這些示例可以通過對各種物聯(lián)網、網絡功能和云提供商的開發(fā)和利用來進行構建。

首先對基站收發(fā)站進行簡單介紹。客戶通常希望現(xiàn)有的基站收發(fā)站可以對特定類型的警報進行有效地接收和分析，但是在以往的工作中，一個簡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)庫的數(shù)據(jù)點。如果將基站收發(fā)站監(jiān)控外包給不同的維護人員，則會導致其數(shù)據(jù)格式產生一定程度的不同，為了避免這種不同對互操作性產生影響，需要添加基于Logstash的數(shù)據(jù)管道轉換，以此產生新的互操作資源片，從而保證有效的互操作性。

接下來對攝像機切片進行介紹，由于在攝像機切片中，不同的應用場景一般需要不同的資源切片，所以通常通過物聯(lián)網供應商將數(shù)據(jù)推送到Kaf-ka，使得相關觸發(fā)器可以從Kafka直接進行數(shù)據(jù)的訂閱。而在這個過程中，所有與系統(tǒng)相關的元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)點和控制點都需要進行提前部署。在這種情況下，需要一個橋接元素來對這些元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)點和控制點進行適當?shù)膮f(xié)調處理，從而保證客戶端可以進行數(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結束語

本文提出了用于物聯(lián)網互操作性的資源片互操作中間件的概念，并對其體系結構和相關示例進行了簡單介紹，同時利用現(xiàn)有的互操作性軟件構件和服務來對包括物聯(lián)網、網絡功能和云在內的動態(tài)資源片進行了簡單搭建，從而解決了特定于應用程序的互操作性需求。