基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)尋址研究設(shè)計(jì)

袁 璞，艾中良，汪 涵

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的延伸和應(yīng)用擴(kuò)展，是新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合應(yīng)用，它利用感知技術(shù)和智能裝置對(duì)世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物[1]交互和無縫鏈接，以達(dá)到對(duì)物理世界的事實(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

物體標(biāo)識(shí)及尋址是影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[2]，與具有全球統(tǒng)一分級(jí)結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)資源名稱不同，物體編碼至今還沒有全球統(tǒng)一的分配標(biāo)準(zhǔn)，目前很多國家和組織等都擁有各自的編碼標(biāo)準(zhǔn)。比如：美國EPC?Global提出的基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的EPC標(biāo)準(zhǔn)；日本提出的無所不在的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別體系UID；原歐洲物品編碼協(xié)會(huì)在全球推廣應(yīng)用的EAN碼；其他的還有美國統(tǒng)一代碼委員會(huì)提出的UPC、對(duì)象標(biāo)識(shí)符OID、中國物品編碼中心提出的 ECODE 等[3?4]。

就目前來說，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)與尋址方面的研究仍處于理論和起步階段，大多數(shù)的研究主要參考了互聯(lián)網(wǎng)成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。但是物聯(lián)網(wǎng)自身的特點(diǎn)決定了它和互聯(lián)網(wǎng)之間存在很大的差異，比如由于物聯(lián)網(wǎng)中存在多種物體標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使得對(duì)物體的統(tǒng)一尋址變得困難且復(fù)雜；繁雜的標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)物體終端的統(tǒng)一管理和維護(hù)造成了很大的困難等，因此不能簡單地使用互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)技術(shù)。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)尋址的特點(diǎn)，詳細(xì)地分析了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)尋址的模型，提出了一套滿足當(dāng)前需求的設(shè)計(jì)方案，最后以EPC為例介紹了統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和尋址的具體實(shí)現(xiàn)過程。

1 物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和尋址的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)主要考慮因素有：

（1）對(duì)標(biāo)識(shí)要有分級(jí)的多級(jí)管理層次。物體是一個(gè)數(shù)量巨大，分布廣泛的存在，必須要有一個(gè)全球分布共同參與分配的組織架構(gòu)才能保證物體標(biāo)識(shí)分配的合理與有序；

（2）物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)要便于記憶，用戶訪問物體，就像訪問一個(gè)網(wǎng)頁一樣容易，只需要輸入物體標(biāo)識(shí)就可以和物體進(jìn)行交互；

（3）物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)應(yīng)該具有惟一性，對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的物體編碼的映射必須保證惟一性，避免出現(xiàn)標(biāo)識(shí)沖突的情況；

（4）物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)要具有可擴(kuò)展性，今后還會(huì)出現(xiàn)更多新型編碼標(biāo)準(zhǔn)，因此物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)不僅僅要滿足當(dāng)下的需求，也應(yīng)該考慮到以后可能出現(xiàn)的狀況。

目前，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)尋址的研究和設(shè)計(jì)仍處于起步和摸索階段[6?7]，很多研究可以借鑒互聯(lián)網(wǎng)成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，互聯(lián)網(wǎng)有一套完善的并且行之有效的尋址體系[8]，包含MAC地址、IP地址、URL、域名以及DNS解析系統(tǒng)等一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提供了完善的尋址支持。物聯(lián)網(wǎng)的尋址和互聯(lián)網(wǎng)的尋址從一定程度上說具有一定的相似性，因此可以參考和借鑒互聯(lián)網(wǎng)的尋址技術(shù)。但是，物聯(lián)網(wǎng)自身的特點(diǎn)從很大程度上決定了其尋址和互聯(lián)網(wǎng)尋址具有很大的差異性[9]。根據(jù)上文所述，在批判地采用互聯(lián)網(wǎng)中和自身兼容的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的同時(shí)要注意兩者的差異性，要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)自身的特點(diǎn)進(jìn)行建模，提出適應(yīng)自身需求的尋址方案。物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)是物體終端合理、高效尋址的基礎(chǔ)，兩者是相輔相成的。物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的分配者、管理者并且又能夠支持原發(fā)行者獨(dú)立分配和管理，標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)要照顧到尋址的需求，注意提高尋址的性能和效率。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)中存在海量的物體，物體具有移動(dòng)性，標(biāo)識(shí)和物體地址之間會(huì)頻繁的進(jìn)行重新映射，因此會(huì)對(duì)物體尋址造成很大麻煩[10]。另外，物體終端具有操作屬性、社會(huì)屬性，簡單的通過物體原有的編碼不能獲得這些參數(shù)。考慮到上述問題，本方案提出了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，其目的是為了統(tǒng)一映射不同的物體標(biāo)識(shí)、提高物體標(biāo)識(shí)映射的準(zhǔn)確性、便于分級(jí)管理物體終端。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)是對(duì)設(shè)備與物體進(jìn)行管理的基本單元，不同的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)之間通過互聯(lián)網(wǎng)互相連接，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)對(duì)外表現(xiàn)出統(tǒng)一的接口。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)類似于互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)站，但不同之處在于，互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)站實(shí)際是網(wǎng)狀拓?fù)?，因?yàn)榫W(wǎng)狀間具有復(fù)雜的互聯(lián)關(guān)系。而物聯(lián)網(wǎng)采用的星形或樹形拓?fù)?，類似總線式結(jié)構(gòu)。其原因是因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展，物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，互聯(lián)網(wǎng)就相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的總線。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它可以接入不同類型的物體，比如貼有RFID標(biāo)簽的物理實(shí)體、6LOW?PAN網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)中的主機(jī)等等。在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)中有一個(gè)數(shù)據(jù)庫，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)接入平臺(tái)的物體的原始信息、可調(diào)用的操作參數(shù)等。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)資源地址使用的是統(tǒng)一資源定位符—URL，URL主要包括協(xié)議、路徑、文件名稱等幾部分?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用層資源的尋址服務(wù)使用了DNS協(xié)議，DNS協(xié)議是一種專用于提供域名相關(guān)信息（資源記錄）的應(yīng)用協(xié)議，在數(shù)據(jù)格式和訪問機(jī)制上都有嚴(yán)格的定義。互聯(lián)網(wǎng)這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可行性、高效性通過幾十年使用已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證，物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)及尋址可以借鑒這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]。物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的表示方式：

協(xié)議：//物聯(lián)網(wǎng)域名/類型/資源標(biāo)識(shí)。

其中協(xié)議表示物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在此可以設(shè)為默認(rèn)；物聯(lián)網(wǎng)域名采用分層結(jié)構(gòu)，每一層之間由“.”進(jìn)行分割；類型是指物體原有編碼的類型；資源標(biāo)識(shí)是根據(jù)物體的原有屬性、社會(huì)屬性、物體終端標(biāo)識(shí)、可操作參數(shù)等通過一定的算法生成的，并且要保證其在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)惟一性。物聯(lián)網(wǎng)域名類似于互聯(lián)網(wǎng)域名，每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)都有一個(gè)惟一的物聯(lián)網(wǎng)域名。物聯(lián)網(wǎng)域名由頂級(jí)域、第二層域、子域組成。下一級(jí)域名需要向上一級(jí)提出注冊(cè)申請(qǐng)，由上一級(jí)域名進(jìn)行審核并必須保證該域名的惟一性。以一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)域CETC15.BJ.CN（如圖2所示）為例：可以看到物聯(lián)網(wǎng)域名是采用樹形層級(jí)結(jié)構(gòu)，頂級(jí)域名為CN，頂級(jí)域名一般為國家、組織、機(jī)構(gòu)；二級(jí)域名需要向頂級(jí)域名申請(qǐng)一個(gè)本域名內(nèi)惟一的域名段，這里的二級(jí)域名為BJ；同理，子域需要向上一級(jí)申請(qǐng)一個(gè)本域內(nèi)惟一的域名段。

物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)采用分級(jí)的樹形結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足統(tǒng)一的編碼統(tǒng)一分配和管理的需求，又可以支持各種編碼分配者獨(dú)立自主分配和管理，同時(shí)增加了編碼映射的可擴(kuò)展性。樹形分層結(jié)構(gòu)提高了編碼查找的效率，系統(tǒng)整體具有一個(gè)統(tǒng)一的管理機(jī)構(gòu)，各層次獨(dú)立具有獨(dú)立的管理機(jī)構(gòu)，這樣能夠保證標(biāo)識(shí)的統(tǒng)一性、惟一性，提高了分配管理的靈活性，每個(gè)層次獨(dú)立運(yùn)行能夠增加系統(tǒng)的效率，如果某層局部出現(xiàn)了故障這樣不會(huì)妨礙其他部分的尋址工作，提高了系統(tǒng)的防災(zāi)容災(zāi)能力[12]。

圖2 域名分層結(jié)構(gòu)

2.3 物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)尋址

如上所述，物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)域名和平臺(tái)內(nèi)的資源標(biāo)識(shí)共同映射而成。因此物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的尋址可以分兩步走：第一步，通過物聯(lián)網(wǎng)域名查詢系統(tǒng)查找物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)對(duì)映的地址，然后訪問該平臺(tái)；第二步，通過平臺(tái)內(nèi)的查詢系統(tǒng)查找對(duì)映的資源標(biāo)識(shí)，并把得到的數(shù)據(jù)返回給用戶。

2.3.1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)域名查詢

物聯(lián)網(wǎng)域名查詢模型參考了DNS協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)域名的查詢采用遞歸的分層查詢模式，從頂級(jí)域一層一層的遞歸查詢，這種方式便于管理和維護(hù)并且可擴(kuò)展性強(qiáng)。查找時(shí)首先發(fā)送查找請(qǐng)求到根服務(wù)器，根服務(wù)器將查找到的頂級(jí)域名地址返回；然后繼續(xù)查找頂級(jí)域名，頂級(jí)域名服務(wù)器將查到的二級(jí)域名地址返回；最后查找子域名，子域名服務(wù)器將查找到的子域名地址返回；這樣就得到了該物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的地址，然后通過物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)查找資源標(biāo)識(shí)，最后將得到的數(shù)據(jù)返回客戶端，這樣就完成了查詢的過程。下面以查找舉例說明物聯(lián)網(wǎng)域名查找過程（如圖3所示）。

（1）客戶端向上級(jí)域名服務(wù)器發(fā)出CETC15.BJ.CN的查詢請(qǐng)求；

（2）上級(jí)域名服務(wù)器向根服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求，物聯(lián)網(wǎng)根服務(wù)器返回.CN的地址；

（3）上級(jí)域名服務(wù)器向.CN服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求，物聯(lián)網(wǎng).CN服務(wù)器返回.BJ.CN的地址；

（4）上級(jí)域名服務(wù)器向.BJ.CN服務(wù)器發(fā)出查詢請(qǐng)求，物聯(lián)網(wǎng).BJ.CN服務(wù)器返回CETC15.BJ.CN的地址；

（5）向客戶端返回結(jié)果。

2.3.2 平臺(tái)內(nèi)資源標(biāo)識(shí)查詢

資源標(biāo)識(shí)是物體社會(huì)信息、可操作參數(shù)、原始編碼信息等通過映射生成的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)惟一的標(biāo)識(shí)信息，通過平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫把上述信息存儲(chǔ)起來。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)的資源標(biāo)識(shí)查詢分兩步：第一步，獲得接收到的查詢請(qǐng)求；第二步，通過平臺(tái)內(nèi)的索引查詢系統(tǒng)查找資源標(biāo)識(shí)，并返回結(jié)果。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)域名查詢過程

3 EPC編碼到物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的映射及尋址

3.1 EPC編碼的映射

EPC中文名稱為產(chǎn)品電子碼，它是基于RFID和互聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)物流技術(shù)，EPC隨著源自射頻識(shí)別技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)，EPC的目標(biāo)是為物體提供惟一標(biāo)識(shí)，EPC由版本號(hào)、域名管理、對(duì)象分類、序列號(hào)等部分組成的。目前EPC有64、96、256等不同位數(shù)的版本，每種位數(shù)的編碼又可以具體分成不同類型。不同類型的EPC編碼適應(yīng)不同類型的物體。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)包含一張映射表，這個(gè)表包括以下字段：物體編碼類型、物體注冊(cè)時(shí)間、物體編碼地址、物體API接口等一系列包含物體原始屬性和社會(huì)屬性的信息。根據(jù)這些信息生成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)一個(gè)惟一的定長的數(shù)字串，這個(gè)數(shù)字串和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的域名結(jié)合就形成了EPC編碼到物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)的映射。例如一個(gè)EPC編碼10000000000000000000011000000000 000000000011001000020000000000000，它注冊(cè)的時(shí)間為：2014?05?01，它沒有可操作 API接口。因此物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的一條數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)表

然后通過一個(gè)轉(zhuǎn)換算法把上述信息生成為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的一個(gè)固定長度的數(shù)字串：01920289284，最后和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的域名組合生成最終的物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)：CETC15.BJ.CN/01920289284（如圖4所示）。

圖4 統(tǒng)一標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)圖

最后生成一個(gè)可掃描標(biāo)簽，用戶通過掃描這個(gè)標(biāo)簽就可以進(jìn)行查詢。

3.2 尋址過程

如上所述，EPC編碼最終轉(zhuǎn)化成了物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，通過查詢這個(gè)標(biāo)識(shí)就能得到物體的原始屬性和社會(huì)屬性。為了便于使用，可將物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)生成為一個(gè)可掃描的標(biāo)簽，用戶可以通過簡單的掃描該標(biāo)簽向物聯(lián)網(wǎng)域名解析系統(tǒng)提出查詢需求。查詢過程如下：

（1）掃描器掃描標(biāo)簽；

（2）獲取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)；

（3）掃描器向根域名服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，首先向根域名查找CN的地址，然后依次遞歸查找BJ、CETC15，通過這樣一步一步最后查找到域名為CETC15.BJ.CN的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)；

（4）服務(wù)器返回查到的域名信息；

（5）向物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)發(fā)出請(qǐng)求；

（6）通過平臺(tái)內(nèi)的映射表查詢資源標(biāo)識(shí)是01920289284這個(gè)資源標(biāo)識(shí)的信息；

（7）～（9）通過JSON字符串返回給掃描儀，這樣就得到了物體的原始信息和社會(huì)信息。

圖5 查詢過程

客戶端得到這些信息之后，如果需要操作物體則可通過API調(diào)用去控制物體，其他的OID、UPC等一系列物體編碼的轉(zhuǎn)化和上述的EPC轉(zhuǎn)化過程相似。

4 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)和尋址技術(shù)的研究越來越受到人們的重視，目前大多數(shù)研究都是參考互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏對(duì)物聯(lián)網(wǎng)自身特點(diǎn)的考慮和研究。本文研究了互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)之間的異同，參考互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)同時(shí)又提出了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)自身特點(diǎn)的研究方案。針對(duì)物體編碼標(biāo)準(zhǔn)的多樣性、物體編碼缺乏統(tǒng)一分配和管理、海量物體高效尋址等物聯(lián)網(wǎng)自身所固有的特點(diǎn)提出了一套物體統(tǒng)一映射及尋址設(shè)計(jì)方案。該方案提出了物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，其目的是為了統(tǒng)一映射接入到平臺(tái)的物體標(biāo)識(shí)，并給每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)分配了一個(gè)全球惟一的物聯(lián)網(wǎng)域名，物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的域名和平臺(tái)內(nèi)的資源標(biāo)識(shí)共同構(gòu)成。物體終端的尋址模型的設(shè)計(jì)參考了DNS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了物體標(biāo)識(shí)可擴(kuò)展性，同時(shí)提高了查詢的效率。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方案能有效地滿足對(duì)物體的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)及尋址需求。

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