基于Alljoyn框架的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建研究

王寧 褚偉

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間統(tǒng)一的訪問方式和設(shè)備之間的互操作是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)中必須要考慮的問題。本文利用Alljoyn框架來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備之間的連接和設(shè)備服務(wù)的訪問，并且還在Alljoyn框架的基礎(chǔ)之上，討論了利用語義技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備間的互操作，提高設(shè)備的智能性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Alljoyn；語義技術(shù)

1 引言

近年來，隨著科技的進步和人們生活的需要，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，越來越多的智能設(shè)備出現(xiàn)在了人們的生活當(dāng)中。智能設(shè)備之間相互協(xié)作，為用戶提供基于上下文的和實時的體驗。在物聯(lián)網(wǎng)中，地理位置相近的設(shè)備往往會相互連接、組網(wǎng)，形成一個鄰近網(wǎng)絡(luò)。鄰近網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)關(guān)輔助連接、服務(wù)器輔助連接等方式接入互聯(lián)網(wǎng)中，這樣任意鄰近網(wǎng)絡(luò)中的信息可以進入互聯(lián)網(wǎng)中流通，也可以借助于互聯(lián)網(wǎng)訪問任意鄰近網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或服務(wù)。

在互聯(lián)網(wǎng)中，訪問服務(wù)一般通過域名的方式。這些域名由IANA統(tǒng)一管理，申請域名時會在域名系統(tǒng)中集中注冊，查找域名時會逐層搜索?；ヂ?lián)網(wǎng)采用這種方式是因為互聯(lián)網(wǎng)有較為固定的基礎(chǔ)設(shè)施支撐，服務(wù)信息適合以集中的方式組織起來。另外，互聯(lián)網(wǎng)中服務(wù)信息量相對來說不是特別大。但是在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，設(shè)備和服務(wù)非常多，從可擴展性的角度看不適合對所有服務(wù)集中管理，服務(wù)搜索時產(chǎn)生的延時也會比較大。雖然某一鄰近區(qū)域內(nèi)設(shè)備和服務(wù)的數(shù)據(jù)量不是很大，但鄰近網(wǎng)絡(luò)往往是各種各樣的自組織網(wǎng)絡(luò)形式，如車載網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這些網(wǎng)絡(luò)往往沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，鏈路狀態(tài)不穩(wěn)定，無法提供一個穩(wěn)定的服務(wù)注冊機構(gòu)來對區(qū)域內(nèi)的服務(wù)集中管理。目前，鄰近網(wǎng)絡(luò)之間的服務(wù)信息一般采用集中注冊的方式，但是在鄰近網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備發(fā)布服務(wù)信息大多采用“推模式”，通過在鄰近區(qū)域內(nèi)廣播自己的服務(wù)信息或者等待服務(wù)請求者的查找來完成服務(wù)信息發(fā)布，形成p2p的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。這種方式不需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)搜索延遲相對較低。另外，由于整個過程只在鄰近網(wǎng)絡(luò)中進行，有利于信息的安全和隱私的保護。

在物聯(lián)網(wǎng)中，如果想要構(gòu)建可擴展的、智慧的系統(tǒng)，鄰近網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和相互之間的設(shè)備互操作性是關(guān)鍵。由于智能設(shè)備功能和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的多樣性和異構(gòu)性，不能夠?qū)χ悄茉O(shè)備的服務(wù)和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)范和分類標識。但是，兩個智能設(shè)備之間需要先識別對方是何種設(shè)備和能夠提供哪些服務(wù)，然后智能設(shè)備才能進一步的交互和完成功能的調(diào)用。為了解決這些問題，將基于機器可解釋的形式化描述的語義技術(shù)引入物聯(lián)網(wǎng)中，為設(shè)備和服務(wù)添加語義信息，服務(wù)請求者可以通過語義檢索來進行服務(wù)發(fā)現(xiàn)和選擇。

本文基于Alljoyn框架來解決鄰近網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的連接和互操作等問題。Alljoyn是一個開源的框架，支持多種通信協(xié)議和目前流行的各種系統(tǒng)平臺。它基于鄰近網(wǎng)絡(luò)，采用p2p來發(fā)布服務(wù)信息，支持對設(shè)備和服務(wù)進行描述，通過對描述分析可以了解對方的功能，完成設(shè)備間的互操作。

2 Alljoyn框架

Alljoyn框架是一個開源的軟件系統(tǒng)，為運行在不同設(shè)備上的分布式應(yīng)用程序提供運行環(huán)境。它負責(zé)處理在分布式異構(gòu)系統(tǒng)中所面臨的問題和移動網(wǎng)絡(luò)的問題，從而讓開發(fā)人員只需要關(guān)注應(yīng)用程序的構(gòu)建。Alljoyn有幾個關(guān)鍵的部分，分別是Alljoyn Bus，Alljoyn Router，Bus attachment，Bus Interface，Bus object。

Alljoyn Bus是對分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路的抽象，為消息傳遞提供了更快速、更簡單的方法。應(yīng)用程序在連上Alljoyn Bus之后就可以和其他的應(yīng)用程序通信，底層的實現(xiàn)機制對應(yīng)用程序來說是透明的。Alljoyn Bus可以分成多個段，每段位于不同的設(shè)備上，Alljoyn負責(zé)管理每個段之間的連接。實際上，每段都是一個Alljoyn Router，一般運行在一個獨立的進程中，負責(zé)支持各種通信協(xié)議，包括藍牙，wifi等。如圖所示，Alljoyn Router之間相互連接和轉(zhuǎn)發(fā)信息，形成了Alljoyn Bus。應(yīng)用程序連接Alljoyn Bus時其實是連接Alljoyn Router，然后向Alljoyn Router請求轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最后Alljoyn Router將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。

應(yīng)用程序通過Bus Attachment連接Alljoyn Router，它封裝了多種進程間通訊方式。連接之后，Alljoyn Bus給每個Bus attachment分配一個唯一的名字，用來區(qū)別不同的應(yīng)用程序。但這名字只是臨時的，每次連接所得到的名字都不相同。應(yīng)用程序可以同時請求一個永久的well-known name，這樣其他的設(shè)備可以通過well-known name 來訪問應(yīng)用程序。在Alljoyn中，應(yīng)用程序以聲明Bus interface的形式向外部提供訪問的接口。Bus interface包含Bus methods，Bus properties，Bus signals。一般情況下Bus interface的實現(xiàn)都是通過Bus attachment中的Bus Object來完成，Bus object代表著應(yīng)用程序所提供的服務(wù)。如圖所示，Alljoyn提供遠程代理ProxyBusObject來訪問遠程的Bus object，ProxyBusObject會負責(zé)相應(yīng)的Bus methods等信息的傳遞 。well-known name與Bus Object的組合可以唯一標識服務(wù)信息。

應(yīng)用程序在連接Alljoyn Bus之后，可以將服務(wù)信息發(fā)布給其他應(yīng)用程序，也可以搜索其他應(yīng)用程序的服務(wù)信息。當(dāng)一個設(shè)備靠近另一個設(shè)備時，由于它們是物理隔離的，不可能知道對方的信息，但是它們需要對方服務(wù)信息才能確定是否訪問服務(wù)。這就是服務(wù)信息發(fā)布和搜索需要完成的功能。

3 智能設(shè)備間的連接

在鄰近網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備之間會相互連接，組成一個通信網(wǎng)絡(luò)來進行數(shù)據(jù)的傳輸。不同的設(shè)備組網(wǎng)方式對設(shè)備的硬件能力和通信協(xié)議等有著不同的要求。目前，市場上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采用的底層通信協(xié)議多種多樣，每個通信協(xié)議在相應(yīng)的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。各個通信協(xié)議之間并沒有出現(xiàn)相互統(tǒng)一的趨勢，這意味著多種協(xié)議并存的現(xiàn)象在未來很長的一段時間內(nèi)一直存在。相同通信協(xié)議的設(shè)備通訊時直接建立連接即可，但是當(dāng)周圍有不同通信協(xié)議的設(shè)備存在時，兩個設(shè)備建立連接需要進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在物聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備被賦予的計算能力和通信能力也是有差異的。有些設(shè)備只是做簡單的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳工作，數(shù)據(jù)量小，對硬件的需求低。有些設(shè)備需要進行活動或流程感知，并對數(shù)據(jù)進行分析，協(xié)同其他設(shè)備來反饋，這樣對設(shè)備的硬件要求就比較高。

物聯(lián)網(wǎng)由于其特性，存在一些動態(tài)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以隨時進入和離開網(wǎng)絡(luò)，沒有一個穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)來對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信進行管理。設(shè)備之間相互連接并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，組成一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。因此，設(shè)備組網(wǎng)時需要考慮設(shè)備的硬件能力、設(shè)備底層通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性要求，選擇合適的設(shè)備組網(wǎng)方式。Alljoyn框架的底層數(shù)據(jù)傳輸是基于TCP/IP的，且通過IP組播的方式發(fā)布網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的服務(wù)信息。因此，在設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組建之后，需要考慮如何對網(wǎng)絡(luò)進行配置，使得Alljoyn底層的數(shù)據(jù)傳輸能夠進行。目前，鄰近網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的組網(wǎng)方式有以下幾種。

（1）直接連接。兩個設(shè)備之間直接建立連接，不需要中間節(jié)點來進行控制和轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式簡單、直接，適用于相同通信協(xié)議的設(shè)備，但是不同通信協(xié)議的設(shè)備不能建立連接。兩個設(shè)備之間建立連接時需要相互協(xié)商來完成地址分配、身份認證等功能，對設(shè)備通信組網(wǎng)方面的能力要求比較高。例如設(shè)備之間通過Wi-Fi Direct連接，Group Owner需要具有DHCP的功能，能夠?qū)B接的Group Client分配IP地址，Group Owner和Group Client屬于同一個網(wǎng)段。這種組網(wǎng)方式通常用于一些臨時的、短距離的數(shù)據(jù)傳輸需求，安全性高。

（2）利用中心節(jié)點輔助連接。周圍設(shè)備都先連接到中心節(jié)點，中心節(jié)點接收數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)中，如在WiFi環(huán)境中提供接入點來讓設(shè)備連接，進而組成一個局域網(wǎng)。也可以讓中心節(jié)點支持多種通信協(xié)議，擁有多種接入點，并對網(wǎng)絡(luò)層地址和接口做映射。當(dāng)中心節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)層地址來選擇相應(yīng)的接口。這樣不同通信協(xié)議的設(shè)備可以利用中心節(jié)點進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而建立連接。這種連接方式對設(shè)備的組網(wǎng)能力要求比較低，對中心節(jié)點的要求比較高。這種方式目前廣泛應(yīng)用于智能家居中，因為家中往往會有多種協(xié)議的設(shè)備并存。

（3）自組網(wǎng)。自組織網(wǎng)絡(luò)是由一些具備路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的設(shè)備相互連接形成的多跳網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以隨時離開和進入網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化、鏈路狀態(tài)不穩(wěn)定。當(dāng)節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)時，原本經(jīng)過該節(jié)點的鏈路就會斷開，其他節(jié)點根據(jù)相應(yīng)的協(xié)商機制重新選擇路徑。當(dāng)節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)時，其他節(jié)點會自行檢測，判斷是否有更優(yōu)的鏈路。該組網(wǎng)方式常用于無中心節(jié)點、設(shè)備節(jié)點動態(tài)變化的環(huán)境中，適用于相同通信協(xié)議和不同通信協(xié)議的設(shè)備。每個節(jié)點都可以接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且節(jié)點之間相互溝通、協(xié)作，形成一個網(wǎng)絡(luò)。這種連接模式對網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的通信能力要求比較高。這種網(wǎng)絡(luò)因為不需要固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，因而廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和救災(zāi)中。在物聯(lián)網(wǎng)中，自組織網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。傳感器一般使用無線技術(shù)來進行數(shù)據(jù)傳輸，且一般發(fā)射功率小。因此傳感器之間采用多跳方式進行連接，相互協(xié)作完成各種應(yīng)用任務(wù)。

Alljoyn對這三種方式都提供了支持，在Alljoyn應(yīng)用程序通信時，只需要將數(shù)據(jù)交給底層的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)的傳輸由網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層負責(zé)，與Alljoyn無關(guān)。Alljoyn支持多種底層通信協(xié)議，并對底層協(xié)議進行抽象，向上層協(xié)議提供統(tǒng)一的接口。不管采用哪種組網(wǎng)方式， 對Alljoyn來說都是相同的。Alljoyn利用alljoyn router對底層網(wǎng)絡(luò)進行抽象，讓其對上層應(yīng)用透明，并且從alljoyn router之間的相互通信抽象出alljoyn bus。從開發(fā)人員的角度看，應(yīng)用程序都是連接到alljoyn bus 上，應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的傳輸都相當(dāng)于在一個虛擬總線上進行。當(dāng)應(yīng)用程序進入或退出alljoyn bus 時，都會向alljoyn bus發(fā)出通知，然后alljoyn bus將該事件通知給其他的應(yīng)用程序，其他應(yīng)用程序會執(zhí)行進行相應(yīng)的動作。

4 智能設(shè)備間的互操作

物聯(lián)網(wǎng)是由與人們生活息息相關(guān)的智能設(shè)備按照一定的通信協(xié)議相互連接組成的。它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和服務(wù)多種多樣，反映了人們生活的方方面面。然而，不同設(shè)備產(chǎn)生和收集到的數(shù)據(jù)是多模式的和不同特性的。數(shù)據(jù)和服務(wù)的異構(gòu)性，使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互操作成為一個挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，近年來的研究逐步將語義web技術(shù)引入物聯(lián)網(wǎng)中，使得數(shù)據(jù)和服務(wù)以統(tǒng)一的模式進行描述，便于設(shè)備之間的識別和數(shù)據(jù)的整合與共享。通過數(shù)據(jù)的語義標注能夠提供機器可解析的數(shù)據(jù)描述，包括數(shù)據(jù)的表示對象、數(shù)據(jù)的起源、與周邊環(huán)境的關(guān)系、提供者的信息以及質(zhì)量、技術(shù)等屬性信息，有利于物聯(lián)網(wǎng)信息的自動化處理和交互?；谡Z義技術(shù)，在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下構(gòu)建相關(guān)領(lǐng)域的本體，然后參照已建立的本體對物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和資源等進行標注。需要對設(shè)備提供的服務(wù)進行細化的語義描述，能夠反映設(shè)備所處的環(huán)境等信息。同時，還需要對用戶的需求進行語義化處理，通過本體以及Peri網(wǎng)理論等方法來表示用戶需求。然后，可以通過計算語義相似度等方法對服務(wù)和用戶需求進行服務(wù)匹配和選擇。如果服務(wù)與需求能夠匹配，則設(shè)備之間會建立連接，完成功能的調(diào)用。

Alljoyn框架提供About interface來描述設(shè)備信息、設(shè)備提供的服務(wù)、以及其他相關(guān)的信息。About是一個通用的Bus interface，應(yīng)用程序可以通過它來描述自己，也可以訪問其他應(yīng)用程序的About interface來獲取對方信息。在設(shè)備的服務(wù)信息發(fā)布和搜索環(huán)節(jié)中，當(dāng)收到的服務(wù)信息中含有About interface信息時，可以訪問該接口來獲取對方的信息。我們可以在About interface中采用語義化的形式來表達設(shè)備和設(shè)備提供的服務(wù)，其他設(shè)備獲取這些信息之后，依據(jù)一些規(guī)則推理來識別設(shè)備，并可以根據(jù)自己的需求進行服務(wù)匹配與選擇。如果設(shè)備與自己的需求符號，則建立連接，訪問相應(yīng)的功能。

5 總結(jié)

本文首先介紹了Alljoyn框架，說明了Alljoyn對底層通信的抽象和Alljoyn系統(tǒng)中設(shè)備服務(wù)的訪問方式。然后介紹了鄰近網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的幾種組網(wǎng)方式，并說明了Alljoyn能夠適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后介紹了語義技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，并將語義技術(shù)與Alljoyn相結(jié)合。

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