面向物联网的资源片互操作中间件技术研究

刘瑜

关键词：物联网;资源片;互操作性;元数据

0引言

由于物联网的各种功能和云构建的物联网应用越来越复杂，所以对物联网的互操作性提出了更多的要求。当前一些标准化组织已经开始关注具体的物联网互操作性问题，并提出了许多解决方案。然而与底层系统的动态变化相比，大多数提出的物联网互操作性解决方案是静态的，虽然可以通过引入针对特定用途的预部署软件来解决这个问题，但缺乏相应的技术来提供和配置这样的软件。基于此，为了满足特定应用的需要，以及将此类软件与其他解决方案有效结合起来，从而提供所需的互操作性桥梁，可以通过使用预部署的协议桥、语义数据转换中心、传感器数据语法和元数据来对其配置过程进行观察。

当客户端需要一组物联网资源、网络功能资源和云资源，但这些资源由于某些原因不能互操作时，需要尝试通过具有良好定义的接口服务来为有需要的互操作性解决方案获取和控制资源，而此方法在当下的物联网和云系统中已经很常见。因此认为，需要对资源进行获取和控制的，主要是物联网设备所产生的数据集，因为其需要通过大量的资源来满足各种应用需求。在整个资源的获取和控制过程中，资源片是在特定上下流程中为特定应用程序建立的一组资源。

同时需要考虑如何使这样一组资源可以进行互操作，因为在为应用程序提供基于其特定上下流程的物联网数据时，不能保证所有的资源和供应商对现有的用来实现互操作协议、数据格式的服务完全已知。因此开发了物联网、网络功能和云资源协调的基础服务，以期其可以通过使用新的资源来增加客户机的数据资源，从而对互操作性面临的问题进行解决，而且还可以通过接口到其他各种服务端口来接收关于资源的各类信息（例如：谷歌机器、网络和数据服务）。基于此，本文提出了一个面向物联网的资源片互操作中间件（RsiHub）的概念，并给出了相关示例，为资源片互操作中间件在未来的实现铺平了道路。

1相关工作

在物联网互操作性方面，现有的工作主要集中在调整物联网互操作性的静态协议和数据转换解决方案上，因为这类解决方案通常会因互操作性问题的提前出现而不能对数据资源进行合理地开发和部署，因此这类解决方案往往很难重新配置，且只能在特定的部署中使用。

同时由于一些标准化组织已经提供了各种互操作性解决方案，所以可以通过元数据对这些现有的解决方案进行了解，并确定其是否可以合理实现互操作性。另外还有其他一些研究人员提出了一些解决方案。

例如Blackstock等提出了一种基于数据中心的物联网互操作性方案，该方案内包括各种数据转换功能，可以有效实现对不同数据的有效转换，但其并不是使用资源片的动态解决方案;又如Pace等展示了一种平台互操作性的架构和范例，但其主要是通过对物联网平台连接服务的提前部署来确保互操作性，这与本文对资源的选择、部署和控制以及对互操作性支持的方法并不相同。

2资源片互操作中间件

当前生活环境中存在着许多摄像机，这些摄像机通过供应商（公共组织或个人）提供的物联网服务进行数据获取和处理。摄像机以及其各类视频文件都是资源，当两个特定的客户端需要访问某一个区域内所有摄像机数据资源时，由于摄像机资源种类较多，所以其客户端往往会因为需要处理不同要求的视频应变而面临一些互操作性問题，例如：（1）不同的物联网服务和摄像机可能会改变数据传输机制;（2）客户端可能需要尽可能多的视频在非常短的时间内进行同时处理;（3）由于客户端需要在基于物联网服务的前提下进行数据获取，因此其相关的网络防火墙和存储可能需要数次更改。

为了解决这些互操作性问题，提出了资源片互操作中间件的概念。首先，对该概念以及其体系结构进行简单介绍。

用RS（c）和Rs（r）分别表示客户端和资源片，且用r（DP，CP，MT）表示各类资源，其中DP=DPRS（c）。同时出于互操作性的考虑，假设RS（c）CRSi（c）。在此基础上，设定r（CP）控制源由r（DP）实现点对点的接收反馈，当元数据r（MT）被调用后，客户端RS（c）便可以在资源片RS（r）的协调下对存储空间内的相关资源进行快速接入，只要提供的物联网服务S是确定的，则允许客户端RS（c）通过调用对应的r（DP）和r（CP）来捕捉各类信息，从而实现一定程度上的互操作性。

将上述概念用于包括网络功能和云服务在内的所有类型资源之中，由于网络功能服务可能不支持物联网或云资源等各种数据点，且相关应用程序的资源片可能非常复杂，所以并不关注于自构建的资源片结构。此外，将只关注特定形式的切片，因为这些形式是物联网应用中的典型形式。在这种情况下，可以实现多种操作类型，例如：（1）多对一，即将多个数据点集成到一个地方;（2）一对一，即典型的数据点和控制点的一对一交互;（3）一对多，即典型的控制和数据传播。

同时，资源提供者往往适用于物联网互操作性，对于这样的资源提供者，首先，需要通过发布API来对所有可能存在的资源进行查询;其次，需要资源控制API来对相关资源进行控制，比如资源的供应、配置等。有了这两组API，便可以使用数据点和控制点来对资源进行查询和控制。

接下来对资源片互操作中间件（rsiHub）的体系结构进行介绍，具体如图1所示。根据图示的体系结构，可以知道该体系结构中包括了确保资源片互操作性实现的服务、软件构件和算法，而且可以提供以下服务：（1）引入资源片管理服务;（2）检查和搭建互操作性桥接器，并提供互操作性资源配置工作流;（3）通过本地管理服务为物联网、网络功能和云提供商提供接口。

3核心问题

在资源片互操作中间件实现的过程中，需要对包括互操作性分析组件、元数据、数据传输协议、数据质量和配置在内的核心问题进行关注，因为这些核心问题将影响面向物联网的资源片互操作中间件是否可以有效运行。

首先，对互操作性分析组件进行简单介绍。由于互操作性分析组件可以通过获取数据资源的元数据来对互操作性问题进行确定，所以在支持互操作性分析和建议时，将依赖于资源元数据和现有的软件工件元数据，以及可用于互操作性检查的目录。其目录中的信息可以将目标状态下的一个数据源映射到另一个数据源上，且可以对现有资源进行重新配置。因此，互操作性分析组件的存在将会直接影响互操作性的有效实现。

其次，对元数据进行介绍。为了合理实现互操作性，考虑了各种类型的元数据，以下类型的元数据对于互操作性的实现非常重要。例如：（1）数据交付频率，当客户端从不同频率的物联网传感器进行数据接收时，它们可能会产生一些互操作性问题，所以需要对其频率是否兼容进行检查;（2）数据法规，某些资源将基于一些必要的数据法规来进行数据信息的正常交付，如只有谷歌的资源需要用于分析时，其防火墙的网络功能才会被允许向谷歌客户端发送数据，否则正常情况下，其不会向任何客户端发送数据信息。

接下来对数据传输协议和数据质量进行介绍。对于数据传输协议而言，给定的数据格式和协议可以对相关组件进行部署，从而连接不同的协议。当然，在这个过程中，不仅需要通过调用按需服务来进行通信，也需要对数据转换进行调用。

数据质量在不同的物联网数据源中是不兼容的，但如果需要部署的两个资源的数据质量不兼容，那么它们可能无法实现互操作，为了使它们可以有效地实现互操作，则可能需要调用某些任务，例如删除不良数据。同时如果利用复杂的物联网数据进行监控，则此任务在运行时便可以完成。

最后对资源片的配置进行简单介绍。由于可执行互操作性的软件工件没有部署资源和相关服务，因此资源片互操作中间件将利用可用的基础设施来对资源的配置进行执行。在配置过程中，首先需要对基础设施资源进行配置，其次完成对软件服务资源的配置。

4相关示例

在本节中，将对资源片互操作中间件的相关示例进行介绍，例如基站收发站和摄像机切片。这些示例可以通过对各种物联网、网络功能和云提供商的开发和利用来进行构建。

首先对基站收发站进行简单介绍。客户通常希望现有的基站收发站可以对特定类型的警报进行有效地接收和分析，但是在以往的工作中，一个简单的资源片一般包括虚拟基站收发站传感器、MQTT代理、客户端和云数据库的数据点。如果将基站收发站监控外包给不同的维护人员，则会导致其数据格式产生一定程度的不同，为了避免这种不同对互操作性产生影响，需要添加基于Logstash的数据管道转换，以此产生新的互操作资源片，从而保证有效的互操作性。

接下来对摄像机切片进行介绍，由于在摄像机切片中，不同的应用场景一般需要不同的资源切片，所以通常通过物联网供应商将数据推送到Kaf-ka，使得相关触发器可以从Kafka直接进行数据的订阅。而在这个过程中，所有与系统相关的元数据、数据点和控制点都需要进行提前部署。在这种情况下，需要一个桥接元素来对这些元数据、数据点和控制点进行适当的协调处理，从而保证客户端可以进行数据的获取。具有互操作性桥接元素的資源片示例如图2所示。

5结束语

本文提出了用于物联网互操作性的资源片互操作中间件的概念，并对其体系结构和相关示例进行了简单介绍，同时利用现有的互操作性软件构件和服务来对包括物联网、网络功能和云在内的动态资源片进行了简单搭建，从而解决了特定于应用程序的互操作性需求。