基于泛在设备的能力汇聚与开 放系统架构.doc

完成时间： 相比传统网络，泛在网中设备数量众多，种类繁杂，且许多数据源网络长期处于无人值守的工作状态。泛在设备的存储和计算能力相比传统网络也更加有限，当前，大多数数据源网络之间一般彼此孤立，不能够与更大范围内的互联网应用和用户进行交互和通信，设备的所提供的服务没有得到充分利用，因此不利于无线泛在业务环境下的产业发展。将泛在网中广泛存在的物融合进与用户更为亲近的互联网，屏蔽设备间的差异，扩展设备的服务范围和服务能力，以实现人与物、物与物之间泛在交互的信息模式，需要为它们的接入方式设计一套易于实施、可以被广泛接受的聚合和开放架构，以达到促进新型业务生成和创新的目的。主要适用于基于的树形拓扑网络，地址的分配方案具有分布式协关键技术研究与演示验证”的一部分。 啪 ：甶畁 引言系统架构和相关概念系统组件和功能数据源网络数据预处理模块 的设备地址自动配置项目背景介绍演示系统的需求分析系统的组成和功能系统的设各组成数据的采集与预处理 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果 研究背景与意义琖的预测， 入无线信号 发射装置微型控制器凹图智能传感节点的组成与结构。地面无线传感网是比较常见在这种网络环境中，重新更换电源相对困难，致密或多障碍物的地形因 首先是通信的方法不同，电磁波在水下的传输能力与水的导电性关联紧从以上的讨论可以看出，纯粹的无线传感网的网络形态是相对独立和封闭单一的。针对不同的应用场景，网络的设计和部署需要单独处理和优化，根据应用需求平衡各种参数。部署完成后信息的流通通常只限于网络内部，或者在需求产生的情况下再通过私有的接口在专业人员的帮助下与其他系统进行对接，实现的成本和复杂度较高。的标准化，促进技术在零售、物流、交易网络中的广泛应用。早期的物联网构想主要在于通过等技术实现现实世界物体的信息化，包括物体的识别、追踪、状态信息的报告等。物联网技术在出现之初就将人们日常的工作和生活环境纳入了其应用范围，包括家庭自动化、医疗卫生辅助、工业制造、智能物流、过程管理等。，產畂 泛在设备的加入将会极大地丰富现有澜绲哪谌荨赪服务的出现。接入通信网络，实现人与物、物与物之间传感器技术。传感器设备在泛在网中扮演着虚拟世界在物理世界里的感知器官的角色嘤】。根据使用的材料、输出信号的类型、制造技术的不同，传感器可以分为多种类型，它们可以为泛在网中的信息系统提供各种各样现实世界里的原始信号信息，如温度、电量、光照、声音和其它类型信号。在此基础之上，泛在网中其它的应用系统才能依此实施进一步传输、处理、分析、反馈等智能化操作。最近，纳米材料技术和微电子机电系统领域的发展为传感器设备提供了高性能的感知材料和新的生产工艺。术、无线、和是近场通讯的代表技术。相比广域网 奈尴遅技术其传输速率则更可尘、隔震、抗电磁干扰、温度适应性等设计。由于其能力受限的特点和所处环境的恶劣性，通常泛在网中设备的故障率相比传统网络也较高。与传统互联网的设计要求相似，在泛在业务环境的网络中，要求网络在部分节点不能正常工作时能够自主重新选择路由和传输策略，从而实现网络的自修复，尽可能保持网络功能的正常。信息安全技术。当智能设备遍布于人们生产生活中的各个角落时，同时也意味着网络和信息安全的风险将随之进入人们生活环境中的各个方面。美国国家情报委员会在其报告中也特别强调，泛在网技术的发展和普及将会使得信息安全的风险比在传统的互联网时代散布得更广【。虽然自电子计算机发明之初安全领域的研究就备受关注，但是当前基于计算复杂度的密码学等安全机制需要较多的计算资源和通信成本，因此通常不适合在能力受限设备众多的泛在网环境中大量普及。 以下将对每个领域中可能出现的典型应用进行简要描述。囝 智能家居和环境 见的应用情景进行了简要描述。的研究进展和现状。在这一章最后将阐述本文的研究动机。的树形拓扑网络，是一种分布式的地址分 第六章对全文进行总结，提出了下一步工作中可以改进和提高的地方。 可以改进之处。本章最后将阐述本文的研究动机。等。然后具有协议简单、低功耗、设备廉价、易部署的特点，是一种功能受限节点只与全功能节点进行通信。每个遵循生产时都会被分配一个位的唯一标识符。标准的设备在网络的拓扑形状可设备均可实施三种信 珽、空闲信道检测：如表所示， 设备可以工作在表 珀设备工作频段痵 在低速率短距离网络中的地位可以类比于传统网络中的以图 与通信协议架构的基础上定义了更上一层的通信协议，它包含了 且只与路由设备或协调器进行通信。，它的传输速率有所蓝牙通信标准中为设备定义了三种运行时的功率等级通信时的有效传输距离由所使用的功率等级决定。根据曜肌。为了在各种不同的受限的基础之上重新定义了数 泛在网设备协议栈示例控制层标准无法直接支持传输这样的大小的帧。适配层主要包含了以下功能。太大。例如，的头部大小有字节，而的规范中最大报文况下则需要字节。办法之外，还在口协议的下一层了采用分片与重组的适配机制。网络与因特网互联，需要在网络的边缘布置边界路由器，它们的功能主要有两个。首先，为来往于网址、邻居发现功能等。嫦騑的泛在网技术抽象为统一的虚拟资源并接入已有的互联网基础设施中，先在虚拟服务的层面 架构风格的简洁性，以及其具有的能够无缝地将泛在设备能力与全力。随着通信和计算技术的发展，文献縖】预测将会有越来越多的设备具有例如无线传感器网络中的设备、标签等。在这种情形下，一般可以通过样的智能代理网关来实现智能家居的愿景。 期的研究工作主要在于通过将某种唯一的标签与具体的物体相关联，如条形码、 、协调调度层、管理层，以此实现在不同层之间的分工和智能协作。在最 个数据源网络的对外开放。但是简单地为每个泛在业务环境下的数据源网络部署一个适配代理网关也无法从根本上解决服务开放和服务可靠性的问题。在泛在计算环境中，整个社会对信息的处理能力和消费需求越来越大。分散、单一的设备能力利用方式的可扩展性不能够很好地适应广泛的应用开发人员的需求。因此，将泛在网中广泛存在的物融合进与用户更为亲近的传统互联网，屏蔽设备间的差异，扩展设备的服务范围和能力，以实现人与物、物与物之间泛在信息交互的模式，需要为它们的接入和整合设计一套易于实施、可以被广泛接受的能力汇聚与开放的系统架构，以达到促进新型业务生成和应用创新的目的。建立能力汇聚与开放平台，使得每个数据源网络的设备和能力能够依托更大型平台的支撑向更多的应用系统提供服务，从而实现资源受限设备的服务能力和服务范围的扩展。另外一方面，设备服务的开放能够产生基础设施建设成本的均摊降低和社区的协作发展效应，从而促进泛在业务环境下基础设施的建设和创新应用的产生。 引言 在泛在网的构想中，基于上下文感知的智能服务需要依赖部署到现实世界系统架构和相关概念网络，这些网络相互之间的软件和 在泛在业务环境下，相比传统的垂直型传感器网络应用系统，设备的能力汇聚与开放所面对的应用需求种类更多更复杂，服务的空间范围也相对更为广阔分散，再加上泛在业务环境下设备的数量众多，架构和功能多种多样，因此，在架构上，除了要满足能力汇聚开放的需求和对不同平台的兼容性以外，整个系统的低耦合和可扩展性也需要充分考虑到。图能力汇聚与开放系统架构 系统组件和功能 当用作事务信息存储时，其中至少应当包含事务标识号、事务发起者标识、 独立的控制适配模块以解决这类问题。矛盾，减少了使用该接口的应用系统在实施控制指令时的困难度。控制适配模紫龋允菰赐绲目刂评嗲肭笥煽7牌教挠没騌接口 些泛在存在的通用智能服务并生成新的应用。智能设备的统一访问，它们分别为和枣。幸标准集所定义的服务 据封装格式一般采用较轻量的，或者袷健接口在设计时主要需要表达对数据源网络的常用操作模式，如针对数据的查询接口，对数据源网络的基本控制功能等，这些行为一般可以与基于的协议访问方法直接对应。另外，还可以通过接口的封装和重新组合，提供原设备网络中不具备或未直接提供的能力接口，如统计相关、事务控制类的接口等。大大增加，符合泛在业务环境下对服务聚合和开放的需求。 集中式的地址配置方法谴车腡网络中一种可以实现单个服务器集中式地同时为多个网络提供自动配置服或物联网时将面临如下挑战：统网络环境中，网络拓扑和网络中的设备通常是静态、变化较少的，这可以从方案是一种层级式的地 的设备地址自动配置接起来的地址中每个字节的高位比特值来区分其中包含的单个局部地址的起始字节位置。表局部地址编码方式示意 原因是，个字节大小的存储对于大多数的网络环境仍然是可接受的。例如， 图节点网内地址生成过程示例网络的单跳通信中可以通过一个唯一的标识符对下一跳设备进行唯一指定，因此，理论上报文传达的过程是一个确定性的过程。含的网内地址中提取出最开始的一个节点局部地址，将之与自身的局部地址比 图下行报文传输过程示例节点的局部地址用于在兄弟节点间对某一节点进行区分。对于数据源网络与因特网进行通信的需求，首先需要位于树形网络根部的网关节点具有双栈通信能力，即网关设备既需要具有与数据源网络中设备的通信能力，又要具有与因特网中主机通信的能力。在本章所描述的地址分配方案中，网内节点通常不具备与因特网中的设备直接通信的能力。因此，数据源网络与因特网的通信需要在网关节点上部署相应的地址转换和协议转换机制。协议转换的实现与数据源网络本身采用的通信协议相关，因此本节只讨论地址转换相关的考虑。 而口协议过渡方案中的口则是一种无状态的转换方法【】。将该子节点的局部地址回收。法。该方法主要适用于基于髓的树形拓扑网络。根据数据源网络的通信和应用需求，网络中节点的地址可以分为三个层次，分别为节点的局部地址、网内地址、全网地址。地址的分配方案具有分布式协作的特点，在节点的网内通信过程中，网内地址能够较为简洁直观的提供辅助路由功能。对于泛在网中数据源网络的多类通信需求具有较好的适应性和可扩展性。 演示系统的需求分析统的网络基础设施依然是主体。而在泛在网的数据源网络中，所使用的设备在 址分配方案。我们认为生产环境中云平台的计算、通信和存储能力是随着实际需求的增长而不断进化的，对于全功能设备和网络的性能调优作为一个被广泛探索和尝试的领域在业界也已经相对成熟。在系统结构方面，我们将具体的接口逻辑和数据之间进行了分离解耦，而在具体的实现方面，我们将采用的是业界实践较为普遍的技术，因此在生产环境中的平台服务能力伸缩性应是可控的。综上所述，在开放平台层，我们为演示系统设定的主要验证目标是系统架构能否较好地支持数据源网络能力的统一接口抽象、对数据源网络的控制功能能否通过所设计的异步和非阻塞的方式较好地实现，在实现互操作的过程中实现平台差异和通信细节的隔离。 统的实现过程进行描述。点与全功能控制端的接口板、全功能控制设备、传感器模块。传感节点中所集成的微控制器分别为和，工作频率为弑的串图数据源传感器节点实物号为，可以用于采集温度和光照数据。数据源网络中的节点运行的是 供统一的抽象方法。从接口的读写属性来划分，可以将平台中的接口分为查询方法则用于对数据源网络