基于关系的物联网体系结构

摘  要： 物联网是互联网技术、传感技术、智能终端技术等发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用。本文认为，其体系结构既要满足对互联网体系结构的继承性，又能反映物体、服务等在现实世界中的相互关系。基于此观点，提出了基于关系的物联网体系结构，给出了物体之间关系的构建方法，提出了关系域、物体的关系属性的概念。物体之间关系的建立，真实反映了物体在现实世界中的关系属性，对物联网的兼容性、安全性、可靠性及智能应用具有重要作用。

关键词： 物联网;体系结构;关系层

中图分类号： TP393    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.029

本文著录格式：丁义. 基于关系的物联网体系结构[J]. 软件，2019，40（9）：124-128

Internet of Things Architecture Based on Relationship

DING Yi

（Department of computer science and technology， Dezhou University， Dezhou 253023， China）

【Abstract】： Internet of things is the integration of several technologies such as the Internet， wireless sensor networks， smart terminals and so on. We think that its architecture not only satisfy the succession of the internet， but also reflect the relationship among entities and services similar to what happens in the real world. Based on this viewpoint， we propose the relation-oriented architecture of internet of things. The construction of relations is elaborated and the domain of relation， attribute of relation are also proposed. These relations among entities， which reflect the attribute of objects in real world， are important to the compatibility， security， reliability， and intelligence application of internet of things.

【Key words】： Internet of things; Architecture; Relation layer

0  引言

物聯网的概念^[1]自1999年由Ashton教授提出后，迅速成为计算机网络相关领域的研究热点并受到各国政府的重视。2008年，美国国家情报委员会将其列为对美国国力有潜在影响的六大技术之一，并预测到2025年，日常生活中的物体均会成为网络上的一个节点^[2]。2009年，温家宝总理提出“感知中国”的概念，进一步推动了国内物联网关键技术的研发步伐。目前，较为认可的物联网定义为^[3]：物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与网络连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

早期的物联网，其典型架构主要有欧美的EPC（Electronic Product Code）体系^[4]和日本的UID（Ubiquitous Identification）体系^[5]。这两种体系在各自政府支持和企业推动下已推广应用，但架构中都存在后台数据和用户隐私的安全问题^[6]。目前，对该领域的研究主要分为两方面，一是在现有互联网层次化功能模型的基础上拓展^[7-11] 和探索非层次化的网络体系结构^[12，13]，从网络基础理论研究的角度出发，解决物联网的互联机理、信息整合等应用领域的共性问题;二是从工程应用的角度出发，解决大量物体接入网络后，引起的知识表示、存储搜索、信息组织等业务实现的具体问题^[14-16]。

网络层依据物体移动引起的拓扑变化、以及关系节点给出的关系描述，识别所有可利用的候选资源并评估其代价，匹配可以利用的网络资源进行资源分配，配置虚拟节点，建立虚拟链路，构建新的虚拟拓扑。在节点映射阶段，首先选择和分配节点，而不考虑它们与链路映射阶段的关系，顺序得到节点和链路的映射^[24];也可以将节点和链路映射同时执行，以优化网络节点的负载均衡^[25]。

2.3物体的关系属性

在物联网应用中，需要对物体的属性进行标识。属性包括静态属性和动态属性。静态属性可以直接存储在电子标签中，动态属性由传感器实时探测，需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。

为更好地描述物体在现实世界中的相互关系，在物体的电子编码中增加关系属性标识。同样，关系属性也包括静态关系属性和动态关系属性。比如物体与生产者之间的关系贯穿于物体的整个生命周期，属于静态关系;出租车与乘客的关系属于动态关系。在关系域中，通过物体的关系属性描述物体之间的相互关系。

目前EPC体系是三级域名解析体系，其标准制定者制定了编码、解析及传输协议等规则，拥有编码解析主服务器、中央数据库，实际控制了全球生产流通企业注册、物品编码的发放，掌握了信息流向，所有工业、经济、商品流通等重要信息也就被编码解析服务器拥有者全面获取^[26]。而物体之间关系的建立，有望改变物体的身份识别方式。因此，研究制定关系属性的标准，确定关系属性的编码规则，从根本上改变受制于人的局面，对我国的物联网发展具有重要的意义。

2.4 关系的应用

基于关系的物联网体系结构是一种区别于传统网络只能被动传输数据的体系结构，关系节点可驻留系统程序和应用程序，能够执行数据的计算功能，也允许用户视特定应用向关系节点插入定制的程序，以便修改、存储或重定向网络中的数据流，从而极大地改善了物联网网络服务的能力，为提供智能应用打下基础。

物联网的本质是建立物体之间的关系，实现信息资源的共享，如產品追溯系统。通过信息的实时采集，物体的属性特征实时动态地传送到关系节点，关系节点通过关系属性建立关系，应用服务通过终端访问请求调用关系。关系通过定义在关系节点之上的执行环境和数据完成应用。如前所述，关系既可在同一关系节点内部建立，也可在关系节点之间建立，因此在关系的应用中，执行环境和数据可嵌套调用，即执行环境和数据既能调用同一关系节点内部的执行环境和数据，也能调用其它关系节点的执行环境和数据。图4给出了关系节点中关系的应用示例。

关系层可看作是关系域的集合，每个关系节点由一个或若干个执行环境和数据实体组成，关系节点间通过虚拟化的方法由各种网络技术连接在一起，传统的网络节点依旧可以工作在关系网络中。应用服务通过关系调用实现智能应用，运行于关系节点之上的执行环境和数据实体完成关系计算，提供物体之间的各种关系应用。例如追踪物体的踪迹，可通过关系属性将物体的行进路线在相关监控中直接提取出来。每个执行环境由一个独立的虚拟机实现，负责解释物体的关系属性及到达节点的分组的电子编码含义，不同的执行环境定义不同的虚拟机。对于具体的应用服务而言，关系屏蔽了数据挖掘的实现细节和执行环境的差异;对于执行环境而言，关系屏蔽了不同应用的相互影响。

从以上应用描述可以看出，基于关系的网络体系结构，将传统的以实现端到端传输机制为设计准则的互联网^[27]，转变为以关系为中心的网络。

3  结束语

本文提出了基于关系的物联网体系结构，给出了物体之间关系的构建方法，提出了关系域、物体的关系属性的概念。物体之间关系的建立，真实反映了物体在现实世界中的属性，对物联网的可用性、安全性、可靠性具有重要作用。

关系层是对现有互联网基础设施的高度抽象，它屏蔽了来自网络层和感知层的通信细节。对应用层来说，这种屏蔽将允许底层数据通信协议的动态选择以及新的传感技术及网络技术的应用，提高系统的兼容性，将传统的以数据传输为主要功能的网络，变换为以关系应用为中心的网络。

在基于关系的物联网体系结构框架下，由于物体之间关系的复杂性，身份认证、关系属性编码、网络评价与度量模型等，将是我们进一步研究的   课题。

参考文献

• Auto-Id Labs [EB/OL]， http：//www.autoidlabs.org.
• Luigi A， Antonio I， Giacomo M. The Internet of Things： A survey. Computer Networks. 2010， 54（15）： 2787-2805
• 朱洪波， 杨龙祥， 于全. 物联网的技术思想与应用策略研究. 通信学报， 2010， 31（11）： 2-9.
• EPC global [EB/OL]. The EPCgloble Architecture Frame work. http：//www.gs1.org/epcglobal/standards/architecture.
• Ubiquitous ID Center [EB/OL]. Ubiquitous ID Architecture. http：//www.Uidcenter.org/English/architecture.html.
• 宁焕生， 徐群玉. 全球物联网发展及中国物联网建设若干问题思考. 电子学报. 2010， 38（11）： 2590-2599.
• Internet of Things in 2020： Roadmap for the Future. EpoSS.
• 马华东. 物联网体系结构基础研究. 国家973计划项目[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/6739b872027 68e99 51e 73833. html
• Dunkels A， Vasseur J P， IP for Smart Objects， Internet Protocol for Smart Objects （IPSO） Alliance， White Paper #1， September 2008[EB/OL]， http：//www.ipso-alliance.org.
• Hui J， Culler D， Chakrabarti S， 6LoWPAN： Incorporating IEEE 802. 15.4 Into the IP Architecture–Internet Protocol for Smart Objects （IPSO） Alliance， White Paper #3， January 2009[EB/OL]， http：//www.ipso-alliance.org.
• Gershenfeld N， Krikorian R， Cohen D. The internet of things. Scientific American， 2004， 291（4）： 76-81
• Jacobson V， Content Centric Networking， Presentation at DARPA Assurable Global Networking， January 30， 2007.
• Koponen T， Chawla M， chun B， et al， A data oriented （and beyond） network architecture. ACM SIGCOMM Computer Communication Review. 2007， 37（4）： 181-192
• Toma I， Simperl E， Hench G， A joint roadmap for semantic 1699 technologies and the internet of things， //Proceedings of the Third STI Roadmapping Workshop， Crete， Greece， June 2009.  
• Guinard D， Trifa V， et al. Interacting with the SOA-based Internet of Things： Discovery， Query， Selection， and On- Demand Provisioning of Web Services. IEEE Transactions on Service Oriented Computing， 2010， 3（3）： 223-235
• Guinard D， Vlad T. Towards the web of things： web mashups for embedded devices， //Proceedings of the International World Wide Web Conference 2009 （WWW 2009）， Madrid， Spain， April 2009.
• 沈苏彬， 范曲立， 宗平等. 物联网的体系结构与相关技术研究. 南京邮电大学学报（自然科学版）， 2009， 29（6）： 1-11.
• 吴建平， 刘莹， 吴茜. 新一代互联网体系结构理论研究进展. 中国科学 E辑： 信息科学. 38（10）， 2008. 1540-1564.
• Dominique G， Domnic S. Interacting with the SOA-Based Internet of Things： Discovery， Query， Selection， and On- Demand Provisioning of Web Services. IEEE Transac tions on services computing， 2010， 3（3）： 223-235. 
• Milgram， S. The small world problem. Psychology Today， 1967， 2： 60-70
• Elmacioglu E， Lee D. On six degrees of separation in DBLP-DB and more. ACM SIGMOD Record， 2005， 34（2）： 33–40.
• Laoutaris N， Sirivianos M， Yang X Y， et al. Inter-Datacenter bulk transfers with netstitcher. ACM SIGCOMM， 2011.
• Mosharaf Kabir Chowdhury N M， Boutaba R. A survey of network virtualization. Computer Networks. 2010， 54（5）： 862-876. 
• Houidi I， Louati W， Bean-Ameur W， et al. Virtual network provisioning across multiple substrate networks. Computer Networks， 2011， 55（4）： 1011-1023.
• Werle C， Bless R. Papadimitriou P， et al. Building virtual networks across multiple domains. ACM SIGCOMM， 2011， 412-413. 
• 刘亚东. 中国物联网发展及基础思考[EB/OL]. http：//www. ipv6edu.com.
• Paul S， Pan J L， Jain R. Architectures for the future networks and the next generation internet： a survey. Computer Communications， 2011， 34（1）： 2-42.