关于物联网中物品信息发现机制的研究
作者:王文杰时间:2015-12-03 11:12:03 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:2706次 ]
【文章摘要】
由于物联网的特殊组成机制，导致其区域服务器中存储着海量的物品信息。在物联网中查询某一指定物品的详细信息非常困难。本文研究分析物联网中服务器信息的查询机制，分析出8 中常见DS 服务模式。再通过分析信息发现过程中的安全性和响应速度，最终总结出2 种可行的DS 服务模式。
【关键词】
物联网；信息发现；DS ；物品查询
0 引言
物联网中特定物品信息所存位置不可预知，因此如何精确找到随机分散存储的特定物品信息是物联网信息发现机制进行的重要研究。
1 物联网中物品发现机制问题
随着物联网的使用越来越广泛，与物联网有关的物品有可能流通在全球各个领域，在流通过程中，物联网中区域的服务器将会收录这些物品的相关信息。如下图所示。这些区域之间相互独立，各自所处的物理位置也相去甚远。基于这种背景，用户需要一种有效的发现机制，使用户可以知道其关心的物品信息储存在哪些服务器里，甚至可以进一步查询物品流通的历史记录。
通过分析物联网中的物与查询者和信息服务之间的关系，这里将如何在物联网中获取物品信息的方式看作是在一个宏大的分布式数据库进行实时寻址。将信息服务看作独立分布式物品数据节点，简称DTDN。由于物联网区别于传统的计算机网络，导致DTDN 与传统的分布式数据节点不相同。其特点为:
（1）更为频繁的数据信息更新。在现实世界中，有可能多条物流链交汇于一个节点，不同物流链上的不同物品在节点上频繁流通，节点上的数据信息也将频繁更新。
（2）更为分散的数据分布。由于物品在物流链流动的过程中会经过一个又一个节点，不同的流通阶段使得不同节点上储存着同一个物体的不同状态信息数据。由于这种数据的分布性，使得查询者无法从单个节点上获取物品的完整信息。
（3）更为巨大的节点数目。居统计，物品个体在物流链里流动的过程中，至少会与50 个以上的公司有关，而这样的物品个体每个公司年平均有10 亿个。
（4）更高的数据安全敏感性。物品在物流链中流转时，其全部的数据信息都储存在节点中。由于这些信息真实可靠，稍加分析就有可能直指商业机密，所以节点上存储的数据信息和位置信息需要具有足够完备的保护机制加以保护。
随着物流供应链遍布全球，物品可在借此流通到全球任何地方，因此物品有可能会流过任意数据节点，具有动态变化的特征。可见，查询者如果想在庞大数量的数据节点中对所查目标进行准确定位，就需要一种高效可行的物品发现机制。
2 物品发现机制的可行模式
如何在物联网中高效查询物品信息？通过EPCglobal Network 架构方块图可以看出，EPCglobal 早已明确物联网服务中“信息发现（EPC Discovery Service）”的重要性，但也仅仅是提出概念而已。在此基础上，欧盟起了BRIDGE（TheBuildingRa diofrequencyIdentificationsolutionsfortheGlob alEnvironment）项目，从一个新的高度对物联网的DS 模式进行了分析，开发出了一种DS 数据模型和接口设计，主要面向企业级用户对查询和发布记录服务需求。
图2. EPCglobal Network 架构方块图
BRIDGE 项目将 DS 应该为 Client （查 询客户端）提供的服务进行了进一步的明确，强调DS 可以为指定EPC 在供应链中寻址定位与其相关的多个EPCIS（信息提供者）。这种寻址服务可以细化寻址粒度， 扩大寻址范围。由于DS 可以实时更新和查询物品单体信息，所以要求DS 的存储和寻址能力达到每年亿万级。
接下来，BRIDGE 项目又进一步分析了DS 的可行性并作出假设: DS 在受信的基础上为Client 和EPCIS 提供一种具有权威性的查询服务；EPCIS 可接入计算机网络、地址相对固定、随时更新信息、不定期中断服务。
由此，DS 应具备：保密client 查询内容；保密DS 记录信息；响应速度快捷，包含信息完整。
基于以上要求，DS 的运行分为三个步骤：
（1）配置 DS 接收由Client 和EPCIS 发出的注册请求和查询信息。
（2）发现 由DS 做为中转，帮助Client 和EPCIS 互换位置信息，以便建立通信。
（3） 响应 EPCIS 完成Client 的查询需求。
又由这三个步骤，BRIDGE 项目给出
图 1. 物联网中物品、查询者和信息服务之间的关系
了八种DS 可能出现的表现模式，分别为：
1）EPCIS 目录模式 该模式中 DS 工作为目录形式。首先在配置阶段EPCIS 将相关信息注册到DS 进行配置；其次在发现阶段DS 接收由Client 发送的查询请求，DS 将匹配后的相关EPCIS 地址返回给Client ；最后在响应阶段Client 将进一步的查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS，收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。单一数据库和分布式多级数据库都可以为此模式提供目录服务。
2）Client 目录模式 该模式中 DS 工作为目录形式。首先在配置阶段 Client 将相关信息注册到DS 进行配置，其次在发现阶段DS 接收由EPCIS 发送的查询请求，DS 将匹配后的相关Client 地址返回给EPCIS ，最后在相应阶段EPCIS 将进一步的查询请求发送至反馈地址所指向的Client ，收到请求后Client 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。单一数据库和分布式多级数据库都可以为此模式提供目录服务。
3） EPCIS 公告模式 该模式中 DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段 Client 将其查询信息意向注册到DS 上，其次在发现阶段DS 将EPCIS 的相应信息进行广播，DS 根据上一步的查询意向注册信息将EPCIS 地址返回给Client，最后在响应阶段Client 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS， 收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。
4） Client 公告模式 该模式中 DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段EPCIS 将其查询信息意向注册到DS 上， 其次在发现阶段DS 将 Client 的相应信息进行广播，DS 根据上一步的查询意向注册信息将Client 地址返回给EPCIS，最后在响应阶段EPCIS 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的 Client，收到请求后Client 在相应的安全协议下响应EPCIS 的查询请求。
5）元 EPCIS 模式。该模式中 DS 工作为数据库形式。首先在配置阶段DS 将EPCIS 的所有信息全部复制到数据库中， 由于数据库内存放的是全部信息故无发现阶段。在响应阶段DS 在收到Client 的查询请求后会在相应的安全协议下进行相应并反馈查询信息。
6）元 Client 模式。该模式中 DS 同样工作为数据库形式。首先在配置阶段DS 将Client 的所有信息全部复制到数据库中，由于数据库内存放的是全部信息故无发现阶段。在响应阶段DS 在收到EPCIS 的查询请求后会在相应的安全协议下进行相应并反馈查询信息。
7）信息公告模式。该模式中 DS 工作为覆盖网络形式，首先在配置阶段Client 将其详细查询信息注册到DS 上，跳过查询阶段，DS 将EPCIS 的所有信息全部复制到数据库中，最后DS 会根据查询信息在相应的安全协议下响应Client。
8）请求传播模式。该模式中 DS 继续工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段EPCIS 将其相应能力信息注册到DS 上， 其次在发现阶段DS 将收到的 Client 的详细查询请求传播给EPCIS，在响应阶段收到请求后的EPCIS 在相应的安全协议下响应Client。
在满足DS 的相关要求的前提下， BRIDGE 项目从Client 安全、EPCIS 安全、响应速度三个方面对上述八种 DS 可能的工作形式进行了细致的对比和分析，具体细节见下表：
由表格不难看出，Client 目录模式和元Client 模式在查询时需要经历一个缓存并等待响应的过程，这势必会大大延长响应的时间，故应该被淘汰。另外，元 EPCIS 模式和信息公告模式在查询时会其全部信息复制给DS 的数据库，虽然响应速度略有提升，却降低了安全性，故也应淘汰。通过比较，将其余四种模式即EPCIS 目录模式、EPCIS 公告模式、Client 公告模式以及请求传播模式暂定为候选模式。
为进一步整合上述四种候选模式， BRIDGE 项目给出了提出了两条可行性DS 模式：
1）目录服务模式 目录服务模式通过整合EPCIS 目录模式和 EPCIS 公告模式， DS 工作为目录服务形式，并提供包含订阅/ 发布内容的公告服务。在该模式中， 首先在配置阶段EPCIS 将其响应能力信息注册到DS 上，Client 向DS 目录发送单次或者订阅查询请求，其次在查询阶段DS 将查询结果反馈给Client，最后在响应阶段Client 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS，收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。此模式可进行复杂查询，并具有较高的响应速度，但对于EPCIS 的安全保证有待进一步研究提高。
2）请求传播模式 请求传播模式通过整合Client 公告模式和请求传播模式， DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段 EPCIS 将其响应能力信息注册到DS 上， 其次在查询阶段DS 将Client 的详细查询请求向具有响应能力的 EPCIS 进行广播， 最后在响应阶段EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。此模式可以保障在未得到DS 的许可之前Client 无法获得EPCIS 的地址，从而提高了EPCIS 的安全性。
3 结语
本文针对物联网中特定物品信息的发现问题进行了讨论。通过分析最终将物品的发现抽象为在物联网中海量数据节点之间的数据查询问题。接下来对BRIDGE 项目的相关研究进行了分析，最终整合了两种DS 的可行模式，即目录服务模式以及请求传播模式。
【参考文献】
[1] 王艳军, 吕志勇, 黄蕾. 基于物联网传感器的城市交通状态预测[J]. 武汉理工大学学报. 2010(20)
[2] 刘强, 崔莉, 陈海明. 物联网关键技术与应用[J]. 计算机科学. 2010(06)
[3] 刘冬冬. 基于P2P 的物联网信息发现服务的研究[D]. 郑州大学 2011
[4] 袁东亮. 物联网的研究与应用[D]. 中国地质大学( 北京) 2012
[5] 徐浩. 虚拟组织中融合信任管理的自动信任协商关键技术研究[D]. 中国科学院研究生院（计算技术研究所） 2008
由于物联网的特殊组成机制，导致其区域服务器中存储着海量的物品信息。在物联网中查询某一指定物品的详细信息非常困难。本文研究分析物联网中服务器信息的查询机制，分析出8 中常见DS 服务模式。再通过分析信息发现过程中的安全性和响应速度，最终总结出2 种可行的DS 服务模式。
【关键词】
物联网；信息发现；DS ；物品查询
0 引言
物联网中特定物品信息所存位置不可预知，因此如何精确找到随机分散存储的特定物品信息是物联网信息发现机制进行的重要研究。
1 物联网中物品发现机制问题
随着物联网的使用越来越广泛，与物联网有关的物品有可能流通在全球各个领域，在流通过程中，物联网中区域的服务器将会收录这些物品的相关信息。如下图所示。这些区域之间相互独立，各自所处的物理位置也相去甚远。基于这种背景，用户需要一种有效的发现机制，使用户可以知道其关心的物品信息储存在哪些服务器里，甚至可以进一步查询物品流通的历史记录。
通过分析物联网中的物与查询者和信息服务之间的关系，这里将如何在物联网中获取物品信息的方式看作是在一个宏大的分布式数据库进行实时寻址。将信息服务看作独立分布式物品数据节点，简称DTDN。由于物联网区别于传统的计算机网络，导致DTDN 与传统的分布式数据节点不相同。其特点为:
（1）更为频繁的数据信息更新。在现实世界中，有可能多条物流链交汇于一个节点，不同物流链上的不同物品在节点上频繁流通，节点上的数据信息也将频繁更新。
（2）更为分散的数据分布。由于物品在物流链流动的过程中会经过一个又一个节点，不同的流通阶段使得不同节点上储存着同一个物体的不同状态信息数据。由于这种数据的分布性，使得查询者无法从单个节点上获取物品的完整信息。
（3）更为巨大的节点数目。居统计，物品个体在物流链里流动的过程中，至少会与50 个以上的公司有关，而这样的物品个体每个公司年平均有10 亿个。
（4）更高的数据安全敏感性。物品在物流链中流转时，其全部的数据信息都储存在节点中。由于这些信息真实可靠，稍加分析就有可能直指商业机密，所以节点上存储的数据信息和位置信息需要具有足够完备的保护机制加以保护。
随着物流供应链遍布全球，物品可在借此流通到全球任何地方，因此物品有可能会流过任意数据节点，具有动态变化的特征。可见，查询者如果想在庞大数量的数据节点中对所查目标进行准确定位，就需要一种高效可行的物品发现机制。
2 物品发现机制的可行模式
如何在物联网中高效查询物品信息？通过EPCglobal Network 架构方块图可以看出，EPCglobal 早已明确物联网服务中“信息发现（EPC Discovery Service）”的重要性，但也仅仅是提出概念而已。在此基础上，欧盟起了BRIDGE（TheBuildingRa diofrequencyIdentificationsolutionsfortheGlob alEnvironment）项目，从一个新的高度对物联网的DS 模式进行了分析，开发出了一种DS 数据模型和接口设计，主要面向企业级用户对查询和发布记录服务需求。
图2. EPCglobal Network 架构方块图
BRIDGE 项目将 DS 应该为 Client （查 询客户端）提供的服务进行了进一步的明确，强调DS 可以为指定EPC 在供应链中寻址定位与其相关的多个EPCIS（信息提供者）。这种寻址服务可以细化寻址粒度， 扩大寻址范围。由于DS 可以实时更新和查询物品单体信息，所以要求DS 的存储和寻址能力达到每年亿万级。
接下来，BRIDGE 项目又进一步分析了DS 的可行性并作出假设: DS 在受信的基础上为Client 和EPCIS 提供一种具有权威性的查询服务；EPCIS 可接入计算机网络、地址相对固定、随时更新信息、不定期中断服务。
由此，DS 应具备：保密client 查询内容；保密DS 记录信息；响应速度快捷，包含信息完整。
基于以上要求，DS 的运行分为三个步骤：
（1）配置 DS 接收由Client 和EPCIS 发出的注册请求和查询信息。
（2）发现 由DS 做为中转，帮助Client 和EPCIS 互换位置信息，以便建立通信。
（3） 响应 EPCIS 完成Client 的查询需求。
又由这三个步骤，BRIDGE 项目给出
图 1. 物联网中物品、查询者和信息服务之间的关系
了八种DS 可能出现的表现模式，分别为：
1）EPCIS 目录模式 该模式中 DS 工作为目录形式。首先在配置阶段EPCIS 将相关信息注册到DS 进行配置；其次在发现阶段DS 接收由Client 发送的查询请求，DS 将匹配后的相关EPCIS 地址返回给Client ；最后在响应阶段Client 将进一步的查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS，收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。单一数据库和分布式多级数据库都可以为此模式提供目录服务。
2）Client 目录模式 该模式中 DS 工作为目录形式。首先在配置阶段 Client 将相关信息注册到DS 进行配置，其次在发现阶段DS 接收由EPCIS 发送的查询请求，DS 将匹配后的相关Client 地址返回给EPCIS ，最后在相应阶段EPCIS 将进一步的查询请求发送至反馈地址所指向的Client ，收到请求后Client 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。单一数据库和分布式多级数据库都可以为此模式提供目录服务。
3） EPCIS 公告模式 该模式中 DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段 Client 将其查询信息意向注册到DS 上，其次在发现阶段DS 将EPCIS 的相应信息进行广播，DS 根据上一步的查询意向注册信息将EPCIS 地址返回给Client，最后在响应阶段Client 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS， 收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。
4） Client 公告模式 该模式中 DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段EPCIS 将其查询信息意向注册到DS 上， 其次在发现阶段DS 将 Client 的相应信息进行广播，DS 根据上一步的查询意向注册信息将Client 地址返回给EPCIS，最后在响应阶段EPCIS 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的 Client，收到请求后Client 在相应的安全协议下响应EPCIS 的查询请求。
5）元 EPCIS 模式。该模式中 DS 工作为数据库形式。首先在配置阶段DS 将EPCIS 的所有信息全部复制到数据库中， 由于数据库内存放的是全部信息故无发现阶段。在响应阶段DS 在收到Client 的查询请求后会在相应的安全协议下进行相应并反馈查询信息。
6）元 Client 模式。该模式中 DS 同样工作为数据库形式。首先在配置阶段DS 将Client 的所有信息全部复制到数据库中，由于数据库内存放的是全部信息故无发现阶段。在响应阶段DS 在收到EPCIS 的查询请求后会在相应的安全协议下进行相应并反馈查询信息。
7）信息公告模式。该模式中 DS 工作为覆盖网络形式，首先在配置阶段Client 将其详细查询信息注册到DS 上，跳过查询阶段，DS 将EPCIS 的所有信息全部复制到数据库中，最后DS 会根据查询信息在相应的安全协议下响应Client。
8）请求传播模式。该模式中 DS 继续工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段EPCIS 将其相应能力信息注册到DS 上， 其次在发现阶段DS 将收到的 Client 的详细查询请求传播给EPCIS，在响应阶段收到请求后的EPCIS 在相应的安全协议下响应Client。
在满足DS 的相关要求的前提下， BRIDGE 项目从Client 安全、EPCIS 安全、响应速度三个方面对上述八种 DS 可能的工作形式进行了细致的对比和分析，具体细节见下表：
由表格不难看出，Client 目录模式和元Client 模式在查询时需要经历一个缓存并等待响应的过程，这势必会大大延长响应的时间，故应该被淘汰。另外，元 EPCIS 模式和信息公告模式在查询时会其全部信息复制给DS 的数据库，虽然响应速度略有提升，却降低了安全性，故也应淘汰。通过比较，将其余四种模式即EPCIS 目录模式、EPCIS 公告模式、Client 公告模式以及请求传播模式暂定为候选模式。
为进一步整合上述四种候选模式， BRIDGE 项目给出了提出了两条可行性DS 模式：
1）目录服务模式 目录服务模式通过整合EPCIS 目录模式和 EPCIS 公告模式， DS 工作为目录服务形式，并提供包含订阅/ 发布内容的公告服务。在该模式中， 首先在配置阶段EPCIS 将其响应能力信息注册到DS 上，Client 向DS 目录发送单次或者订阅查询请求，其次在查询阶段DS 将查询结果反馈给Client，最后在响应阶段Client 将进一步的详细查询请求发送至反馈地址所指向的EPCIS，收到请求后EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。此模式可进行复杂查询，并具有较高的响应速度，但对于EPCIS 的安全保证有待进一步研究提高。
2）请求传播模式 请求传播模式通过整合Client 公告模式和请求传播模式， DS 工作为覆盖网络形式。首先在配置阶段 EPCIS 将其响应能力信息注册到DS 上， 其次在查询阶段DS 将Client 的详细查询请求向具有响应能力的 EPCIS 进行广播， 最后在响应阶段EPCIS 在相应的安全协议下响应Client 的查询请求。此模式可以保障在未得到DS 的许可之前Client 无法获得EPCIS 的地址，从而提高了EPCIS 的安全性。
3 结语
本文针对物联网中特定物品信息的发现问题进行了讨论。通过分析最终将物品的发现抽象为在物联网中海量数据节点之间的数据查询问题。接下来对BRIDGE 项目的相关研究进行了分析，最终整合了两种DS 的可行模式，即目录服务模式以及请求传播模式。
【参考文献】
[1] 王艳军, 吕志勇, 黄蕾. 基于物联网传感器的城市交通状态预测[J]. 武汉理工大学学报. 2010(20)
[2] 刘强, 崔莉, 陈海明. 物联网关键技术与应用[J]. 计算机科学. 2010(06)
[3] 刘冬冬. 基于P2P 的物联网信息发现服务的研究[D]. 郑州大学 2011
[4] 袁东亮. 物联网的研究与应用[D]. 中国地质大学( 北京) 2012
[5] 徐浩. 虚拟组织中融合信任管理的自动信任协商关键技术研究[D]. 中国科学院研究生院（计算技术研究所） 2008
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