基于覆盖网络的物联网系统的应用开发平台

引 言

在国家标准YD/T 2437-2012[1] 的体系结构中 [2] 提出了涉及网络/ 业务网络层和应用层的覆盖网络子层。覆盖网络是通过虚拟化技术构建在网络/ 业务网络层之上应用层子层的虚拟网络，它是物联网应用的需求描述的平台，是由虚拟节点通过虚拟链路连接构成的。网络/ 业务网络层中包括许多异构的基础设施资源的实体节点，它们是由实体路径连接起来的。虚拟节点的选择涉及网络/ 业务网络层实体节点可分为三类 ：参考点Ia’、参考点 Ia”终端和参考点Ia”网关[1,2]。虚拟链路的确定依赖这三类实体节点各自的功能形成彼此之间相连接的实体路径。覆盖网络的构建，还要有一个将一个具有虚拟节点和虚拟链路约束的覆盖网络映射到网络/ 业务网络层中的过程的映射方案，其中虚拟节点映射到网络/ 业务网络层中的实体节点上，虚拟链路映射到网络/ 业务网络层中的实体路径上，而且满足覆盖网络中虚拟节点和虚拟链路对资源需求的约束。使得覆盖网络中的虚拟节点及其被连接虚拟链路，可能对应于网络/ 业务网络层中的实体节点及其被连接的多个实体链路中的一个路径。应用层的覆盖网络被要求具备两方面的功能，既要为应用层实现业务需求提供网络资源的途径，又要生成并维护网络/ 业务网络层中网元的网络拓扑结构。为了这两方面的功能得到更清晰的表达，我们在文献 [1] 的基础上，基于YD/T 2437-2012 体系结构，进一步给出物联网系统的应用开发平台。

1 应用开发平台的框架设计

物联网系统的应用开发平台模型（图 1）是在提出了应用层的覆盖网络子层[2] 的基础上设计的。在应用开发平台框架中， 从网络/业务网络层的视角，把应用层的覆盖网络描述为虚拟网络，网络/业务网络层中覆盖网络为应用支撑网，作为承载覆盖网络的基础设施。应用支撑网的网元是将这三类实体节点的组合并加以封装形成的。

具体讲，应用层的虚拟覆盖网络是应用开发者或用户完成应用开发提供业务需求描述的平台。业务需求描述将通过专门的模型来提出的请求，并提出应该把哪些网元组合在一起生成网元的网络拓扑结构来实现，即业务需求被解耦为两个层面 ：虚拟覆盖网络上的业务需求模型和网元的网络拓扑结构。实现模型提出来的这些请求，还要期待位于网络/ 业务网络层的应用支撑网承接虚拟网元的映射的响应，然后通过感知延伸代理，从组合节点容器那里获得回答。

2 框架模型的主要成分的结构

根据 YD/T2437-2012 的应用开发平台框架涉及应用支撑网、感知延伸代理和组合节点容器等。

2.1 节点组合容器

YD/T 2437-2012 规定 ：感知延伸层由物联网终端、物联网端节点、感知延伸网、物联网接入网关，以及传感器、执行器、智能控制等部件构成。物联网接入网关通常作为物联网节点的代理，向物联网网络/ 业务层进行注册、认证鉴权和信息交互等。具有信息采集、标识读取、信息存储、根据网络/ 业务层指示执行特定动作等能力。感知延伸层实现物理世界信息的采集、自动识别和智能控制。并具体地通过参考点Ia’，参考点Ia”，参考点 Id，参考点It 和网络层进行信息交互。这些节点，通常会利用各种近距离技术、自组织组网技术等，通过多跳转发等方式，来实现节点间的信息传递。

大多数今天的应用程序是通过低层的服务（无论是基于REST 或基于 SOAP）面向直接访问资源和 / 或设备。实体的抽象，这是IoT-A 的关键概念之一，主要介绍了来自处理低层资源的复杂性和以物联网为中心的系统的简单化实施的抽象。沿着同样的路线，利用简单的资源 / 设备和其他（物联网外部） 的服务为基元，我们将推动“实体服务”和“集成服务”作为更高层的抽象，从而隐藏（屏蔽）处理来自物联网的开发者和用户的复杂性[3-5]。因此，可以将物联网终端、物联网端节点、感知延伸网等节点，组合成节点构件。节点构件可以独立部署或被组装，并在此基础上构建节点组合容器。在开发平台框架的设计中，感知延伸层的部件及其相应的功能都将融入到节点组合容器和感知延伸代理这两个主要成分中。由节点构件组装而成的节点组合容器，具有传感器、执行器等部件，通过感知延伸代理，响应网络 / 业务层的业务请求，部署节点构件执行。节点构件向外暴露其接口，通过接口向外界提供服务，并根据环境变化动态调整自身行为。根据业务请求感知延伸代理，可以指示节点组合容器任意选择或组装节点构件。节点组合容器结构如图 2所示，包括：节点构件，节点构件服务管理两部分。

节点组合容器结构图中，节点构件由节点构件实例和执行器组成 ；节点构件服务管理涉及传感器和规则引擎、规划引擎、命名服务、组合服务等功能模块。在具体实现中，节点组合容器一方面管理节点构件服务的生命周期，为构件实例提供执行业务请求的运行环境，另一方面为构件访问服务管理的功能模块提供支持。每个构件实例的环境信息模块，既要截取传感器中相适应的外界信息，又要解析来自感知延伸代理转发的业务请求。按照规则引擎、规划引擎、命名服务、组合服务等预置的功能模块，对节点构件实例提供的规则集、规划集、行动集进行整合，然后交付执行器去实现。

2.2 感知延伸代理

对应 YD/T 2437-2012 的规定，感知延伸代理包涵物联网接入网关、智能控制等部件。一方面感知延伸代理通常作为组合节点容器中节点构件及其组合的代理，能够获知容器中的通信状态，并进行注册、认证，如果需要，可以向网络/ 业务层提供 ；另一方面，物联网在由大量的连接异构的设备构成的一个迅速改变的环境内操作，满足需求驱动的自适应能力的智能体成为必需[6,7]。感知延伸代理结构如图 3 所示。

感知延伸代理作为有决策能力的自主的智能体，能截取来自物联网网络/ 业务层的消息，并向组合节点容器发起会话，也可根据需要选择性的向具体节点构件透传消息，特别应用层的消息，启动执行应用程序所需的功能。因此，感知延伸代理要将节点构件接收到的环境状态信息进行解释和分类，并将其分配到相关的感知延伸代理的部件中，在解析业务请求后，需根据环境发生的变化做出决策，实现节点构件之间的动态协作， 完成来自应用支撑网的网元的业务部署。因此，图 3 给出的感知延伸代理的结构包含了协调控制器、监视传递模块、推理决策模块、感知适配器、和执行适配器等部件，具体体现该智能体在复杂动态的物联网环境中，采取分布式的策略处理机制， 实现感知、决策和执行的功能。

协调控制器的配置接口接收到业务请求时，通过查询监视传递模块和推理决策模块提供的相关信息，来确定是否响应服务的请求。在接受请求的服务过程中，执行适配器将调用相关的节点构件组合。服务结束后，感知适配器将结果返回， 通过协调控制器提供给服务请求者。感知适配器负责对节点组合容器提供相关的管理接口和功能接口。将异构性的各种不同节点构件，进行统一抽象后组装成为各种组件动态注册进行缓存，并创建、删除和更新上传各种组件标识，以及面向容器进行通信地址的解析。使协调控制器可以使用统一的标识符实现对异构资源的读写。执行适配器面对节点组合容器中节点构件，为了解决如何启动它们有效地完成执行功能的问题， 需要提供对容器中有限多个节点构件的选择功能，支持感知适配器和容器之间各种组件的标识的协议适配和转换，并与协调控制器的配置接口接收到的业务请求动态绑定。

2.3 应用支撑网

在开发平台框架的设计中，应用支撑网位于网络 / 业务层。YD/T 2437-2012 规定，该层承担支持和物联网应用之间的交互，支持物联网应用和物联网感知延伸层的交互，以及向物联网应用提供物联网感知延伸层相关状态；该层具有网络的连接能力、支撑信息的双向传递和控制能力，在此基础上，物联网网络/ 业务层要提供网络的互联互通、路由的控制、业务的控制等功能。按规定网络/ 业务层包括两大部件：核心网络（通信网、互联网和行业专网）和物联网应用支撑管理平台，并涵盖参考点In、参考点Ia’和参考点Ia”。在此背景下，应用支撑网将通过该网络的网元和组网结构来体现（图 4）。

应用支撑网的网元上端接口安全接入物联网应用层的覆 盖网络，读取该网络的应用请求并写入支撑网的网元。应用支 撑网的网元下端接口，向感知延伸代理的协调控制器下达业务 请求。把物联网应用取决于它们的操作或部署状态。当然，应 用部署这个观念意味着，在一个“事物”的上下文。如果它的 关联的“事物”被部署，一个应用也就被部署。这自然并不意 味着该应用的实现，因此，部署和实际之间有必要区分[8]。加之， 物联网可以看成是智能物品的互联。在物联网环境下，作为智 能体的感知延伸代理之间，可以通过自组织的模式建立更高 级的协同智能模型 [9]。因此，在覆盖网络上的应用一般抽象 为活动间的业务逻辑组合，采用流程来表达，覆盖网络的网 元可以视为截取流程的部分活动组成的子流程。应用支撑网 的网元都对应的应用层覆盖网络的子流程，即该网元执行的 应用层下达的某个特定任务。应用支撑网的网元由数据处理引 擎、解析器、调度器、路由规则模块、前置路由器和后继路 由器组成。下端接口接受到的感知延伸代理的协调控制器上传 的响应服务请求的相关信息，以及由上端接口下达的与业务请 求有关的子流程的上下文，形成网元的运行环境。

然而，在物联网上下文中，有两个基本属性 ：一个是， 每个数字代理必须有且只有一个识别代表的对象的 ID，数字 代理和物理实体之间的关联必须自动的建立 ；另一个是，环 境变化影响数字代理的变化，在物理世界中的物理实体上得 到体现 [10]。因此，数据处理引擎需要根据网元的运行环境发 生的变化，提供数据源和数据目的地间的映射，向应用层上传 流程配置、解析和执行的相关信息。解析器将子流程的描述 解析为抽象语法，转换为感知延伸代理，以及前置路由器接 收的信息。调度器采用 ECA（事件 - 条件 - 活动）规则审视是 否执行路由规则预定的后继路由。

3 结 语

基于 YD/T 2437-2012 体系结构的应用开发平台由应用支 撑网、感知延伸代理和组合节点容器三个主要成分构成。应用 支撑网涵盖了国家标准中的物联网应用支撑管理平台，方便应 用开发者或用户访问 ；感知延伸代理被设计成智能体（Smart Object），它具有根据模型提出来请求自主向感知延伸层映射， 调用相应的组合节点容器来满足业务需求的功能。组合节点容 器是聚合不同领域的物联网传感节点有限集或传感网络构成的 独立服务组件的抽象，隐藏了它们的异构性，其中每一个组 合节点容器都能提供特定感知和执行的功能，是物联网系统 应用开发所必需的支撑环境，是物联网服务能力的基础设施 的体现，满足不同领域应用开发者差异化的实现对网络资源 的重复利用。此外，本文限于揭示开发平台功能性，非功能方 面的性能还待补充。