CN103678572B - 一种基于两层dht的物联网信息查询方法及系统 - Google Patents

一种基于两层dht的物联网信息查询方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于两层DHT的物联网信息查询方法及系统，本发明能够提供标识解析服务，方法是：对所有物品构建信息链，在上层域间查询服务仅保存一个重定向信息指向信息链的尾部，而下层各子域的域内查询服务则分别保存每一个信息链节点的详细信息。通过上述的两层DHT结构有助于保证信息记录的内容本地性和追溯查询的路由本地性。同时多源的信息记录和映射记录都可以真正的分布式存储，既不会违背各信息提供者的自治管理权，又降低了查询时延。另外，本发明还公开了两种不同的解析模式，包括一种常规的解析模式和一种本地优先的解析模式。分析表明，前者更适合于定位查询，后者更适合于追踪查询。

Description

一种基于两层DHT的物联网信息查询方法及系统
技术领域
本发明涉及一种物联网中信息追溯查询方法及系统，特别涉及一种基于两层DHT(分布式哈希表)的物联网信息追溯查询方法及系统，属于物联网信息追溯查询领域。
背景技术
随着“物-物”相连的物联网(Internet of Things，IoT)时代来临，越来越多的资源对象被接入网络中成为智能物体。思科公司预测到2020年将有超过500亿智能设备联网。而联通物理世界和计算世界、人类社会，形成人机物三元协同社会的首要前提就是通过唯一标识来定位和追踪智能物体，从而实现有效的管理和控制。其中，定位(track)是对目标对象当前所处位置的查询，例如物流管理的调度者可查询标识为iA的物品已经运动到了什么位置；追踪(trace)则是对历史轨迹的查询，例如消费者可以查询标识为iB的食品从生产、加工、物流到最后销售所经历的路径轨迹。但无论定位还是追踪，衡量资源对象是否具有可追溯性(Traceability)的关键都在于物体经过不同节点时是否能够遗留与其身份标识相关的信息记录。通过查询这样的信息记录就可以确定一个物品的历史、位置以及其它应用情况。具体的标识手段多种多样，例如射频标识技术(Radio-frequencyidentification，RFID)就是这样一种无需直接接触的自动化标识与数据采集技术。
统一将物联网资源对象的身份标识符记作Identifier，标识相关的信息记录(Information Record，IR)将被分散的存储在不同的信息服务器(Information Server，IS)中。可以用来在网络上获取信息记录的地址标识符记作Locator，两者之间的映射关系“Identifier→Locator”称为映射记录(Mapping Record，MR)，存储这一索引信息的服务器称为解析服务器(Resolution Server，RS)。因此，对于追溯服务(Traceability Service，TS)，基本目标就是如何以Identifier为查询入口，借助标识解析服务(Name ResolutionService，NRS)从一个或者多个RS中获取关联的locator，从而查询各相关IS，最终得到该物联网资源完整的信息记录。
目前，物联网中针对信息追溯查询的方法可以分为三类：
1)集中式数据仓库：即维护统一的全局数据仓库，将所有标识的信息记录全部复制到该数据仓库中。这一方法虽然容易实现，但实际可行性很差。由于信息记录的数据体量相当庞大，该方案在存储和查询方面都将面临巨大的负载压力。此外，如果采用该方案，信息记录的原始创造者也将完全失去对数据的隐私性保护。
2)集中式索引机制：不同于集中式数据仓库，该方案仅将映射记录而非全部的信息记录上传到中央服务器。但随着映射记录数据量的急速膨胀，集中式RS仍将面临严重的存储负载和查询压力，成为新的瓶颈。造成了不同商业竞争者之间对RS管理权的争夺，也限制了系统灵活性，需要所有参与者采用统一的注册和查询接口。
3)分布式索引机制：各RS组成合作的协同网络，将映射记录分布到不同的RS进行存储和提供查询。节点间的合作方式可以是基于层次化架构组网，例如类似域名服务系统(Domain Name System，DNS)的树状结构；也可以是基于扁平化架构组网，例如类似分布式哈希表(Distributed Hash Table，DHT)的对等结构。
现有的分布式索引机制仍然存在如下缺点：
1)查询延迟高。
2)不能真正保证信息多源性。
3)可扩展性差。
究其根本原因，在于对追溯服务的本地性(Locality)缺乏重视。
如果基于层次化的网络架构来组织追溯服务。可根据管理域之间的组织关系分级授权，但存在负载不均的缺点，对上层节点压力较大。
如果基于扁平化的网络架构来组织追溯服务。根据采用的扁平化P2P组网技术不同，又可以进一步分为基于无结构P2P网络的追溯服务和基于结构化P2P网络的追溯服务。前者由于缺乏全局的路由信息，往往查询时延过大。虽然可以通过主动添加物品的移动信息<上一节点,下一节点>来维护一个节点间的信息链，避免漫无目的的洪泛查询。但是如何获取这种移动信息是一个难点。后者可通过DHT的方式实现信息的存储和查询。但是一致性哈希算法既没有考虑节点的实际位置，导致P2P覆盖网的逻辑拓扑和底层IP网的物理拓扑不符合，查询时延很大；也没有考虑数据的层次属性，导致P2P覆盖网的逻辑拓扑和管理域的组织关系也不符合，不利于区间查询、多属性查询等复杂查询，更不利于各自治组织设置灵活的管理策略。
发明内容
本发明的目的是在保证系统可用性的前提下，充分考虑追溯服务的本地性问题，减少查询时延，真正保证信息多源性和系统的可扩展性。
本发明的原理是：以Identifier为查询入口，借助标识解析服务NRS从一个或者多个解析服务器RS中获取关联的地址标识符locator，从而查询各相关信息服务器IS，最终得到该物联网资源完整的信息记录。
基于上述考虑，本发明提出一种基于两层DHT的物联网信息查询方法，其步骤为：
1)根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链；在由全局解析服务器GRS组成的上层域保存所述信息链尾部；在由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成的下层各子域分别保存所述信息链的节点的剩余信息；
2)以所述UID作为关键字在所述上层域执行解析查询，返回GRS映射记录；
3)根据所述GRS映射记录找出所述信息链尾部的最新节点的NameID，并根据所述NameID和所述UID的哈希值构建该物品在不同子域中留下的信息记录的身份标识LID；
4)根据所述NameID的at属性在所述信息链尾部最新节点NameID的子域内进行查询，得到关联的LRS映射记录，
5)根据所述LID在所述LRS映射记录中查询出信息。
若是溯查询方法，其步骤包括：
1)根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链；在由全局解析服务器GRS组成的上层域保存所述信息链尾部；在由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成的下层各子域分别保存每一个信息链节点的剩余信息；
2)以所述UID作为关键字在所述上层执行解析查询，返回GRS映射记录；
3)根据所述GRS映射记录找出所述信息链尾部的最新节点NameID，并根据所述NameID和所述UID的哈希值构建LID；
4)在所述信息链尾部最新节点NameID的子域内进行查询，得到关联的LRS映射记录；
5)逆着所述信息链，根据所述LID中from属性得到所有相关LRS节点，得到追溯查询信息。在每一次本地查询，都可以得到from属性，反映物品的上一跳节点的locator位置标识符，从而再将查询转发给该节点。
若是定位查询方法，则其步骤包括：
1)根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链；在由全局解析服务器GRS组成的上层域保存所述信息链尾部；在由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成的下层各子域分别保存每一个信息链节点的剩余信息；
2)以所述UID作为关键字在所述上层执行解析查询，返回GRS映射记录；
3)根据所述GRS映射记录找出所述信息链尾部的最新节点NameID，并根据所述NameID和所述UID的哈希值构建LID；
4)根据NameID的at属性在所述信息链尾部最新节点NameID的子域内进行查询，得到关联的LRS映射记录；
5)根据所述LRS映射记录判断出物品最新的信息记录。
所述映射记录是指“物品的身份标识identifier”到“物品信息的位置标识符locator”之间的映射关系；而信息记录则是指在locator所描述位置存储的该物品相关联的数据记录，比如生产日期，生产地等等。
更进一步，本发明还提出了改进的解析模式：
在上述步骤2)之前先进行本地优先解析，其方法如下：
1)以UID的哈希值和初始查询节点NameID构建LID，然后在上层域进行查询；
2)若查询成功，则获得关联的LRS映射记录；如果是定位查询，则根据to属性正向沿着信息链查询到最新节点；如果是追踪查询，根据from和to属性并发的沿着正反两个方向查询所有相关节点；
3)若查询失败，按照原来的步骤2)—5)进行处理。
更进一步，所述LID的编码包括两部分：一个标识信息节点的NameID和一个标识信息记录的NumericID；所述NameID采用字符串形式，为该节点的域名标识；NumericID采用二进制形式，为UID的哈希值，两者之间由“！”划分。
更进一步，所述信息链是指当物品移动经过多个不同的子域时，通过在每一个子域中为其添加数据结构，记录上一子域中物品来源节点的NameID和下一子域中物品目的节点的NameID，从而将所有保存该物品映射记录的RS节点链接起来以方便追溯查询。
更进一步，GRS中存储映射记录，以UID为索引仅保存物品信息链中最新节点的NameID(作为其at属性)。
更进一步，LRS中存储映射记录，以LID为索引分别保存物品在本域中信息链数据。
更进一步，所述LRS节点的数据结构包括：from属性、to属性、4元组map；from属性和、表明信息链的指向信息，4元组map存储具体的映射记录，其中，l为信息记录的位置标识符，t为映射记录的注册时间，a为信息记录关联的行为，p为物品可能的关联对象。
更进一步，所述注册步骤为：
当物品移动到网络中某一节点的控制范围内，通过数据采集设备捕获到的信息数据首先被存储到本地信息服务器，然后激发该信息服务器向预先配置的默认LRS发送注册报文。通过域内路由机制，注册报文被送给对应的LRS节点，并创建域内映射记录；再由该负责节点向上层域间查询服务注册物品身份标识UID和负责节点NameID的绑定关系。
更进一步，当物品移动到一个新的解析子域后，除了在本域内创建LRS映射记录，还有更新其它关联的映射记录，来维护整个信息链。
优选地，上层查询的DHT路由算法采用Chord算法，下层查询服务采用基于SkipNet算法。
一种基于两层DHT的物联网信息追溯、定位查询系统，包括：上层查询域和下层查询服务域，所述上层查询域由全局解析服务器GRS组成；所述下层查询服务域由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成；在上层查询域中仅保存一重定向信息指向信息链的尾部；在下层查询域中分别保存每一个信息链节点的详细信息；
以及用于根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链的注册模块。在上述硬件搭建好后，还需要安装一定的数据库查询软件，例如BIND系统。
本发明的有益效果：
1)针对一个物品，不仅是多个IS节点都可能有多条信息记录，而且可能在多个NRS节点有映射记录。本发明中设计了一种两层DHT映射系统来提供标识解析服务。对所有物品构建信息链，上层域间查询服务仅保存一个重定向信息指向信息链的尾部，而下层各子域的域内查询服务则分别保存每一个信息链节点的详细信息。有助于保证信息记录的内容本地性和追溯查询的路由本地性。多源的信息记录和映射记录都可以真正的分布式存储，既不会违背各信息提供者的自治管理权，又降低了查询时延。
2)基于该映射系统，设计了两种不同的解析模式，包括一种常规的解析模式和一种本地优先的解析模式。分析表明，前者更适合于定位查询，后者更适合于追踪查询。
附图说明
图1是本发明中网络拓扑架构示意图。
图2是本发明的一实施例中基于SkipNet的域内路由流程示意图。
图3是本发明一实施例中更新流程示意图。
附图实施方式
(1)网络架构
如图1所示，本发明中所提出的信息追溯网络由两类节点组成，包括存储原始信息记录的信息服务器IS和存储映射记录的标识解析服务器RS。而RS又进一步采用两层DHT网络拓扑进行组织，来提供物品身份标识符到其信息记录地址标识符之间的标识解析服务。两层DHT网络拓扑组织结构的特点是：根据功能角色不同，可将RS解析服务器分为上层的全局解析服务器(Global Resolution Server，GRS)和下层的本地解析服务器(LocalResolution Server，LRS)。基于节点间的合作策略(例如地理位置临近或者组织逻辑相关等)，同一公司或者组织的若干LRS节点可以形成子域(domain)。所述子域可根据实际情况生成多个。
(2)命名机制
标识是用来识别资源对象的唯一符号。但现实物理世界中使用的身份标识，例如RFID标签上的唯一编码，并不能直接在网络中用于查找该标签所附着的物品对应的信息记录。标识解析服务正是用来提供身份标识到可以在网络中路由查找信息记录的地址标识之间的映射转换服务。
同时，物联网中资源对象所关联的信息记录还存在信息多源化的特殊性，往往是一对多的映射关系，且会分散的存储在多个不同的位置。例如供应链中，随着物品位置的移动，在生产厂商、物流、经销商等角色所维护的不同信息服务器中都会保存相关的信息记录。而这些信息记录及其映射记录由于维护者不同，实际上不可能聚合在一起。
本发明中直接采用物品的唯一身份标识UID(unique product identifier)来命名物理世界中的资源对象，例如可采用EPC(Electronic Product Code)编码方案的RFID标识。并以此为基础，衍生出该物品在不同子域中所留下的信息记录的身份标识LID(localproduct identifier)。从而经过“UID→LID”，“LID→Locator”的两步映射转换实现标识解析查询。唯一身份标识UID包括但不限于：ucode，mRFID，CPC，NPC，ecode。
具体来说，在本发明中每一个LID的编码包括两部分：一个标识信息节点的NameID和一个标识信息记录的NumericID。NameID采用字符串形式，设计为该节点的域名标识；NumericID采用二进制形式，设计为UID的哈希值。两者之间由“！”划分。
(3)数据结构
①信息链
所谓信息链的概念，就是指随着物品的移动，可能会经过多个不同的子域，通过在每一个子域中为其添加数据结构，记录上一子域中物品来源节点的NameID和下一子域中物品目的节点的NameID，从而将所有保存该物品映射记录的RS节点链接起来以方便追溯查询。
②映射记录
GRS中存储的映射记录，以UID为索引，仅保存物品信息链中最新节点的NameID(作为其at属性)。at属性和from、to属性一样，都是属于地址标示符locator，不同的是，at反映物品最新的子域位置，而from表示上一个子域，而to表示下一个子域。
LRS中存储的映射记录，以LID为索引，分别保存物品在本域中信息链数据。如表1所示，from属性和to属性表明信息链的指向信息，4元组map存储具体的映射记录(其中，l为信息记录的位置标识符，t为映射记录的注册时间，a为信息记录关联的行为，p为物品可能的关联对象)。
表1.LRS节点的数据结构
(4)路由机制
我们对上层查询服务的DHT路由算法不做限定，例如基于Chord算法的DHT路由机制；但为了保证本地性，下层查询服务采用基于SkipNet算法的DHT路由机制。
具体来说，首先利用NameID进行查询，将路由限定到指定的范围内，然后再用NumericID在该区域内进行查询。以图2为例，假设三家公司“a.cnnic.cn”,“b.cnnic.cn”,和“c.cnnic.cn”采用同一解析子域，其中包含了8个LRS节点。每一个节点根据其随机选择的环关系产生唯一的NumericID。例如节点H和节点G有相同的NameID“c.cnnic.cn”，但是节点H的NumericID是110，而节点G的NumericID是011。如果查询UID为“6900123456789”的物品(假设“6900123456789”的哈希值为101)，且从GRS中得知最新的信息节点的NameID是“b.cnnic.cn”，那么要查询的LID就是“b.cnnic.cn！101”，因此解析报文将由A转发给E根据NameID，在根据NumericID转发给F。
(5)服务流程
①注册
当物品移动到网络中某一节点的控制范围内(到达某个域中的一个节点)，通过数据采集设备捕获到的信息数据首先被存储到本地信息服务器，然后激发该信息服务器向预先配置的默认LRS发送注册报文。通过域内路由机制，注册报文被送给对应的LRS节点，并创建域内映射记录。再由该负责节点向上层域间查询服务注册物品身份标识UID和负责节点NameID的绑定关系。
②更新
除了首次注册之外，都存在更新映射记录的需求。即当物品移动到一个新的解析子域后，除了在本域内创建LRS映射记录，还有更新其它关联的映射记录，来维护整个信息链。
以图3为例，假设某物品经过域A时，映射记录存储在LRS1节点中，经过域B时，映射记录存储在LRS2节点中，则当物品移动到域C时，映射记录存储在LRS3节点后，需要如下三个步骤的更新：
1)LRS3通过上层解析服务在负责的GRS0节点处，查询得知该物品的信息链尾部节点为LRS2，则通知GRS0更新为自己，即设置NameID的at属性为“c.C”；
2)GRS0通知前一个节点LRS2物品的移动，则LRS2将该物品关联的映射记录的to属性更新为“c.C”；
3)GRS0通知当前节点LRS3，物品来自节点LRS2，则LRS3将物品关联的映射记录。
③解析
(1)基本解析模式
1)首先以物品唯一身份标识UID为关键字，执行上层的域间解析查询，如果成功，将返回GRS映射记录，其中at属性表明信息链尾部的最新节点NameID。
2)由UID的哈希值和上一步获得的NameID构建LID，然后在信息链尾部最新节点的子域内进行查询，获得关联的LRS映射记录。
如果是定位查询，则直接由该LRS映射记录判断物品最新的信息记录。
如果是追踪查询，则逆着信息链，根据from属性所有相关的LRS节点。
(2)改进解析模式
首先以物品唯一身份标识UID的哈希值和查询节点的NameID构建LID，直接在本域内进行查询。
如果查询成功，基于获得关联的LRS映射记录操作：
如果是定位查询，根据to属性正向沿着信息链查询到最新节点；
如果是追踪查询，根据from和to属性并发的沿着正反两个方向查询所有相关节点。
如果查询失败，转为基本解析模式。

Claims (10)

1.一种基于两层DHT的物联网信息查询方法，其步骤为：
1)根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链；在由全局解析服务器GRS组成的上层域保存所述信息链尾部；在由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成的下层各子域分别保存所述信息链的节点的剩余信息；
2)以所述UID作为关键字在所述上层域执行解析查询，返回GRS映射记录；
3)根据所述GRS映射记录找出所述信息链尾部的最新节点的NameID，并根据所述NameID和所述UID的哈希值构建该物品在不同子域中留下的信息记录的身份标识LID；
4)根据所述NameID的at属性在所述信息链尾部最新节点NameID的子域内进行查询，得到关联的LRS映射记录；
5)根据所述LID在所述LRS映射记录中查询出信息。
2.如权利要求1所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，若是追溯查询，所述步骤5)还包括：
根据所述LRS映射记录逆着所述信息链，根据所述LID中from属性得到所有相关LRS节点，得到追溯查询信息。
3.如权利要求1所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，若是定位查询方法，则经过所述步骤1)—4)后进行如下处理，以替换步骤5)：
根据所述LRS映射记录判断出物品最新的信息记录。
4.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，在所述步骤2)之前先进行本地优先解析，其方法如下：
以UID的哈希值和初始查询节点NameID构建LID，然后在上层域进行查询；
若查询成功，则获得关联的LRS映射记录；如果是定位查询，则根据to属性正向沿着信息链查询到最新节点；如果是追踪查询，根据from和to属性并发的沿着正反两个方向查询所有相关节点；
若查询失败，按照原来的步骤2)—5)进行处理。
5.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，所述LID的编码包括两部分：一个标识信息节点的NameID和一个标识信息记录的NumericID；所述NameID采用字符串形式，为该节点的域名标识；NumericID采用二进制形式，为UID的哈希值，两者之间由“！”划分。
6.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，所述信息链是指当物品移动经过多个不同的子域时，通过在每一个子域中为其添加数据结构，记录上一子域中物品来源节点的NameID和下一子域中物品目的节点的NameID，将所有保存该物品映射记录的RS节点链接起来进行追溯查询。
7.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，
所述GRS中存储映射记录，以UID为索引仅保存物品信息链中最新节点的NameID；
所述LRS中存储映射记录，以LID为索引分别保存物品在本域中信息链数据
所述LRS的节点数据结构包括：from属性、to属性、4元组map(l，t，a，p)；其中所述from属性和to属性表明信息链的指向信息；4元组map存储具体的映射记录，其中，l为信息记录的位置标识符，t为映射记录的注册时间，a为信息记录关联的行为，p为物品可能的关联对象。
8.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，所述注册步骤为：
1)当物品移动到网络中某一节点的控制范围内，通过数据采集设备捕获到的信息数据首先被存储到本地信息服务器，然后激发该信息服务器向预先配置的默认LRS发送注册报文；
2)通过域内路由机制，注册报文被送给对应的LRS节点，并创建域内映射记录；再由该负责节点向上层域间查询服务注册物品身份标识UID和负责节点NameID的绑定关系。
9.如权利要求1-3任意一项所述的基于两层DHT的物联网信息查询方法，其特征在于，所述上层查询的DHT路由算法采用Chord算法，所述下层查询服务采用基于SkipNet算法。
10.一种基于两层DHT的物联网信息追溯、定位查询系统，其特征在于，包括：上层查询服务域和下层查询服务域，在所述上层、下层查询服务域设定不同的路由机制；
所述上层查询域由全局解析服务器GRS组成；所述下层查询服务域由本地解析服务器LRS和信息服务器IS组成；在上层查询域中仅保存一重定向信息指向信息链的尾部；在下层查询域中分别保存每一个信息链节点的详细信息；
以及用于根据唯一身份标识UID对物联网中的所有物品进行注册并建立信息链的注册模块。
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