CN112311866A

CN112311866A - 面向服务的新型物联网体系结构

Info

Publication number: CN112311866A
Application number: CN202011156773.0A
Authority: CN
Inventors: 黄杰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: CN112311866B

Abstract

本发明提供了一种面向服务的新型物联网体系结构。网络的基本数据结构包含7元组，即：应用层数据，源设备符，目的设备符，源服务ID，目的服务ID，源地址符和目的地址符。数据包在网络中通过地址符+服务ID进行路由，实现服务到服务的通信，目的地址符首先将服务请求发送到目的服务ID最近的网络设备，然后网络设备根据目的服务ID将服务请求发送给相应的服务进程。该网络体系结构不仅能够独立构建，而且能够与现有的TCP/IP网络兼容。本发明以服务为对象，实现服务找服务的目标，重新构建路由协议的数据结构，实现了设备、服务和地址的全分离，提高了系统的安全性，设备移动后，其承载的服务的身份和属性不会被误判。

Description

面向服务的新型物联网体系结构

技术领域

本发明属于计算机网络体系结构领域，涉及面向服务的新型物联网体系结构。

背景技术

传统的物联网体系结构是以传统的互联网为承载网络，实现终端设备的数据采集和传输，端到端的通信等功能。传统的物联网体系结构是一种端到端或端到服务器的通信模式，但对于用户而言，他关心的并不是终端设备或网络设备，而是他的服务请求如何响应，至于由谁去响应，对于用户而言并非关心内容。同时，设备身份和地址的绑定造成设备或网络的可移动性差。这些问题都使得现有的物联网体系结构无法满足物联网可扩展、可动态更新、可管理控制、设备可移动和服务可伸缩的需求，同时现有的TCP/IP网络存在IP地址语义过载问题，即：IP地址既代表了网络地址，也代表主机，一旦设备从一个服务区移动到另一个服务区，其IP地址将发生变化。这必然会带来一个矛盾：用于标识设备的IP地址虽然改变了，但其身份和性质没变，而用户无法判别。这会极大限制用户对网络资源的获取。这是因为，用户获取网络资源需要根据其IP地址进行，一旦IP地址发生变化，用户就不能通过原有位置信息获取资源。为了解决这个问题，出现了移动IP技术，但该技术会带来性能上和安全上的问题。

有两种思路解决上述问题：一种就是革命性的，即：既然现有的物联网体系结构不能满足物联网发展的需要，那么就推翻它，建立全新的物联网体系结构；另一种就是兼容性的，即对现有物联网体系结构进行改进和整合。以服务为中心构建物联网体系结构可以兼顾这两种思路。美国明尼苏达大学提出的面向服务的Internet（SOI）结构，在网络层和传输层之间增加了一个服务层，将服务抽象出来，从而实现服务数据在核心网络中传输时仅发送一份数据。但IP地址同样有语义过载问题，同时并没有改变终端找终端的状况。北京交通大学提出的一体化标识技术虽然实现了终端身份与位置的分离，但其接入标识符是主机在网络中的唯一标识，因此本质上还是端到端的通信，其“服务”只是“应用”的代名词，并不能解决物联网的可扩展性和服务可伸缩性的发展要求。

除此之外，NetServ是一种可编程的路由器体系结构，用于动态部署网络服务，其目的是解决当前互联网体系结构几乎不能添加新的应用服务和功能模块的问题。欧盟提出的COMBO架构虽然可以帮助区分边缘网络与核心网络之间在网络服务上的差异性，从而为核心网络服务的分发提供策略依据，但严格来说它不是一种面向服务的网络架构，只是一种代理技术。Cisco设计的以服务为导向的网络架构---SONA，其目的是改进面向网络的服务，将智能应用嵌入网络基础设备中，使网络可以识别不同的应用和服务，而TCP、IP协议被看成是一种服务。但这种方法需要对已经部署在网络中的网络设备进行改造，可行性不高。MobilityFirst项目重点解决的是设备身份因为其移动而发生改变的问题，但与“服务为中心”的思想无关。与之类似的还有HIP协议和LIN6协议等。

综上所述，现有的新型网络体系结构要么无法做到“以服务为中心”，要么无法解决“设备移动性”问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出面向服务的新型物联网体系结构，不仅可以采用面向服务的方式描述物联网的体系结构，解决可扩展、可动态更新、可管理控制和服务可伸缩的要求，而且可以解决IP地址语义过载的问题，实现设备与服务分离、服务与地址的分离。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

面向服务的新型物联网体系结构，包括如下6类网络设备：路由器、网关、映射代理、地址分配代理、设备符分配代理和服务注册代理；

所述路由器采用地址符+服务ID进行路由，实现服务到服务的通信；路由协议采用7元组数据结构构建，数据结构为：应用数据，源设备符，目的设备符，源服务ID，目的服务ID，源地址符和目的地址符；

网关负责新型物联网络与传统网络之间的协议转换；

设备符分配代理负责为接入网络的设备分配唯一识别符；

服务注册代理负责服务接入网络时的注册，当注册成功时，服务注册代理为该服务分配唯一识别符；

地址分配代理负责为注册成功的服务分配全网唯一的地址符，并在服务移动后为其分配新地址；

映射代理负责接收服务的地址变化后的上报信息，更新设备符、服务ID和地址符的映射记录，删除更新前的记录，并定期全网同步。

进一步的，在路由器进行服务寻址时，首先根据目的地址符在网络中路由，一旦到达目的地址符所在的网络设备时，网络设备将根据目的服务ID选择对应的服务进程，将数据包推送过去。

进一步的，当目的地址符为广播地址符时，服务请求将以广播的形式在全网传播，服务请求最先到达的地址提供服务响应，同时向其他能够提供该服务的地址发送禁止响应的命令。

进一步的，所述地址符发生改变的服务移动是基于以下情况发生：终端设备从一个服务区移动到另一个服务区。

进一步的，设备符被分配后，当设备移动、断电或关机时也不会被改变。

进一步的，所述数据结构中目的设备符能够设定为NULL。

进一步的，当目的设备符设定为NULL时，服务一旦到达目的地址符所在的网络设备后，由网络设备按照一定的算法分配提供服务的主机。

进一步的，服务接入网络时的注册为手工进行或自动进行，同一个服务在网络中能够生成多个副本，其服务ID只有一个。

进一步的，面向服务的新型物联网体系结构独立构建，或与TCP/IP网络兼容。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供的面向服务的新型物联网体系结构是以服务为对象，实现服务找服务的目标。本发明重新构建路由协议的数据结构，设计了一个7元数据组，将设备符、地址符与服务ID分开，实现了设备与服务的分离，相同的服务可以分布在不同的设备上，至于哪个设备上的服务响应请求，由系统决定，用户无需关心，从而实现了服务的身份与设备地址分离，设备移动后，其承载的服务的身份和属性不会被误判。同时由于设备、服务和地址的全分离，也提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的面向服务的新型物联网体系结构。

图2为针对新型物联网网络的数据结构。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1为实现本发明方法的网络架构，本发明提供的面向服务的新型物联网体系结构，采用7元组数据结构构建路由协议，具体结构为：应用数据，源设备符，目的设备符，源服务ID，目的服务ID，源地址符和目的地址符。本体系结构采用地址符+服务ID进行路由，实现服务到服务的通信。当终端设备移动后，其承载的服务的位置发生变化，服务对应的地址符将被更新；地址符发生变化后，必须上报给映射代理。映射代理将定期全网数据同步。新型物联网体系结构不仅能够独立构建，而且能够与现有的TCP/IP网络兼容。

面向服务的物联网体系结构既可以单独构建一种全新的物联网网络，也可以架构在现有的互联网上，与TCP/IP网络融合使用。当融合使用时，两种类型的网络之间通过网关连接在一起，网关负责进行协议转换，实现7元组和4层网络结构的互换。本发明所设计的新型物联网体系结构将至少包含6类网络设备：路由器、网关、映射代理、地址分配代理、设备符分配代理和服务注册代理。它们的功能分别为：路由器负责为服务数据或请求进行寻址，其依据是地址符+服务ID；网关负责新型物联网络与传统网络之间的协议转换，是两种类型网络之间的桥梁；映射代理负责：接收服务的地址变化后的上报信息，并定期全网同步；地址分配代理负责为注册成功的服务分配全网唯一的地址符。服务移动后，地址分配代理将为其分配新地址；设备符分配代理负责为接入网络的设备分配唯一识别符。设备符被分配后，即使设备移动、断电或关机也不会被改变；服务注册代理负责服务接入网络时的注册，这种注册既可以手工进行，也可以自动进行，一旦注册成功，服务注册代理将为该服务分配唯一识别符。

面向服务的物联网体系结构中，构建路由协议的数据结构是一个7元组，如图2所示。该数据结构分为4个数据域：应用子层、地址子层、服务子层和设备子层。应用层数据包含用户产生的数据，既可以是服务数据，也可以是服务请求。地址子层包含2个数据段：源地址符和目的地址符。地址符是服务所在的网络地址。服务子层包含2个数据段：源服务ID和目的服务ID。服务ID是服务在网络中的唯一识别符。设备子层包含2个数据段：源设备符和目的设备符。设备符是设备在网络中的唯一识别符。因此，7元组数据结构具结构为：应用数据，源设备符，目的设备符，源服务ID，目的服务ID，源地址符和目的地址符。数据包在网络中通过地址符+服务ID进行路由，实现服务到服务的通信，目的地址符首先将服务请求发送到目的服务ID最近的网络设备，然后网络设备根据目的服务ID将服务请求发送给相应的服务进程。

在网络上传输的数据包一定包含源设备符，但不一定包含目的设备符，即目的设备符可以为NULL。不带目的设备符的数据包一定是服务请求数据包，该请求的服务没有指明具体由哪台设备来提供，服务一旦到达目的地址符所在的网络设备后，由网络设备按照一定的算法分配提供服务的主机。

同一个服务在网络中可以生成不同的副本，但其服务ID只有一个。因此，在网络中，相同的服务可以共用一个服务ID，服务的副本既可以在一个服务区，也可以在不同的服务区，服务ID和设备符组合在一起可以唯一确定服务所在的主机，从而可以区分相同服务的提供者。

地址符是服务所在的网络地址，相同的服务ID，其地址符不同，则它们位于不同的网络位置，与设备符配合使用，可以唯一确定服务ID所在设备的位置。

面向服务的物联网体系结构中，采用地址符+服务ID进行路由，实现服务到服务的通信，如图2所示。应用层产生数据后，依次增加设备子层、服务子层和地址子层的头文件。服务寻址前，在协议头增加目的服务ID，源服务ID和目的地址符、源地址符；在服务寻址时，首先根据目的地址符在网络中路由，一旦到达目的地址符所在的网络设备时，网络设备将根据目的服务ID选择对应的服务进程，将数据包推送过去。对应设备接收到该数据后依次匹配目的服务ID和设备符，通过验证的应用层数据将发送到指定服务。

一旦将广播地址填写在目的地址符中，则必为服务请求数据包，此时目的设备符将失效，服务请求将以广播的形式在全网传播。服务请求由最先到达的设备提供服务响应，同时向其他能够提供该服务的地址发送禁止响应的命令。

终端设备移动后，其承载的服务的位置发生变化，服务对应的地址符将被更新，如图1所示。终端设备在某一服务区内移动时，其服务的位置没有发生改变，服务对应的地址符将不变，此时不需要定期向映射代理提交地址符。由于服务ID没有变化，该服务所具有的性质也不会改变。

一旦终端设备从一个服务区移动到另一个服务区时，该区域的地址分配代理将为新加入设备的相关服务分配地址符，如果一台设备上有多个服务，即存在多个服务ID，其地址符也只会有一个。

地址符发生变化后，必须上报给映射代理。映射代理将定期全网数据同步，如图1所示。服务ID所对应的地址符更新后，其更新记录将主动上报给映射代理，映射代理将重新更新设备符、服务ID和地址符的映射记录，并删除更新前的记录。映射代理需要根据设置的时间定期同步全网的数据，方便服务寻址。

新型物联网体系结构不仅能够独立构建，而且能够与现有的TCP/IP网络兼容，如图1所示。新型物联网体系结构可以取代传统物联网体系结构，实现面向服务的全新网络架构，也可以与TCP/IP网络兼容，一旦数据包要跨网络路由，则需要借助网关实现协议转换。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于，包括如下6类网络设备：路由器、网关、映射代理、地址分配代理、设备符分配代理和服务注册代理；

网关负责新型物联网络与传统网络之间的协议转换；

设备符分配代理负责为接入网络的设备分配唯一识别符；

2.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：在路由器进行服务寻址时，首先根据目的地址符在网络中路由，一旦到达目的地址符所在的网络设备时，网络设备将根据目的服务ID选择对应的服务进程，将数据包推送过去。

3.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：当目的地址符为广播地址符时，服务请求将以广播的形式在全网传播，服务请求最先到达的地址提供服务响应，同时向其他能够提供该服务的地址发送禁止响应的命令。

4.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：所述地址符发生改变的服务移动是基于以下情况发生：终端设备从一个服务区移动到另一个服务区。

5.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：设备符被分配后，当设备移动、断电或关机时也不会被改变。

6.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：所述数据结构中目的设备符能够设定为NULL。

7.根据权利要求6所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：当目的设备符设定为NULL时，服务一旦到达目的地址符所在的网络设备后，由网络设备按照一定的算法分配提供服务的主机。

8.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：服务接入网络时的注册为手工进行或自动进行，同一个服务在网络中能够生成多个副本，其服务ID只有一个。

9.根据权利要求1所述的面向服务的新型物联网体系结构，其特征在于：面向服务的新型物联网体系结构独立构建，或与TCP/IP网络兼容。