物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備管理技術(shù)

引言

近年來，隨著無線局域網(wǎng)通信技術(shù)以及半導(dǎo)體元器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，代表著互聯(lián)網(wǎng)下一步演進(jìn)方向的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步從概念和理論走向了實際的部署和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，在智能家居、智能交通、公用事業(yè)、電子醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、庫存管理等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)預(yù)測，到2020年將有500億臺各種設(shè)備被連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)所有能夠從網(wǎng)絡(luò)連接中獲益的設(shè)備都被連接到互聯(lián)網(wǎng)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和設(shè)備的日益普及，用戶在日常生產(chǎn)和生活中將會面對和使用越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。如何正確配置和管理這些海量設(shè)備將是一個很大的問題，尤其是對于缺乏專業(yè)知識的普通終端用戶而言。因此，需要這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠支持遠(yuǎn)程的配置和管理功能，以便可以建立一個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)來由專業(yè)人員遠(yuǎn)程地配置和管理它們，爭取實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的即插即用，從而減輕普通終端用戶的負(fù)擔(dān)。另外，在很多應(yīng)用場景中由于部署以及成本等多方面限制，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常都具有體積小、價格低廉、無固定電源供電的特點。受這些限制，它們的存儲能力、計算能力、網(wǎng)絡(luò)性能以及電源容量往往十分有限。因此，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中所使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理協(xié)議和方法對于這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說負(fù)荷過重，從性能到能耗等多方面的要求都難以滿足而無法有效使用。這就需要針對能力受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)更高效的管理協(xié)議及方法，相關(guān)研究已經(jīng)吸引了學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注和努力。國際和國內(nèi)的多個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織也已經(jīng)開始了對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理標(biāo)準(zhǔn)的討論與制定。IETF、OMA、IPSO、ESTI、CCSA等組織都起草或者發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理的學(xué)術(shù)研究

學(xué)術(shù)界針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理中的不同問題進(jìn)行了大量的各種研究，包括如何在物聯(lián)網(wǎng)中使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，借鑒現(xiàn)有網(wǎng)管協(xié)議開發(fā)新的適用于物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)管協(xié)議，針對不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理等多個方向。

1.1物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備管理研究

PANDEY等總結(jié)了包括休眠設(shè)備、低功耗松散網(wǎng)絡(luò)、混雜網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)、雙向通信、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、時間敏感數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等多種M2M網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特性和需求，提出了包括故障管理、配置管理、軟件升級、位置管理、QoS與SLA監(jiān)控以及安全管理等通用的M2M網(wǎng)絡(luò)管理需求。計劃后續(xù)開展針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的管理研究，以及如何將設(shè)備管理與業(yè)務(wù)管理相結(jié)合。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署可以通過管理平臺遠(yuǎn)程地進(jìn)行引導(dǎo)啟動和配置，并可提供一種在家庭網(wǎng)絡(luò)的場景中對無線設(shè)備進(jìn)行注冊驗證的方法，通過具有驗證功能的注冊服務(wù)器，保證無線設(shè)備能夠安全接入到選定的家庭網(wǎng)絡(luò)，獲取相應(yīng)的配置信息叫在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被正確配置完成部署之后，它們?nèi)耘f會有bug修復(fù)、功能升級以及其他的維護(hù)需求，需要進(jìn)行固件升級和軟件更新。在很多應(yīng)用場景中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)目是海量的，且部署在非常廣闊的區(qū)域內(nèi)，完全靠人工現(xiàn)場升級是不現(xiàn)實的，這就需要設(shè)備管理支持遠(yuǎn)程的在線更新功能。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)窄帶寬、低能耗的特點，要盡量減少網(wǎng)絡(luò)流量，避免不必要的重復(fù)傳輸，只傳輸需要更新的軟件部分。設(shè)備在進(jìn)行了軟件更新之后往往需要重啟系統(tǒng)，但是系統(tǒng)重啟往往會使設(shè)備丟失之前運行中的所有狀態(tài)信息(如路由表等),為此,CHANGY等為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實體的遠(yuǎn)程管理更新設(shè)計了一種動態(tài)軟件更新模型，以支持在不需要重啟設(shè)備的情況下進(jìn)行軟件的在線升級。該模型將實時應(yīng)用分解為多個可重用的任務(wù)并將它們組織為樹狀結(jié)構(gòu)，通過遍歷這些任務(wù)節(jié)點并調(diào)用相應(yīng)的處理程序來逐個執(zhí)行這些任務(wù)以實現(xiàn)應(yīng)用。由于不同處理程序之間互不相關(guān)，就可以在不干擾其他任務(wù)執(zhí)行的情況下對一個任務(wù)進(jìn)行替換和更新。應(yīng)用場景、故障管理、位置管理、QoS管理等也在不同的應(yīng)用場景中對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的正常工作起著重要作用。ZHANGYan等分析了家庭場景中不同設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的特性后，重點討論了如何在家庭網(wǎng)絡(luò)中有效進(jìn)行QoS管理，設(shè)計了一種采用跨層聯(lián)合管理和速率控制機(jī)制來根據(jù)不同應(yīng)用的QoS需求在資源受限的家庭網(wǎng)絡(luò)中合理地分配資源的方案電

1.2物聯(lián)網(wǎng)中使用現(xiàn)有網(wǎng)管協(xié)議研究

要對物聯(lián)網(wǎng)中的受限設(shè)備進(jìn)行管理，首先能夠想到的就是既有的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理協(xié)議是否能夠直接用于物聯(lián)網(wǎng)及其效果如何。使用既有協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)成熟度高，可以避免額外的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工作，易與原有網(wǎng)管系統(tǒng)和設(shè)備兼容等優(yōu)點。SEHGALA等嘗試在運行Contiki操作系統(tǒng)的Atmel公司的AVRRaven硬件平臺上實現(xiàn)了輕量級的SNMP協(xié)議和NETCONF協(xié)議。比較發(fā)現(xiàn)SNMP協(xié)議比NETCONF具有更高的效率，占用的運算時間和存儲空間都相對較少。這些網(wǎng)管協(xié)議通常使用TLS/DTLS等安全機(jī)制來提供安全保證,這些安全機(jī)制往往需要更大的開銷。另外，由于大報文會帶來在不同協(xié)議層上的分片以及重組開銷，會需要較多的資源,建議更多地使用低負(fù)荷的小報文實現(xiàn)。經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化，部分既有的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理協(xié)議可以用于一些受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型管理協(xié)議研究

除了改進(jìn)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議，一些學(xué)者也開展了新型物聯(lián)網(wǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)的研究和驗證工作。GLIGORICN等人討論了處于3GPPLTE網(wǎng)絡(luò)中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理問題。建議可以使用OMA-DM定義的管理機(jī)制進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理，OMA-DM使用的HTTP和XML對于物聯(lián)網(wǎng)中的受限設(shè)備來說負(fù)荷過重。建議使用輕量級的應(yīng)用層協(xié)議CoAP來替代HTTP，這也是OMAlightweightM2M標(biāo)準(zhǔn)項目當(dāng)前的工作重點。而在各種可以用于替代XML的壓縮報文格式之中，通過比較驗證了EXI相比CoreFormatLink和Protobuf會更有效率且更容易實現(xiàn)。另外，由于受電池容量的限制，為達(dá)到節(jié)能的目的,多數(shù)LTE網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都會有休眠模式，如果要對處于休眠模式的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，首先需要將設(shè)備喚醒，建議可以使用短消息(SMS)來喚醒處于休眠狀態(tài)的設(shè)備。

2標(biāo)準(zhǔn)化工作

許多從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的公司也進(jìn)行了大量的研究工作，并在各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織中致力于物聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化活動。

2.1互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)

作為全球最具權(quán)威的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，IETF有專門的操作與管理域負(fù)責(zé)開發(fā)和制定互聯(lián)網(wǎng)管理的相關(guān)規(guī)范,曾經(jīng)制定了snmp、netconf、yang等用于網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)議和描述語言，在IP網(wǎng)絡(luò)的管理中被廣泛使用。這些協(xié)議和語言定義了如何描述一個被管理的對象，定義了管理架構(gòu)和管理功能接口，以及如何傳輸這些管理信息。IETF仍在進(jìn)行新的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的研究和開發(fā)，以便應(yīng)對層出不窮的新應(yīng)用場景和新需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，IETF陸續(xù)成立了多個工作組進(jìn)行受限環(huán)境下IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，包括研究在低功耗無線個域網(wǎng)(802.15.4)上實現(xiàn)的IPv6協(xié)議棧的6lowpan工作組，研究在資源受限節(jié)點上實現(xiàn)IPv6的6lo工作組，研究家庭網(wǎng)絡(luò)的homenet工作組，研究各種輕量級實現(xiàn)的lwig工作組，研究低功率松散網(wǎng)絡(luò)條件下輕量級路由協(xié)議的roll工作組，研究受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下安全傳輸?shù)膁ice工作組，研究受限IP網(wǎng)絡(luò)中面向資源應(yīng)用協(xié)議的core工作組等。其中，core工作組制定了受限RESTful環(huán)境下的鏈接格式標(biāo)準(zhǔn)(CoRELinkFormatRFC6690),該標(biāo)準(zhǔn)中定義的鏈接格式可用于高效地描述受限物聯(lián)網(wǎng)web服務(wù)器的資源，包括它們的屬性以及鏈接關(guān)系等。特別地，core工作組剛剛完成了一種專門用于受限設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的web傳輸協(xié)議一受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP)—的制定。

CoAP是一種類HTTP的用于REST架構(gòu)的輕量級應(yīng)用層協(xié)議，承載于UDP之上，采用request/response交互模型，支持GET、PUT、POST、DELETE方法。該協(xié)議的設(shè)計充分考慮了低功耗、功能有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求，具有報文頭開銷小，解析復(fù)雜度低，機(jī)制簡單，支持多播等特點。目前與之相配套的相關(guān)協(xié)議族也正在逐步制定中，涉及內(nèi)容包括組通信［13］、接口描述［14］、分塊傳輸［15］、資源觀測［16］等。CoAP及其配套協(xié)議族可以作為應(yīng)用層協(xié)議來傳輸物聯(lián)網(wǎng)中的各種管理消息。另外，IETF中建立了專門的討論受限網(wǎng)絡(luò)中管理問題的非工作組郵件列表COMAN，目前正針對受限設(shè)備的管理需求［17］和備選的管理技術(shù)［18］等熱點問題進(jìn)行熱烈討論，并計劃將來就此課題成立專門的工作組。

2.2開放移動聯(lián)盟(OMA)

由全球主要的移動運營商、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商及信息技術(shù)公司組成的開放移動聯(lián)盟也早已認(rèn)識到對處于多種網(wǎng)絡(luò)中海量的各種輕量級設(shè)備和連接進(jìn)行監(jiān)控，配置和管理都是必不可少的功能，計劃制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)來解決這些問題。目前,已經(jīng)開始了輕量級物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理框架［19］的制定。該協(xié)議將所有的管理項都描述為對象和資源，并且定義了常用的管理接口，可用于快速部署客戶端/服務(wù)器模式的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。OMA當(dāng)前定義了LWM2M服務(wù)器、接入控制、設(shè)備、連接、固件五種對象，每種對象下有各種相關(guān)資源，例如，設(shè)備對象下有制造商、固件版本、重啟、電池電量等多種資源。為提高描述和傳輸這些資源的效率，OMA為這些對象和資源都分配了相應(yīng)的數(shù)字ID,例如設(shè)備對象下的重啟資源可以描述為“/3/8”。管理接口包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)和注冊接口、引導(dǎo)接口、設(shè)備管理及業(yè)務(wù)使能接口和信息報告接口，可以使用CoAP協(xié)議來實現(xiàn)這些接口。通過這些管理接口對管理相關(guān)的對象和資源進(jìn)行操作,即可實現(xiàn)相應(yīng)的管理功能。

2.3IPSO聯(lián)盟

IPSO聯(lián)盟是一個致力于推廣IP協(xié)議族用于智能設(shè)備間通信的全球性非營利組織，致力于為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織提供服務(wù)，促進(jìn)行業(yè)的推廣和發(fā)展。IPSO發(fā)布了其第一個技術(shù)指南［20］，使用IETF標(biāo)準(zhǔn)為基于IP的智能設(shè)備構(gòu)建了一個簡單高效的RESTful的設(shè)計模型。該模型為如何使用HTTP、REST、XML、JSON、COAP等web技術(shù)來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)管理和應(yīng)用描述了一個特定的模板。使用功能集的形式定義了智能設(shè)備可用于向后臺業(yè)務(wù)表示自身資源的REST接口。圖1所示就是IPSO定義的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備功能集，其中Device、Power、LoadControl、Location、Configuration都是管理相關(guān)的功能集。2.4其他標(biāo)準(zhǔn)組織

還有其他一些區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)化組織也在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理方面的研究工作。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)專門設(shè)立了一個新的技術(shù)委員會來制定物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)［21，22］分別定義了與寬帶論壇TR069管理協(xié)議以及OMA設(shè)備管理一致的管理信息模型，另有一些關(guān)于管理架構(gòu)、接口、應(yīng)用場景的標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)的泛在網(wǎng)技術(shù)委員會(TC10)也對部分場景下的管理功能進(jìn)行了研究，如感知節(jié)點的電源管理，嵌入式通用集成電路卡(eUICC)遠(yuǎn)程管理，醫(yī)療無線體域網(wǎng)管理等，但還沒有標(biāo)準(zhǔn)項目針對物聯(lián)網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)、模型以及協(xié)議進(jìn)行研究。

圖1IPSO定義的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備功能集

3結(jié)語

伴隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步成熟以及應(yīng)用的日益普及，對于眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理需求也日益體現(xiàn)。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍具有低計算能力、低存儲、低功耗的特性，如何高效地實現(xiàn)對它們的遠(yuǎn)程管理具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對此問題進(jìn)行了深入的研究，分析了物聯(lián)網(wǎng)特有的管理需求；探討了使用傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，開發(fā)新的專用于物聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議等多種方式來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程管理；并且在LTE網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)絡(luò)等多種應(yīng)用場景中進(jìn)行了實現(xiàn)和驗證。通過比較和討論，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的管理協(xié)議直接用于受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備負(fù)荷過重，難以滿足低負(fù)荷、低功耗的需要。開放移動聯(lián)盟(OMA)參考其原有的設(shè)備管理協(xié)議而定義的輕量級物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中所定義的管理框架和接口更適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。IPSO定義了可供OMA參考的設(shè)備管理資源和模型。通過管理接口對管理資源進(jìn)行相應(yīng)的操作，就可以實現(xiàn)配置管理、故障管理、電源管理等各種管理功能。IETF所制定的應(yīng)用于受限環(huán)境的應(yīng)用層協(xié)議(CoAP)及其相關(guān)協(xié)議可用于實現(xiàn)這些管理接口以及傳輸管理消息。管理相關(guān)資源的描述可以使用IETF制定的LinkFormat數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)信息的高效的表述及傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。

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