蜂窩物聯(lián)網終端連接的服務層架構設計

□ 文 龍容 駱正虎 白杰 袁園 劉聰

1 概述

物聯(lián)網市場經歷了快速的發(fā)展，物聯(lián)網垂直應用也不斷涌現(xiàn)。物聯(lián)網終端節(jié)點通常是資源受限設備，因而云平臺對物聯(lián)網系統(tǒng)起著重要作用。云平臺是物聯(lián)網應用的智能引擎，物聯(lián)網終端節(jié)點將利用云平臺的計算能力來智能自動地工作。

物聯(lián)網云平臺為垂直應用提供服務支持功能，這些功能涉及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)訪問、設備管理以及認證等。通過這些常用功能，垂直應用的開發(fā)人員可以專注于特定應用開發(fā)。同時，物聯(lián)網云平臺通常需要了解不同領域，對相關數(shù)據(jù)使用特定領域的專業(yè)知識分析和處理。物聯(lián)網應用程序收集并上傳大量數(shù)據(jù)交給云平臺處理，這些垂直方向的數(shù)據(jù)時常需要共享，需要具有互操作性的中間層和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，也就是物聯(lián)網的服務層。構建開放的標準物聯(lián)網服務層不僅是必要的，對于大規(guī)模部署也至關重要。

本文第2節(jié)對物聯(lián)網服務層進行介紹，并重點闡述了物聯(lián)網系統(tǒng)里服務層各個模塊，介紹模塊間需要的標準接口要求以及統(tǒng)一資源模型要求。本文第3節(jié)實現(xiàn)了一個基于LwM2M協(xié)議的服務層架構，介紹了架構里面各部分的統(tǒng)一接口定義及基于IPSO的統(tǒng)一資源模型。第4節(jié)對全文進行總結。

2 開放的標準物聯(lián)網服務層

2.1.1 為何需要標準化解決方案

物聯(lián)網具有跨領域、跨行業(yè)的長尾特性，分散的設備之間導致數(shù)據(jù)收集/存儲之間的互操作性存在很大的困難。一組通用的服務層、開放接口和標準化架構的API可以減少投資，縮短產品上市時間，快速上線物聯(lián)網業(yè)務。同時，穩(wěn)定的接口和可管理可升級的設備管理服務以及具有標準化架構的開放式物聯(lián)網服務層標準容易橋接各種生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴，例如組件提供商、應用程序開發(fā)商、系統(tǒng)集成商?；ゲ僮餍?、可移植性、可擴展性、敏捷性和靈活性以及所有常見技術特性的元素將嵌入到平臺和終端的服務層中。

物聯(lián)網的標準化框架將解決跨網絡、跨應用的互操作性，解決跨行業(yè)數(shù)據(jù)的互操作性，建立自動化設備管理和服務功能，并同時提供安全保障。

2.1.2 標準化接口和數(shù)據(jù)模型

物聯(lián)網將跨行業(yè)的眾多產品匯集在一起，對于跨越所有業(yè)務的連接管理、安全性和數(shù)據(jù)處理有共性的要求。一套具有通用服務層功能和開放接口以及API的標準化架構，有助于物聯(lián)網提供商減少投資、縮短產品上市時間、降低開發(fā)成本，并促進設備和應用程序的管理。當構建物聯(lián)網云平臺變得簡單易行時，提供商可以在業(yè)務上花費更多時間和精力。

從實際的情況來看，并非所有物聯(lián)網業(yè)務提供商都有能力開發(fā)物聯(lián)網云平臺。它不僅需要硬件設計和嵌入式設備編碼的熟練技能，還需要云服務器和Web UI的可靠支持。對于初創(chuàng)企業(yè)和技術實力薄弱的公司來說，開發(fā)專有的物聯(lián)網云平臺是一項具有挑戰(zhàn)性的項目。開放和標準化的云平臺，以及相配套的標準服務層接口將成為這類物聯(lián)網業(yè)務提供商的可行解決方案。標準的統(tǒng)一接口包括終端和云平臺兩部分。終端需要提供統(tǒng)一的接口給終端應用，包括與云平臺的鑒權數(shù)據(jù)交互等。物聯(lián)網云平臺提供統(tǒng)一的Restful API給應用服務器使用，包括安全認證服務、數(shù)據(jù)訪問服務、數(shù)據(jù)訂閱服務和數(shù)據(jù)過濾服務。

另一個方面，數(shù)十億甚至數(shù)萬億的碎片設備隨著各種異構中間件和應用程序而增長，物聯(lián)網應用程序無法知道如何在沒有標準數(shù)據(jù)模型的情況下驗證映射轉換關聯(lián)和處理信息。通用數(shù)據(jù)模型是語義互操作性的關鍵要素，實現(xiàn)應用程序能夠獲取從其他地方導入獲取并檢索每個數(shù)據(jù)的精確含義。

2.1.3 基于LwM2M的物聯(lián)網通信服務層

LwM2M是用于資源受限設備的應用層協(xié)議。它可以在資源受限的終端設備上運行。在此基礎上，它提供了一個使用IPSO定義的資源模型的框架，將分散的數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型上報給物聯(lián)網平臺。平臺可以根據(jù)IPSO定義的數(shù)據(jù)模型規(guī)范處理和分析數(shù)據(jù)，為收集的數(shù)據(jù)提供增值服務，提高數(shù)據(jù)的價值。

LwM2M作為一種具有RESTful功能的標準化解決方案，由于采用簡單的方式來幫助收集面向對象的數(shù)據(jù)，因此吸引了許多移動運營商的關注，并已由多家運營商部署。LwM2M協(xié)議獨立于底層網絡技術，同時可以基于蜂窩物聯(lián)網協(xié)議優(yōu)化來提高效率并提供與業(yè)務相關的網絡功能。利用該協(xié)議的特性，開發(fā)一個統(tǒng)一的服務層，用于在所有應用程序之間交換和共享數(shù)據(jù)，構建一個可擴展、高效的終端-云平臺整體的服務層解決方案，可為物聯(lián)網開發(fā)人員提供通用功能支持，幫助他們快速開發(fā)物聯(lián)網應用。LwM2M作為物聯(lián)網常用功能的開放標準化服務層解決方案，解決了物聯(lián)網的數(shù)據(jù)碎片問題。

3 蜂窩物聯(lián)網終端服務層設計

3.1.1 架構

服務層是一個端到端的解決方案，需要同時在物聯(lián)網云平臺、物聯(lián)網網絡的中間節(jié)點和終端節(jié)點中實現(xiàn)。本章節(jié)主要描述終端服務層架構，云平臺側則使用了中國移動的物聯(lián)網平臺OneNET。

圖1 中國移動通信服務套件架構

在終端側，服務層主要解決以下幾個問題：

（1）芯片組和模塊的多種選擇導致繁重的工作量和嚴格的輸入標準。

（2）不同類型的通信協(xié)議和語義系統(tǒng)導致孤立的物聯(lián)網系統(tǒng)。

（3）移動網絡運營商和其他解決方案提供商希望使其物聯(lián)網系統(tǒng)能夠在多領域設備互聯(lián)互通的基礎上實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析服務。

中國移動設計了通信服務套件（SDK），作為終端側服務層部署在終端，使物聯(lián)網設備能夠輕松連接到OneNET，配合OneNET完成整體的端到端服務層方案。此SDK為上層應用程序定義了統(tǒng)一的API，為通信模組定義了統(tǒng)一網絡適配器接口以屏蔽底層網絡的差異。自2017年11月起，蜂窩物聯(lián)網設備可以通過通信服務套件輕松訪問OneNET。

如圖1所示，終端側的通信服務套件定義了接口①，②，③，④，⑤：

① 應用程序的API接口；

② 應用程序的AT指令接口；

③ 系統(tǒng)適配API，隱藏不同芯片/模組的差異，包括系統(tǒng)內存操作、系統(tǒng)時間獲取和隨機數(shù)獲取等；

④ 網絡適配API，隱藏網絡的差異，用于物理網絡連接的建立，以及網絡數(shù)據(jù)的傳輸和接收；

⑤ 由OMA LwM2M定義的設備與物聯(lián)網平臺之間的接口。

通信芯片和模組供應商可以據(jù)此架構在設備端向其客戶提供API。利用通信服務套件的統(tǒng)一接口，應用就可以無縫移植到不同的芯片和模組上，幫助開發(fā)人員快速開發(fā)和集成應用程序。

在云平臺方面，簡單易用的物聯(lián)網應用API也是應用程序的必備工具，它將支持物聯(lián)網服務顯示、分析和使用數(shù)據(jù)，如圖所示為接口⑤，⑥：

⑥對AS的Restful API。

設備中的通信服務套件實現(xiàn)為LwM2M客戶端，它封裝了協(xié)議，包括底層的基于UDP的CoAP，中間層的基于CoAP的LwM2M，以及上層的LwM2M中使用的配置文件規(guī)范。

基于通信服務套件架構，應用程序可以位于不同的部分。當應用程序和通信芯片/模組集成在同一應用芯片中時，它使用API接口。在另一種情況下，當應用程序集成在外部的MCU中時，應用程序使用AT命令，通過通信服務套件與云平臺通信。

在物聯(lián)網設備方面，通信服務套件提供的功能屏蔽了底層系統(tǒng)和底層網絡的多樣性，并為應用程序提供了簡單的接口。經驗表明，界面的標準化和IPSO智能對象定義的擴展，對于推動物聯(lián)網設備和應用服務的發(fā)展以及推動物聯(lián)網產業(yè)是必要的。通過標準化使物聯(lián)網行業(yè)使用統(tǒng)一調用接口將簡化應用程序開發(fā)并幫助平臺來運營數(shù)據(jù)。

3.1.2 功能

終端設備的服務層提供兩組功能。第一部分是提供給應用程序的接口，包括API接口、AT命令和設備的profile配置文件；第二部分是終端與物聯(lián)網云平臺之間的接口。

對于第一部分，基于LwM2M協(xié)議，提供的API接口包括了Init、Register、DeRegister、AddObject、Deleteobject、Notify、UpdateRegister和DeInit，用于屏蔽客戶端和云平臺之間進行通信的詳細信息和差異性。具體功能描述如下：

Init：根據(jù)輸入的參數(shù)初始化服務層，如服務器地址、端口、APN名稱、APN密碼等；

Register：向云平臺注冊設備；

DeRegister：向云平臺注銷設備；

AddObject：使用對象信息將對象添加到服務層；

DeleteObject：從服務層刪除對象；

Notify：將數(shù)據(jù)上報給云平臺；

UpdateRegister：將注冊信息更新到平臺，例如生命周期和對象信息；

DeInit：銷毀服務層實例。

與服務層在同一芯片中運行的應用程序可以使用這些接口。

與API相同，AT命令提供Create、Delete、Open、Close、AddObject、DeleteObject、Notify、UpdateRegister和URC的統(tǒng)一命令，這些命令與API具有相同的功能。在外部MCU中運行的與芯片組通信的應用可以使用這些統(tǒng)一AT指令接口。

在設備服務層中，還定義了一些預置對象，“Security”、“Server”、“Control”、“Device”、“Firmware”、“Location”、“Connectivity Monitoring”、“Connection Statistics”，提供設備相關數(shù)據(jù)和操作。

圖2 IPSO數(shù)據(jù)模型

第二部分與LwM2M協(xié)議相同，包括LwM2M Server和LwM2M Client之間的四個接口。它們分別分為引導（Bootstrap）、客戶端注冊、設備管理和服務支持、信息報告。Bootstrap接口用于向LwM2M客戶端提供基本信息，LwM2M客戶端可以使用該命令執(zhí)行“注冊”操作?？蛻舳俗越涌诰哂凶?、更新和取消注冊的功能。LwM2M客戶端使用寄存器在引導過程之后向一個或多個LwM2M服務器注冊。Update命令用于每次注冊以延長生命周期或添加/刪除對象和對象實例。取消注冊用于在注冊的生命周期到期時注銷設備。LwM2M服務器使用設備管理和服務啟用接口通過使用“Read”、“Write”、“Execute”、“Create”、“Delete”、“Discover”和“Write-Attributes”，從已注冊的LwM2M客戶端訪問對象實例和資源。LwM2M服務器使用數(shù)據(jù)上報接口來觀察已注冊的LwM2M客戶端上的資源的更改或取消觀察，并且當滿足“Write-Attributes”操作配置的通知條件時，LwM2M客戶端使用該信息報告接口來通知平臺更新的對象數(shù)據(jù)。

3.1.3 資源模型

LwM2M協(xié)議中采用了IPSO數(shù)據(jù)模型。IPSO智能對象提供通用對象模型，以實現(xiàn)智能對象設備與其他設備和服務上的連接軟件應用程序之間的互操作。該模型使用數(shù)據(jù)對象來表示常見的物聯(lián)網傳感器。每個智能對象都有一個對象ID，它代表物理傳感器執(zhí)行器連接對象或其他數(shù)據(jù)源。構成智能對象的可重用資源表示所連接的物理對象和所包含的嵌入式軟件的靜態(tài)和動態(tài)屬性。利用這種標準數(shù)據(jù)模型，基于LwM2M的物聯(lián)網設備或物和設備能夠通過“共同語言”相互通信。

此資源模型有兩個級別：對象（Object）和資源（Resource）。當設備使用LwM2M協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時，它必須符合那些已注冊的對象定義。LwM2M客戶端提供的每條信息都是資源，資源在邏輯上進一步組織為對象。LwM2M客戶端可以擁有任意數(shù)量的資源，每個資源都屬于一個Object。換句話說，一個Object包含一組Resources。例如，F(xiàn)irmware對象包含用于固件更新目的的所有資源。圖2說明了Resources，Objects和LWM2M Client之間的結構和關系。

4 總結

物聯(lián)網的標準化程度不斷提升，確保了大規(guī)模生態(tài)系統(tǒng)的互操作性，部署基于統(tǒng)一服務層的框架將解決數(shù)據(jù)分散、集成復雜、信息無法共享、擴展性差、運營效率低和開發(fā)成本高等問題。物聯(lián)網服務層通過提供簡單易用的統(tǒng)一接口幫助應用開發(fā)者，構建業(yè)務應用、屏蔽接入網絡細節(jié)、提升平臺對數(shù)據(jù)的可操作性。讓應用開發(fā)者可以聚焦于自己熟悉的業(yè)務領域，降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

LwM2M因其在設備和管理服務器之間的交互操作簡潔，而且對資源的需求較低，能更好的適用于蜂窩物聯(lián)網這種終端設備極端受限的場景?；贚wM2M的服務層架構，既能滿足服務層統(tǒng)一開放的要求，也不會占有設備上過多的資源。

從長遠來看，移動運營商的物聯(lián)網服務產品將受益于物聯(lián)網的互通能力，擁有一個標準化的服務層，實現(xiàn)跨物聯(lián)網平臺和應用程序域的輕松集成，確保異構應用程序和設備之間的無縫交互。其標準化的API，簡單易用且擴展性強，實現(xiàn)了物聯(lián)網應用之間的數(shù)據(jù)共享及跨行業(yè)的大量設備管理，打破了傳統(tǒng)專有平臺方案導致的信息孤島模式，將為物聯(lián)網生態(tài)帶來真正的價值?！?/p>