物聯網信息服務系統以及在該系統上的信息處理方法
2023-06-04 17:40:26 1
專利名稱：物聯網信息服務系統以及在該系統上的信息處理方法
技術領域：
本發明涉及網際網路技術，特別涉及一種物聯網信息服務系統以及在該系統上的信息處理方法。
背景技術：
隨著計算機網絡與信息技術的飛速發展，人們對信息和信息服務的需求都在不斷提高。物聯網時代正在向我們邁進，特別是在美國歐巴馬政府提出「智慧地球」的概念之後，物聯網更是受到了人們越來越多的關注和重視。物聯網時代的到來被認為是繼計算機和網際網路之後，信息產業的第三次飛躍。物聯網建立最初的目的就是建立一個可以實現全球範圍內的物品信息實時共享的網絡，使得在現有的網際網路架構下實現物品在全球範圍的定位、追蹤和其他信息查詢等目標。說到底，物聯網就是一個龐大的信息共享和信息交換網絡，旨在為人們提供更為豐富和便捷的信息服務。由於物聯網本身的特點，其規模會比現有的網際網路大的多，它將產生的信息量之大也可想而知。因此，在物聯網應用環境下，如何高效、可靠的組織和存儲信息，並為用戶提供便捷的信息服務是一個亟待解決的問題。1999年MIT成立了 Auto-ID中心(Auto-ID Center)，並且提出了產品電子碼 (Electronic Product Code，EPC)的概念，之後與全球七所大學共同組成了Auto-ID Labs。 2003年由 EAN(European Article Number，歐洲商品編碼)和UCC(Uniform Code Council, 統一代碼協會)創建了 EPCglobal來負責管理和推廣EPC工作，希望在全球能夠建立一個龐大的物品信息交換和共享網絡，從而提高產品供應鏈的可視性和可控性。EPCglobal提出了一種EPC網絡，該網絡在實現過程中由於繼承了傳統 DNS (Domain Name System，域名系統)的相關技術，使得它也保留了傳統DNS在性能和安全性等方面的缺陷，如健壯性差、負載不均衡、信息查找過程繁瑣、結構複雜等。因此，如果在物聯網應用環境下採用EPC網絡架構來實現信息的組織、存儲會存在上述的健壯性差、負載不均衡、信息查找過程繁瑣、結構複雜等多種缺陷。
發明內容
本發明的目的是克服現有物聯網服務系統健壯性差、負載不均衡、信息查找過程繁瑣、結構複雜等多種缺陷，從而提供一種健壯性好、信息易於查找的物聯網信息服務系統。為了實現上述目的，本發明提供了一種物聯網信息服務系統，包括標籤、讀取器、 信息預處理與發布節點、信息服務節點；其中，所述標籤內保存有物品或服務的編碼信息；所述讀取器用於讀取所述標籤內的信息，並將所讀取的信息傳輸到所述信息預處理與發布節點；所述信息預處理與發布節點對所接收的信息進行預處理，並將預處理後的信息發布到所述信息服務節點；所述信息服務節點用於存儲信息，並提供對信息的查找與定位；所述信息服務節點有多個，各個信息服務節點之間形成結構化的P2P網絡。
上述技術方案中，所述各個信息服務節點根據標識符值的大小順序形成邏輯環， 每個信息服務節點上保存有與其相對應的標籤或讀取器中的信息。上述技術方案中，所述信息服務節點與所述標籤或讀取器之間的對應關係通過判斷所述信息服務節點的標識符的值以及所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值是否相等或相近得到。上述技術方案中，所述信息服務節點的標識符的值是通過哈希所述信息服務節點的IP位址所得到的一個小於2n的值；所述η的取值使得所述2η大於所述物聯網信息服務系統中的信息服務節點的總數。上述技術方案中，所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值為將所述標籤或讀取器所被賦予的全球唯一編號取模2η後所生成的值。上述技術方案中，所述相近為所述信息服務節點的標識符的值大於且最為接近所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值。上述技術方案中，所述信息服務節點上包括一路由表，所述路由表中包括有與當前信息服務節點的標識距離依次為義二1，. . .21,... 2-1的信息服務節點或其後繼信息服務節點的節點標識符與對應的IP位址和埠號。本發明還提供了一種在所述的物聯網信息服務系統中定位信息服務節點的方法， 包括步驟1)、接收包含有關鍵字K的相應請求；步驟幻、哈希該關鍵字K，得到與關鍵字K對應的關鍵字標識符K』 ；步驟幻、檢驗所述K』與當前節點N的標識符s及其在所述邏輯環上當前節點N的下一個節點N』的標識符S』間的關係，如果s < K』 < S』，則當前節點的下一個節點N』即為要查找的目標節點，查找過程結束；否則，在節點N的路由表中依次查找出小於K』的最大節點標識符P所對應的節點M，將該節點M作為新的當前節點。本發明又提供了一種在所述的物聯網信息服務系統上發布信息的方法，包括步驟1)、讀取器從標籤讀取信息，並將所讀取到的信息傳輸給信息預處理與發布節佔.
I— /、、、 步驟2)、所述信息預處理與發布節點對所接收到的信息進行預處理，並向就近的信息服務節點發送信息發布請求；所述信息發布請求中包含有所述讀取器與所述標籤的全球唯一編號；步驟幻、所述就近的信息服務節點採用所述的定位信息服務節點的方法找到與所述讀取器和所述標籤對應的信息服務節點；步驟4)、所述信息預處理與發布節點將經過預處理後的信息發布到步驟幻所得至_信息服務節點上。本發明還提供了一種在所述的物聯網信息服務系統上查詢信息的方法，包括步驟1)、一信息服務節點接收到對某一讀取器或標籤的信息查詢請求，所述信息查詢請求中包含有所述讀取器或所述標籤的全球唯一編號；步驟2、、該信息服務節點採用所述的定位信息服務節點的方法找到與所述讀取器或所述標籤對應的信息服務節點；步驟3)、步驟2)所得到的信息服務節點將返回所查詢的信息。
本發明的優點在於1、本發明節約了硬體開銷。2、本發明簡化了服務流程，加快了信息查找速度。3、本發明將有關信息通過結構化P2P分開存儲，提高了系統的健壯性，改善了負載均衡。
圖1為在本發明的一個實施例中，物聯網信息服務系統的結構示意圖；圖2為在本發明的一個實施例中，物聯網信息服務系統中的信息服務節點所構建的邏輯環的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明加以說明。在物聯網中，每時每刻都有大量的數據被生成，如何有效地組織、存儲這些數據， 並為用戶提供一個高效的數據信息訪問方式是物聯網信息服務所要解決的核心問題。現有技術中，EPCglobal所提出的EPC網絡主要構成包括五個元素產品電子碼、 標籤與讀取器、EPC中間件、對象名稱解析服務和EPC信息服務。其中，產品電子碼是全球唯一性編碼，用於物品個體的鑑別，類似於物品的身份證號碼；標籤與讀取器負責底層信息的交換，是這個網絡架構的基礎設施；EPC中間件(EPC Middleware)負責數據的收集、過濾與整合；對象名稱解析服務(Object Name Service, 0NS)提供類似於網際網路中DNS的服務，負責找到與EPC碼對應的EPC信息服務資源的地址；EPC信息服務(EPC Information Service, EPCIS)則是網絡中的信息存儲中心。在這一EPC網絡架構上進行信息查找的總體流程為首先，通過用戶節點向ONS所在伺服器發送ONS記錄查詢請求，由ONS將用戶請求中的EPC碼轉換為對應的域名而返回給用戶；然後，用戶節點通過返回的域名來訪問對應企業內部的EPC信息服務來查詢其所需信息。上述兩個過程分別包含了各自複雜的內部流程。因此，整個EPC網絡架構不但結構複雜、硬體開銷大，而且存在查詢效率低、系統穩定性差和存在性能瓶頸等缺點。此外，它也繼承了傳統DSN在性能和安全性方面的其他缺陷。鑑於現有EPC網絡架構應用於物聯網上時所存在的上述不足，本發明提供了一種基於結構化P2P的物聯網信息服務系統，該系統在性能、健壯性和負載均衡等方面較現有的EPC網絡架構都有較明顯的改進。如圖1所示，在本發明的一個實施例中，物聯網信息服務系統包括標籤、讀取器、 信息預處理與發布節點、信息服務節點。下面對這些組成部分的具體功能分別加以說明。標籤，即RFID標籤，內部存儲有對應物品的編碼信息或者與服務相關的特殊編碼信息，如用於定位的RFID標籤內部記錄的是所在地的地理位置編碼信息。按照是否可以寫入新數據，所述標籤可分為只讀標籤和可寫標籤兩種。讀取器，對所述標籤內數據具有讀寫功能的物理設備，主要負責從所讀取的標籤內獲取相應數據，並與自身所攜帶信息(如地址信息等)組合而形成有意義的信息數據。作為一種優選實現方式，在本實施例中，讀取器還具有數據緩存、傳輸和轉發功能，如可以通過讀取器之間所建立的自組織網絡來實現數據的傳輸和轉發，並最終將收集到的數據傳輸至所述信息預處理與發布節點上。信息預處理與發布節點，主要負責兩個功能一是信息的預處理，如信息的過濾、 去重和根據不同應用需求對信息進行初步的規整等；二是將預處理後的信息發布到網際網路中的信息服務節點上。信息服務節點具有多重功能，它不但要負責物聯網中所有數據信息的存儲，同時還要提供信息查找與定位等服務。該節點的功能與EPC網絡架構中對象名稱解析服務和 EPC信息服務兩個部分的功能相對應。這樣的結構設計會大大簡化物聯網信息服務的物理層次結構。信息服務節點通常在伺服器上實現。由於物聯網本身所具有的數據量大、分布範圍廣的特點，因此信息服務節點不太可能由一個伺服器實現。正如圖1所示出的那樣，在網絡中包括有多個信息服務節點，這些信息服務節點各自存儲部分的物聯網中的信息，如何將所要存儲的信息分配到相應的信息服務節點上，使得對這些信息的查找更為方便、快捷、 高效是下文中所要解決的。通過分析物聯網信息服務的需求和應用環境特點，本發明人發現信息服務節點層具有結構相對穩定、對系統效率和性能要求較高，以及信息檢索採用精確的關鍵字查詢等特點。因此，非常適合採用結構化P2P網絡模型作為其組織方式。具體的P2P網絡模型的選取可以是多種多樣的，如現有技術中常用的Chord模型、CAN模型、Tapestry模型、Pastry 及其改進模型均可應用於本發明，在本實施例中採用的是基於Chord模型的方法。為了便於理解，下面首先對Chord模型進行詳細介紹。Chord是一種P2P環境下基於分布式哈希表(Distributed Hash Table,DHT)方法的數據查找算法。所述DHT的基本思想為通過由關鍵字與目標文件地址形成鍵值對〈K， V〉，將該鍵值對作為目標文件的索引，由所有的鍵值對組成整個系統中文件的索引表。而每個關鍵字又與網絡中的特定節點存在映射關係，其對應的文件會被存儲到與之映射的節點上，因此，通過目標文件的關鍵字查詢索引表即可獲取其存儲地址。索引表並不是被存儲在某一個節點上，而是通過某種策略分散到系統中所有節點上，由節點各自維護其幾個鄰居節點的路由表，最終通過節點間的協作來完成整個系統內的路由功能。本實施例中所選用的Chord就是一種特殊的環狀結構DHT系統。在對Chord模型做簡要說明以後，下面對基於Chord模型的信息服務節點的組織方式進行說明。步驟1)、首先，將所述的標籤和讀取器都作為一個獨立的信息個體，並為每個個體賦予一個全球唯一的編號(在IPv6普及後可以直接選用標籤與讀取器的IPv6地址作為此編號)。通過這一操作就可以將對應於標籤與讀取器的個體信息的管理都統一成了對特定編號ID相應信息的管理。在本步驟中將標籤與讀取器都作為信息個體的目的在於，使得本發明中的信息服務節點的組織方式不但適用於類似EPC網絡的以標籤為信息承載體的系統，而且適用於以讀取器為信息承載體的應用系統。在現有的EPC網絡中，僅僅將標籤作為信息承載體，也就是說，僅僅為標籤賦予了一個全球唯一的編號。但在實際應用中，存在需要將讀取器作為信息承載體的場景，例如要查詢某特定倉庫一段時間的進貨信息，如果僅僅將標籤所在的物體作為信息承載體的話，那麼要完成上述簡單的請求也將會耗費大量的資源和時間。步驟2)、計算系統中各個信息服務節點的標識符，然後根據信息服務節點的標識符將各個信息服務節點排列在一個邏輯環上。在本實施例中，各個信息服務節點標識符是通過哈希信息服務節點的IP位址得到的一個小於2n的值，在其他實施例中，也可以採用其他計算方式，如按照一定規則為信息服務節點分配的節點ID也可作為信息服務節點的標識符，只要滿足不同節點標識不同即可。在得到各個信息服務節點的標識符後，按照標識符值以從小到大的順序將所述信息服務節點排列在一個邏輯環上。其中，η的取值應當保證2η大於系統中信息服務節點的總數。 圖2中給出了將信息服務節點按照標識符從小到大的順序排列在一個邏輯環上的一個實例，在該實例中，信息服務節點一共有10個，η的取值為4，在其他實例中，η也可以取5或更大的值，但不能夠取3或更小的值。與現有的EPC網絡架構用戶節點首先要查找ONS所在伺服器，然後由所述ONS得到的信息查找EPC信息服務不同，在本步驟中，將信息服務節點直接作為邏輯環中的節點 (即信息服務節點稱為用戶節點直接的查找對象)，是因為作為信息服務節點的伺服器在網絡中的狀態基本上是非常穩定的，並不會有經常性的上下線操作，因此這樣做不但不會有因經常性的數據遷移帶來的額外開銷，反而會由於精簡了信息查詢的過程而提高系統整體效率，同時又節約了硬體成本。步驟幻、將所述標籤和讀取器的編號ID值作為前述Chord網絡模型中的關鍵字， 計算所述關鍵字的標識符，並由所述標籤和讀取器的相關信息生成鍵值對<K，V〉。在本實施例中，計算關鍵字的標識符是通過哈希關鍵字所代表的編號ID值實現的，具體的說，將關鍵字所代表的編號ID值取模2n，其中的η的大小與步驟幻中所提到的 η的大小相同。在得到關鍵字的標識符以後，將關鍵字標識符作為鍵值對中的K，將與所述關鍵字對應的標籤或讀取器中所包含的信息作為鍵值對中的V，標籤或讀取器中所包含的信息如地理位置信息、商品信息等。步驟4)、將鍵值對存儲到所述邏輯環中節點標識符等於K的節點上或者K 的後繼節點上。在本步驟中，所述的K的後繼節點是指所述邏輯環上緊跟K值的節點，即存在於邏輯環上的標識符值與K最接近且大於K的節點。在某些情況下，之所以要將鍵值對 保存在K的後繼節點上是因為在邏輯環中未必存在節點標識符為K的節點，以圖2為例，在該邏輯環中，節點S5並不存在，因此，如果根據鍵值有需要存儲到S5上的鍵值對時，此時將該鍵值對存儲到節點S6上。為了提高查找的效率，在一個優選實施例中，所述邏輯環中的每個節點還要維護一個容量最大為η的路由表，路由表中維護了與本節點標識距離依次為滬二1，. . .21,... 2-1 的節點或其後繼節點的節點標識符與對應的IP位址和埠號。在圖2的右下角給出了節點S4的路由表信息，有了這一路由表，將會增加信息的查找速度。例如，在圖2所示的實例中，若在節點S4上要查找節點S14上的信息，如果沒有路由表的話，很可能要從節點S4開始，沿著邏輯環一個一個依次比對才能找到S14，但有了路由表後，可以先查找到節點S13， 然後由節點S13迅速找到節點S14。這無疑能提高查找的速度。由於各個標籤和定位器的信息分別存儲到了不同的信息服務節點上，因此無論是要將信息存儲到某一信息服務節點，還是要從某一信息服務節點讀取信息，都涉及到對信息服務節點的定位問題。以一個查詢為例，本發明的物聯網信息服務系統從外界接收到一個關於編碼ID = K的查詢請求，一般來說，這一查詢請求會被與該查詢請求的發起者距離最近的信息服務節點接收到，假設該信息服務節點為N，其節點標識符為S。那麼定位所要查詢信息所在節點的過程如下步驟a、首先對K進行哈希得到其對應的關鍵字標識符K』 ；步驟b、檢驗所述K』與節點N的標識符s及其後繼節點N』的標識符S』的關係步驟b-Ι、如果s<K』彡S』，則當前節點的後繼節點N』即為要查找的目標節點， 查找過程結束；步驟b_2、否則，在節點N的路由表中依次查找出小於K』的最大節點標識符ρ對應的節點M,即M為節點標識符r = max {節點Q存在於N的路由表中且Q的節點標識符為 t|t <K』 }所對應的節點，然後將查詢請求轉給Μ，並轉到步驟b-1。經過重複以上過程，即可最終獲得所需定位的目標信息服務節點，從該節點上查詢出相關信息。如果是要存儲相關信息，也可以通過上述步驟定位節點，然後實現信息的存儲。如果邏輯環中的節點沒有各自維護一個路由表，那麼在查詢信息所在節點時就需要前述的信息服務節點N將查詢信息順序地按照一個方向傳遞，直到找到所要查找的信息服務節點為止。顯而易見，這種查詢方法較具有路由表時所實現的查詢方法更為快捷、方便。以上是對本發明的物聯網信息服務系統的說明。下面對該系統的工作流程進行說明。該系統的工作流程包括原子信息收集、信息的生成與發布以及信息查詢。原子信息收集原子信息是由系統中的讀取器對RFID標籤的讀寫操作產生的，並通過讀取器收集並傳輸至信息預處理與發布節點。信息的生成與發布信息預處理與發布節點通過接收讀取器發送來的原子信息做進一步的過濾、去重和規整操作，形成有意義的且基本符合應用需求格式的信息，並將其發布到相應的信息服務節點上。其具體過程為首先，用戶節點向就近的信息服務節點發送消息發布請求(請求中包含了讀取器與標籤的編碼ID)，信息服務節點接收到請求後，在邏輯環中查詢相應編碼ID的信息存儲地址，並將結果返回給信息預處理與發布節點，最後， 根據返回的地址，信息預處理與發布節點再將其處理後的信息發布到相應的信息服務節點上。信息查詢信息服務節點上存儲信息的查詢，類似於信息發布過程，但不需要請求獲取目標信息服務節點地址的步驟，而是直接獲取所需的信息。即網絡中的某一用戶節點向就近的信息服務節點發送信息查詢請求(包含了讀取器與標籤的編碼ID)，接收到請求後，信息服務節點在邏輯環中通過前文中提到的查詢算法定位信息所在的目標信息服務節點，並將請求轉發給目標信息服務節點，由目標信息服務節點直接將用戶所請求的信息返回給用戶。與現有技術中的EPC網絡相比，本發明的物聯網信息服務系統利用物聯網信息服務的特點，將原來層次式結構的ONS與EPCIS服務部分壓縮成為了一個單層次的、由結構化 P2P方式組織成的物聯網信息服務節點層。這樣做不但節約了硬體開銷，簡化了服務流程，而且由於結構化P2P本身所具有的良好特性，使得系統在查詢與搜索效率、健壯性、負載均衡等方面都會得到相應的改善，此外還消除了 EPC網絡架構中由於EPCIS而帶來的性能瓶頸。 最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種物聯網信息服務系統，其特徵在於，包括標籤、讀取器、信息預處理與發布節點、 信息服務節點；其中，所述標籤內保存有物品或服務的編碼信息；所述讀取器用於讀取所述標籤內的信息， 並將所讀取的信息傳輸到所述信息預處理與發布節點；所述信息預處理與發布節點對所接收的信息進行預處理，並將預處理後的信息發布到所述信息服務節點；所述信息服務節點用於存儲信息，並提供對信息的查找與定位；所述信息服務節點有多個，各個信息服務節點之間形成結構化的P2P網絡。
2.根據權利要去1所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述各個信息服務節點根據標識符值的大小順序形成邏輯環，每個信息服務節點上保存有與其相對應的標籤或讀取器中的信息。
3.根據權利要求2所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述信息服務節點與所述標籤或讀取器之間的對應關係通過判斷所述信息服務節點的標識符的值以及所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值是否相等或相近得到。
4.根據權利要求3所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述信息服務節點的標識符的值是通過哈希所述信息服務節點的IP位址所得到的一個小於2n的值；所述η的取值使得所述2η大於所述物聯網信息服務系統中的信息服務節點的總數。
5.根據權利要求4所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值為將所述標籤或讀取器所被賦予的全球唯一編號取模2η後所生成的值。
6.根據權利要求3所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述相近為所述信息服務節點的標識符的值大於且最為接近所述標籤或讀取器的關鍵字的標識符的值。
7.根據權利要求3所述的物聯網信息服務系統，其特徵在於，所述信息服務節點上包括一路由表，所述路由表中包括有與當前信息服務節點的標識距離依次為2°， 21，. . . 2S . . . 2-1的信息服務節點或其後繼信息服務節點的節點標識符與對應的IP位址和埠號。
8.—種在權利要求7所述的物聯網信息服務系統中定位信息服務節點的方法，包括 步驟1)、接收包含有關鍵字K的相應請求；步驟2、、哈希該關鍵字K，得到與關鍵字K對應的關鍵字標識符K』 ； 步驟幻、檢驗所述K』與當前節點N的標識符s及其在所述邏輯環上當前節點N的下一個節點N』的標識符S』間的關係，如果s < K』 < S』，則當前節點的下一個節點N』即為要查找的目標節點，查找過程結束；否則，在節點N的路由表中依次查找出小於K』的最大節點標識符P所對應的節點Μ，將該節點M作為新的當前節點。
9.一種在權利要求7所述的物聯網信息服務系統上發布信息的方法，包括步驟1)、讀取器從標籤讀取信息，並將所讀取到的信息傳輸給信息預處理與發布節佔.步驟2)、所述信息預處理與發布節點對所接收到的信息進行預處理，並向就近的信息服務節點發送信息發布請求；所述信息發布請求中包含有所述讀取器與所述標籤的全球唯一編號；步驟幻、所述就近的信息服務節點採用權利要求8所述的定位信息服務節點的方法找到與所述讀取器和所述標籤對應的信息服務節點；步驟4)、所述信息預處理與發布節點將經過預處理後的信息發布到步驟3)所得到的信息服務節點上。
10. 一種在權利要求7所述的物聯網信息服務系統上查詢信息的方法，包括 步驟1)、一信息服務節點接收到對某一讀取器或標籤的信息查詢請求，所述信息查詢請求中包含有所述讀取器或所述標籤的全球唯一編號；步驟2、、該信息服務節點採用權利要求8所述的定位信息服務節點的方法找到與所述讀取器或所述標籤對應的信息服務節點；步驟3)、步驟2)所得到的信息服務節點將返回所查詢的信息。
全文摘要
本發明提供一種物聯網信息服務系統，包括標籤、讀取器、信息預處理與發布節點、信息服務節點；其中，標籤內保存有物品或服務的編碼信息；所述讀取器用於讀取所述標籤內的信息，並將所讀取的信息傳輸到所述信息預處理與發布節點；所述信息預處理與發布節點對所接收的信息進行預處理，並將預處理後的信息發布到所述信息服務節點；所述信息服務節點用於存儲信息，並提供對信息的查找與定位；信息服務節點有多個，各個信息服務節點之間形成結構化的P2P網絡。
文檔編號H04L29/08GK102457568SQ20101057582
公開日2012年5月16日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者於海寧, 何力, 周斌, 張建鋒, 方濱興, 李愛平, 樊華, 殷麗華, 譚霜, 賈焰, 韓偉紅 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學, 北京合天智匯信息技術有限公司, 北京哈工大計算機網絡與信息安全技術研究中心