IOT語義互操作性之標準與開源
這個系列文章描述了一個單一的語義數據模型來支持物聯網和建筑、企業和消費者的數據轉換。 這種模型必須簡單可擴展, 以便能夠在各行業領域之間實現插件化和互操作性。 對于一個目前從事智能硬件的老碼農，覺得這些文字具有積極的參考意義。在這第二部分, 嘗試確定了現有的行業標準和開源方法, 以便在應用程序層提供互操作性。
"標準的好處在于你有許多的選擇;
此外, 如果你不喜歡他們中的任何一個,
可以等待明年的模型。" - Andrew Tanenbaum
應對元數據挑戰的社區驅動方法
已經習慣了一系列看似無止境的新協議、倡議和聯盟, 所有這些都是為了開創所有人期待已久的物聯網時代到來。
到目前為止, 可能已經在物聯網設備上建立了一個共同的連接層, 但是有些技術因素對于尋找一個共同的互操作解決方案提出了相當大的挑戰。 在成本、無線電頻譜范圍、數據速率和能源消耗之間進行權衡, 使得很難找到一個一刀切的方案。
許多"物聯網標準"的聯盟都涉及到連接層, 它們正朝著高層發展(在應用層上, 一切都是軟件, 物理定律不適用[6])。 雖然應用層內的設備互操作性尚未成熟, 但在20多年前就通過電子數據交換(EDI)解決了該層內的 B2B 互操作性問題, 盡管不是很***。
現在看到的"物聯網標準"和"業務標準"聯盟正在應用層內互操作性的中心點匯聚。 對于可管理性, 本系列將集中討論9個組織的語義互操作性方法, 它們的共同點是:
- 跨越 OSI 模型的連接和應用層(圖12)
圖12 在 OSI 層內的聯合體互操作性方法
- 處理五個相互關聯的行業的大部分用例: 房屋與建筑、能源、零售、醫療和運輸與物流(圖13)
圖13 行業組織的語義層努力
藍牙
藍牙(Bluetooth.com)是一種無線技術標準, 用于在短距離內交換數據, 由擁有3萬多家會員公司的藍牙技術聯盟(SIG)管理。 在消費者層面, 藍牙設備是高度受限設備之間應用層互操作性最普遍的例子。
當藍牙網絡建立時, 一個設備為主, 而其他所有設備為從。 基本速率 / 增強數據速率版本稱為經典藍牙, 是一個發送穩定且優化的高質量數據流(即音樂)。 新的低能量版本（BLE）即智能藍牙,更適合物聯網和傳感器, 是建立在一個全新的開發框架，使用通用屬性或GATT。
- 配置文件(Profile):對于兩個可互操作的藍牙設備, 它們必須支持相同的配置文件。 藍牙有它自己的應用層配置文件, 目前圍繞著傳統上由經典藍牙(即耳機、揚聲器、鼠標)實現的"配件"角色。 智能藍牙支持GATT的配置文件, 它將角色擴展到個人健康和醫療領域(如血壓、心率傳感器、溫度計、體重秤)。 GATT定義了一種連接藍牙智能設備的分層數據結構。每個配置文件描述一個基于 GATT 功能的用例、角色和一般行為。雖然現在市場上有藍牙智能照明產品, 但是沒有標準化的應用層協議來提供多個供應商的互操作性。 盡管藍牙Mesh已經面世, Thread 和 Zigbee 等等正在爭奪物聯網的同樣用途; 隨之而來的肯定是一系列GATT的Profile, 不僅限于外圍設備, 還包括家庭和建筑使用案例, 如照明, 暖通等等。
- 分配數字——藍牙將標識符分配給與配置(公司、設備)和語義(測量單位、數據類型)相關的對象。
GS1
GS1(GS1.org)是一個全球性組織, 負責開發和維護世界上使用最廣泛的供應鏈標準系統。 使用 GS1標準的150個國家, 每天有超過100萬個用戶公司執行超過60億筆交易。
GS1已經在應用層中開發了幾個標準, 支持可互操作地交換業務關鍵信息, 包括事務、產品和可見性事件數據。 這些標準主要涉及零售、醫療和運輸物流行業的貿易伙伴之間的數據交換。
GS1的"全球商業語言"將物理世界和數字世界聯系起來, 為物聯網奠定了基礎。 通過擴展其標準體系, GS1可以發揮關鍵作用, 加快"事物"的識別速度, 使其相互關聯, 并使其互操作成為行業的全球語言, 包括企業、人和事物。
- EPC 信息服務(EPCIS) , 核心業務詞匯(CBV)——EPCIS是一個 GS1標準, 最初基于 RFID 技術, 使得不同的應用程序能夠創建和分享關于物理或數字物體的"可見度事件數據"。 其主要用途是供應鏈可追蹤性, 使貿易伙伴能夠讓產品在整個供應鏈中流動時分享有關產品的實際流動和狀況的信息。 它有助于回答"什么、在哪里、什么時候、為什么"的問題, 以滿足消費者和監管機構對準確和詳細產品信息的需求。 一個新興的用例就是物聯網。CBV 提供了用于填充 EPCIS 數據方案的核心語義, 以確保可互操作的數據交換, 減少不同企業表達共同意圖的變化。
- 全球產品分類(GPC)和 SmartSearch： Gpc 根據產品的基本屬性和與其他產品的關系對產品進行分類。 從野營設備到鞋類, 家用電器到玩具, 都有 GPC 標準。 SmartSearch是 GS1的外部擴展詞匯表（schema.org）。期望提供更加豐富的在線產品描述, 用于網絡搜索，然而要調和這兩個詞匯之間的差異仍然是一個挑戰。
- 全球數據同步網絡(GDSN)-GDSN 是一個基于互聯網的互操作網絡, 使貿易伙伴能夠根據與貿易伙伴關系有關的數據存儲實現全球登記注冊, 同步符合全球會計準則的產品數據。
- EDI：GS1電子數據交換系統為整個供應鏈上發生的商業交易提供全球標準, 包括訂單、裝運和付款對象。 GS1有三套免費標準: EANCOM, XML 和 UN/CEFACT XML。
- 識別碼-識別碼是 GS1的結構化數據, 代表全球唯一的公司、貿易項目、地點、集裝箱和資產。 它們被應用于 GS1條形碼和EPC/RFID 中, 以及在 EPCIS 事件和 EDI 交易中識別對象。
互聯網工程專責小組(IETF)
IETF (IETF.org)是一個由網絡設計者、運營商、供應商和研究人員組成的全球性社區, 他們關注的是互聯網的平穩運行和架構的進化。 IETF 的RFC包含了關于互聯網的技術和組織說明, 包括協議、程序和概念。
可擴展配置協議(EPP)-EPP (RFC5730-RFC 5734)是一個應用層C/S協議, 用于儲存和管理存儲在共享中央存儲庫中的對象。 通過XML, 協議定義了通用對象管理操作以及將協議操作映射到對象的可擴展框架。 EPP 協議套件目前包含一個因特網域和主機對象類的基本協議規范和語義, 以及與個人和組織相關的"聯系"標識符。 最初開發 EPP 的目的是使那些銷售在線身份服務的互聯網注冊體能夠更有效地獲取中央域名登記數據。 其他對象類的規格可能會隨著需求的確定而發展。
因特網架構委員會(IAB)為 IETF 提供架構監督。 2016年, IAB 組織了一個物聯網語義互操作性(IOTSI)研討會, 以評估當前元數據模型的差距。
Object Management Group (OMG)
OMG (OMG.org)側重于建模和基于模型的標準, 使軟件可以互操作性。 OMG 管理工業互聯網聯盟, 并在國際進口聯合會的連接框架內開發了數據分配服務, 這是一個"核心連接標準"。 OMG 還管理用于建模應用程序、業務流程和數據結構的統一建模語言(UML)。
OMG 的醫療保健領域任務組(Healthcare Domain Task Force)與健康級別7(HL7)協同開發一套醫療保健互操作性標準, 該平臺提供了一個支持遺留接口協議的模型驅動平臺, 同時與當前行業***實踐保持一致。
在2017年, OMG 承擔了美國零售聯合會技術標準的所有權和管理權, 并成立了一個新的藝術零售領域專責小組。 這些標準包括藝術數據模型, UnifiedPOS, POSlog, A2A 信息和 BPM。
- ARTS Operational Data Model (ODM)：ARTS ODM 是一種關系數據模型, 它包含了支持零售業務操作的數百個事務和主數據對象類。
- UnifiedPOS (UPOS)：UPOS 是一個全球采用的互操作性標準, 包括30多個銷售點(POS)周邊設備類(例如, 現金抽屜、收據打印機等)的 uml 定義的數據模型。 這些數據模型可以在 UPOS 控制和服務層中互操作。
開放連接基金會（OCF）
OCF (OpenConnectivity.org)已經成為物聯網設備***的工業連接和互操作性標準組織之一, 擁有超過300家會員公司。 公開聯系財團(OIC)與 AllSeen 聯盟于2016年合并, 成立了 OCF。 在合并之前, OIC組織獲得了發展萬國郵政管理和控制規范 UPnP 論壇的資產。
規范解決了與 Zigbee Dotdot 相同的互操作性層, 包括一個具有 RESTful 交互的通用資源和安全模型。 IoTivity是 OCF 規范的開源參考實現。
- Models：OCF 的 peer-to-peer (P2P) RESTful 架構是基于創建、讀取、更新、刪除、通知(CRUDN)操作, 該操作使用簡單、開放的數據結構(模型)來安全地通信, 這些結構描述了基本資源和由這些資源組成的設備。OneIoTa是一個開放的工具, 用于開發和管理 OCF 和其他組織的模型以及它們之間的映射的開放工具。 雖然 OCF 已經開發了自己的支持家庭和建筑使用案例的設備類模型, 但它正在與醫療保健個人連接健康聯盟(PCHA)和能源專用 EEBus 合作。
Project Haystack
Project Haystack(Project-Haystack.org)是一個開源社區, 旨在解決應用層中智能建筑系統和物聯網設備數據建模的挑戰。 它開發了一個數據建模方法, 標記庫(分類法) , REST 通信協議和參考實現。
haystack 的愿景是通過創建一個標準化的方法來定義"數據語義"和相關服務, 以及 API 來消耗和共享數據及其語義描述符, 從而簡化物聯網數據的使用。
Tags是 Haystack中一個簡單的, 靈活的標簽方法, 可以用于 Excel 電子表格和 CSV 文本文件，以及嵌入式設備中的數據表、 XML 表示、 web 服務等等。
Schema.org
這是搜索引擎運營商在2011年發布的, 目的是為網頁上的結構化數據標記創建和管理一套通用的語義模式。 標記使搜索引擎能夠通過定義的實體、它們的屬性和關系來搜索和聚合網頁內容。
本體論（Ontology）最初是為基于***的常見網絡內容開發的對象類（object classes ）.本體論越來越成為重點。Extension是通過廣泛的社區合作網絡創建的。不同于托管擴展(例如bib.schema.org, auto.schema.org, etc.)，對于產品描述是完全獨立的, 有他們自己的工作流程, 審查流程和基礎設施。
托管擴展的目的是將物聯網和非物聯網語義詞匯合并到一個可持續和可擴展的本體中, 這種本體論迫使物聯網數據結構與使用這些數據的工具、產品和應用程序脫鉤。
公開組（OpenGroup.org）
Open Group (OpenGroup.org)管理企業架構框架的開放集團架構框架(TOGAF), 并為其500多個成員組織提供了論壇, 以促進基于開放標準和全球互操作性的企業集成。
公開組醫療保健論壇致力于推進互操作性, 以交換關鍵的健康和醫療數據。 考慮到移動性、分析性、云計算和物聯網的融合, 開放平臺3.0論壇正在為數字平臺開發一個互操作性標準。
- 開放數據元素框架(O-DEF)：O-DEF 是一個總體語義框架, 可以將特定行業的語義標準作為"插件"。它的"核心索引"包括***對象類、屬性(屬性)和數據類型。 開放集團和其他組織開發的插件可以擴展"核心索引"以支持特定的用例和行業。
- 開放數據框架（O-DF）：O-DF 是一個支持可互操作數據交換的開放組織 IoT 標準。 對象標識符使得可以將可能位于不同信息系統中的單個事件。數據聯系起來。
Zigbee 聯盟
Zigbee (Zigbee.org)長期以來一直與其2.4 GHz IEEE 802.15.4基礎的網絡堆棧相關聯, 現在被稱為"Zigbee PRO"。 Zigbee 規范所定義的技術, 比藍牙或 Wi-Fi 等其他無線個人區域網絡更簡單, 也更便宜。 2013年, 基于6LoWPAN 的"Zigbee IP"被添加到智能電網市場。 還有"Zigbee RF4CE", 它為消費者環境提供無線電頻率控制。 有超過400家會員公司和1300多個認證產品使用其技術。
- Zigbee 集群庫(ZCL)定義和編目了大量設備的互操作，代表了10多年的行業協作工作。 這個目錄提供了一個細粒度的設備屬性分解, 涵蓋廣泛的設備類別(例如暖通空調、照明等)和工業類別(例如房屋及樓宇、零售、醫療、能源等)。
- Dotdot-Zigbee 聯盟最近宣布了一個名為 Dotdot 的新"物聯網通用語言", 將 ZCL 標準規范與連接層分離開來。 Zigbee 的 Dotdot 使 Zigbee 在定義應用層中的對象和動作方面有了一個重要的開端。
從網絡和物理層連接中分離這些應用層定義具有重要意義。 在此之前, 擁有一個"Zigbee 認證產品"意味著它在應用層和 Zigbee 網絡和物理層遵守。 現在, 有可能具有 dotdot 兼容的設備, 這些設備在應用層可兼容, 但物理層不同。
Zigbee 已經開始展示 Dotdot 在不同連接協議棧之間的互操作性(如圖14所示) , 并在2017年的 CES 上***展示了基于Thread的設備。 因此, 可以想象, 消費者可以在應用層上使用Thread設備與 Zigbee 設備進行交互操作, 盡管他們不使用相同的連接技術。 實際上, 要實現這一點, 需要在 tcp / ip 級別上使用某種網關設備來使 Dotdot 適應正在使用的每一個連接層。 這種"tcp / ip 級協議收斂"模式是應用層的一個常見主題。
將應用層互操作性從連接層中分離出來的一個有趣的結果是"logo 混淆" 例如, 一個智能照明產品需要兩個認證: 一個是"Thread認證組件", 另一個是"Dotdot" 。 如果我們期望一個光開關直接與一個燈具交流, 我們將不得不尋找兩個標志匹配。 這種"雙重標志"形勢是否會打擊市場, 還有待觀察。
圖14 聯合體轉向可互換的連接層
【本文來自51CTO專欄作者“老曹”的原創文章，作者微信公眾號：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】
