私有物联网服务开放架构的研究与实现

发布时间：2020-07-09 11:06

【摘要】：随着物联网领域的迅速发展,智能家居等物联网产品已广泛进入人们的居家生活中,各大厂商也纷纷推出了基于公有云的物联网架构。使用公有云架构的确会为设备的接入与管理带来便利,但仍存在部分问题与隐患:公有云架构会将用户的私人数据保存至公有云上,存在着企业滥用数据的风险;公有云架构依赖于企业运营,一旦企业关停物联网服务,势必会对用户造成不良后果;公有云架构尚不够开放,不能满足所有物联网用户的需求,会对部分物联网应用的开发带来不利影响。为解决上述问题,企业用户可选择投入财力与人力等资源来搭建专属物联网架构,但这对个人用户难以适用,即便部分个人用户拥有开发能力,在开发中也会遇到工程量大,专业性强,产品无法通用的问题。为此,本文设计并提出了一种基于私有环境下的物联网服务开放架构。该服务开放架构针对私有环境设计,主要面向家庭类个人物联网场景。本文在研究过程中首先抽取了当今物联网系统的共性需求,重点探讨了私有架构与公有架构间需求的异同。为实现通用的私有物联网服务开放架构,提出了一个统一开放的设备接口,一个基于RESTFUL的应用接口,一个支持异构数据融合存储的设备存储模型。除此之外,针对于物联网中复杂的实时权限分配问题,提出了一种动态的授权访问控制模型;针对于物联网中的安全问题,提出了一套安全策略;针对于物联网架构在私有环境中的特殊需求,提出了一种保障通信安全的VPN机制及一种基于单节点服务器的流媒体数据传输机制。本文为了对整体架构进行测试验证,设计并实现了一个平台服务程序、两个设备应用程序、及一个应用客户端程序,做到设备-平台-应用间的互联互通,以测试架构中的功能,同时对整个架构进行了性能测试,模拟并记录了高并发场景下设备和应用的访问状况,最终验证通过该私有环境下的物联网服务开放架构的可用性与通用性。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.44;TN929.5
【图文】：

逑一种安全的访问私有网络中的通信方式，且该方式应能同时支持设备和应用的逡逑访问。如图２－３所示，私有架构中提出一种基于ＶＰＮ的通讯模式，供不同网络逡逑的设备、应用安全访问私有网络中的物联网架构。故提出开发一种可支持物联逡逑网设备级的ＶＰＮ客户端，该ＶＰＮ基于：ＩＰＳＥＣ技术，可运行于轻量级设备上，逡逑只需设备支持ＩＰＳＥＣ协议便可以运行该ＶＰＮ客户端程序。该ＶＰＮ客户端有两逡逑种部署模式：①对于支持ＬＷＩＰ协议栈以及ＩＰＳＥＣ的设备，可以直接运行在设逡逑备之上。②对于不支持ＬＷＩＰ协议栈以及ＩＰＳＥＣ的设备，可以单独部署在一台逡逑中继设备之上，该中继设备可以是接入网关，或是路由器，完成整个网段内设逡逑备的ＶＰＮ支持。ＶＰＮ服务器可以直接运行在平台服务器上，或是运行在平台所逡逑在私有网络的边缘路由器等中继设备中。ＶＰＮ客户端和ＶＰＮ服务器之间建立逡逑ＶＰＮ隧道，完成加密通信。本文中主要探讨物联网架构的研宄与实现，设备级逡逑ＶＰＮ的具体设计与实现工作由他人担任。对于通讯协议方面，私有架构原型目逡逑前允许设备通过ＭＱＴＴ协议、应用通过ＨＴＴＰ／ＨＴＴＰＳ协议接入平台。设备使用逡逑的ＭＱＴＴ协议经过优化改造

架构需要一种统一的方式对设备进行资源描述，将各种异构设备抽象为一逡逑种统一的资源对象，以保证设备在架构中的可操作性与可寻址性。通过上文对逡逑本架构中设备的研宄分析，可以将设备资源抽象为如图３－１所示。设备资源可逡逑由设备属性、设备状态、设备输入、设备输出四个角度进行描述。设备应用程逡逑序是指运行在终端设备上的程序，通过此程序设备可完成接入平台、数据监测逡逑等一系列的功能；设备属性是指设备拥有的固有属性，是用来描述设备本身的逡逑不变属性：如设备名称、生产厂家、通讯协议等；设备状态是能代表设备当前逡逑状态的属性，它们与设备功能、运行状况关联紧密，是经常变动的属性，如逡逑ＬＥＤ灯的亮灭、设备的在线状态等，随着外界输入输出的变化，设备状态也会逡逑不断更新；设备输入指设备接收的外界命令，是指代设备的控制类功能，外界逡逑通过对平台发布控制命令来进行设备功能调度执行；设备输出是指设备向外界逡逑输出的数据，不仅包括数据采集类功能获得的环境数据，也包括设备可对外界逡逑输出的自身状态属性。逡逑｜邋sE逦￣￣＇逦ＺＺＺＨＺＩＺＩ￣逦＾逡逑ｆ设备类型＼逦－逦（温度数据）逦（湿度数据）逦ｆ邋＼逡逑ｖ！５＼逦￣￣－ｄ．逦＾邋ｚ＝Ｕ逡逑￣＼邋丨设备■逦Ｉ逦Ｉ逦／逡逑生产厂家ｋ邋＼逦设备输出逦

４．邋１总体架构设计逡逑结合第三章提出的需求分析，本文对私有物联网服务开放架构提出了一个逡逑具体的解决方案，整体架构的概要设计如图４－１所示：逡逑该架构可具体划分为以下几个部分：逡逑设备接口：物联网设备应用程序与架构通信的通道。逡逑应用接口：物联网应用客户端程序与架构通信的通道。逡逑接入适配模块：因为物联网的异构性，设备和应用会使用各种不同的协议逡逑与架构进行通信，接入适配层是一层负责多协议转换的中间层，负责将外界的逡逑请求从不同应用层协议中提取能被上层应用理解的载荷数据，并传递至其他模逡逑块处理，以及将架构内部的响应、推送转换为能被对应设备／应用接受的通信协逡逑议。逡逑安全认证模块：安全认证模块是本架构实现安全策略的一部分，其具体负逡逑责检查入境请求的安全性和合法性，本架构中主要采取ＴＯＫＥＮ认证方式进行逡逑安全认证，对初次入境的请求负责验证合法性与颁发令牌，对携带令牌的请求逡逑进行验证

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