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資料模型來支援物聯網和建築、企業和消費者的資料轉換。 這種模型必須簡單可擴充套件, 以便能夠在各行業領域之間實現外掛化和互操作性。 對於一個目前從事智慧硬體的老碼農，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, 以便在應用程式層提供互操作性。

"標準的好處在於你有許多的選擇; 
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

應對後設資料挑戰的社群驅動方法

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, 可能已經在物聯網裝置上建立了一個共同的連線層, 但是有些技術因素對於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、無線電頻譜範圍、資料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”的聯盟都涉及到連線層, 它們正朝著高層發展(在應用層上, 一切都是軟體, 物理定律不適用[6])。 雖然應用層內的裝置互操作性尚未成熟, 但在20多年前就通過電子資料交換(EDI)解決了該層內的 B2B 互操作性問題, 儘管不是很完美。

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。 對於可管理性, 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 模型的連線和應用層(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: 房屋與建築、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

藍芽

藍芽(Bluetooth.com)是一種無線技術標準, 用於在短距離內交換資料, 由擁有3萬多家會員公司的藍芽技術聯盟(SIG)管理。 在消費者層面, 藍芽裝置是高度受限裝置之間應用層互操作性最普遍的例子。

當藍芽網路建立時, 一個裝置為主, 而其他所有裝置為從。 基本速率 / 增強資料速率版本稱為經典藍芽, 是一個傳送穩定且優化的高質量資料流(即音樂)。 新的低能量版本（BLE）即智慧藍芽,更適合物聯網和感測器, 是建立在一個全新的開發框架，使用通用屬性或GATT。

• 配置檔案(Profile):對於兩個可互操作的藍芽裝置, 它們必須支援相同的配置檔案。 藍芽有它自己的應用層配置檔案, 目前圍繞著傳統上由經典藍芽(即耳機、揚聲器、滑鼠)實現的”配件”角色。 智慧藍芽支援GATT的配置檔案, 它將角色擴充套件到個人健康和醫療領域(如血壓、心率感測器、溫度計、體重秤)。 GATT定義了一種連線藍芽智慧裝置的分層資料結構。每個配置檔案描述一個基於 GATT 功能的用例、角色和一般行為。雖然現在市場上有藍芽智慧照明產品, 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。 儘管藍芽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, 不僅限於外圍裝置, 還包括家庭和建築使用案例, 如照明, 暖通等等。

• 分配數字——藍芽將識別符號分配給與配置(公司、裝置)和語義(測量單位、資料型別)相關的物件。

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100萬個使用者公司執行超過60億筆交易。

GS1已經在應用層中開發了幾個標準, 支援可互操作地交換業務關鍵資訊, 包括事務、產品和可見性事件資料。 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資料交換。

GS1的”全球商業語言”將物理世界和數字世界聯絡起來, 為物聯網奠定了基礎。 通過擴充套件其標準體系, GS1可以發揮關鍵作用, 加快”事物”的識別速度, 使其相互關聯, 並使其互操作成為行業的全球語言, 包括企業、人和事物。

• EPC 資訊服務(EPCIS) , 核心業務詞彙(CBV)——EPCIS是一個 GS1標準, 最初基於 RFID 技術, 使得不同的應用程式能夠建立和分享關於物理或數字物體的”可見度事件資料”。 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資訊。 它有助於回答”什麼、在哪裡、什麼時候、為什麼”的問題, 以滿足消費者和監管機構對準確和詳細產品資訊的需求。 一個新興的用例就是物聯網。CBV 提供了用於填充 EPCIS 資料方案的核心語義, 以確保可互操作的資料交換, 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係對產品進行分類。 從野營裝置到鞋類, 家用電器到玩具, 都有 GPC 標準。 SmartSearch是 GS1的外部擴充套件詞彙表（schema.org）。期望提供更加豐富的線上產品描述, 用於網路搜尋，然而要調和這兩個詞彙之間的差異仍然是一個挑戰。

• 全球資料同步網路(GDSN)-GDSN 是一個基於網際網路的互操作網路, 使貿易伙伴能夠根據與貿易伙伴關係有關的資料儲存實現全球登記註冊, 同步符合全球會計準則的產品資料。

• EDI：GS1電子資料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、裝運和付款物件。 GS1有三套免費標準: EANCOM, XML 和 UN/CEFACT XML。

• 識別碼-識別碼是 GS1的結構化資料, 代表全球唯一的公司、貿易專案、地點、集裝箱和資產。 它們被應用於 GS1條形碼和EPC/RFID 中, 以及在 EPCIS 事件和 EDI 交易中識別物件。

網際網路工程專責小組(IETF)

IETF (IETF.org)是一個由網路設計者、運營商、供應商和研究人員組成的全球性社群, 他們關注的是網際網路的平穩執行和架構的進化。 IETF 的RFC包含了關於網際網路的技術和組織說明, 包括協議、程式和概念。

可擴充套件配置協議(EPP)-EPP (RFC5730-RFC 5734)是一個應用層C/S協議, 用於儲存和管理儲存在共享中央儲存庫中的物件。 通過XML, 協議定義了通用物件管理操作以及將協議操作對映到物件的可擴充套件框架。 EPP 協議套件目前包含一個因特網域和主機物件類的基本協議規範和語義, 以及與個人和組織相關的”聯絡”識別符號。 最初開發 EPP 的目的是使那些銷售線上身份服務的網際網路註冊體能夠更有效地獲取中央域名登記資料。 其他物件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, 以評估當前後設資料模型的差距。

Object Management Group (OMG)

OMG (OMG.org)側重於建模和基於模型的標準, 使軟體可以互操作性。 OMG 管理工業網際網路聯盟, 並在國際進口聯合會的連線框架內開發了資料分配服務, 這是一個”核心連線標準”。 OMG 還管理用於建模應用程式、業務流程和資料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援遺留介面協議的模型驅動平臺, 同時與當前行業最佳實踐保持一致。

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, 併成立了一個新的藝術零售領域專責小組。 這些標準包括藝術資料模型, UnifiedPOS, POSlog, A2A 資訊和 BPM。

• ARTS Operational Data Model (ODM)：ARTS ODM 是一種關係資料模型, 它包含了支援零售業務操作的數百個事務和主資料物件類。

• UnifiedPOS (UPOS)：UPOS 是一個全球採用的互操作性標準, 包括30多個銷售點(POS)周邊裝置類(例如, 現金抽屜、收據印表機等)的 uml 定義的資料模型。 這些資料模型可以在 UPOS 控制和服務層中互操作。

開放連線基金會（OCF）

OCF (OpenConnectivity.org)已經成為物聯網裝置最大的工業連線和互操作性標準組織之一, 擁有超過300家會員公司。 公開聯絡財團(OIC)與 AllSeen 聯盟於2016年合併, 成立了 OCF。 在合併之前, OIC組織獲得了發展萬國郵政管理和控制規範 UPnP 論壇的資產。

規範解決了與 Zigbee Dotdot 相同的互操作性層, 包括一個具有 RESTful 互動的通用資源和安全模型。 IoTivity是 OCF 規範的開源參考實現。

• Models：OCF 的 peer-to-peer (P2P) RESTful 架構是基於建立、讀取、更新、刪除、通知(CRUDN)操作, 該操作使用簡單、開放的資料結構(模型)來安全地通訊, 這些結構描述了基本資源和由這些資源組成的裝置。OneIoTa是一個開放的工具, 用於開發和管理 OCF 和其他組織的模型以及它們之間的對映的開放工具。 雖然 OCF 已經開發了自己的支援家庭和建築使用案例的裝置類模型, 但它正在與醫療保健個人連線健康聯盟(PCHA)和能源專用 EEBus 合作。

Project Haystack

Project Haystack(Project-Haystack.org)是一個開源社群, 旨在解決應用層中智慧建築系統和物聯網裝置資料建模的挑戰。 它開發了一個資料建模方法, 標記庫(分類法) , REST 通訊協議和參考實現。

haystack 的願景是通過建立一個標準化的方法來定義”資料語義”和相關服務, 以及 API 來消耗和共享資料及其語義描述符, 從而簡化物聯網資料的使用。

Tags是 Haystack中一個簡單的, 靈活的標籤方法, 可以用於 Excel 電子表格和 CSV 文字檔案，以及嵌入式裝置中的資料表、 XML 表示、 web 服務等等。

Schema.org

這是搜尋引擎運營商在2011年釋出的, 目的是為網頁上的結構化資料標記建立和管理一套通用的語義模式。 標記使搜尋引擎能夠通過定義的實體、它們的屬性和關係來搜尋和聚合網頁內容。

本體論（Ontology）最初是為基於頂級的常見網路內容開發的物件類（object classes ）.本體論越來越成為重點。Extension是通過廣泛的社群合作網路建立的。不同於託管擴充套件(例如bib.schema.org, auto.schema.org, etc.)，對於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。

託管擴充套件的目的是將物聯網和非物聯網語義詞彙合併到一個可持續和可擴充套件的本體中, 這種本體論迫使物聯網資料結構與使用這些資料的工具、產品和應用程式脫鉤。

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), 併為其500多個成員組織提供了論壇, 以促進基於開放標準和全球互操作性的企業整合。

公開組醫療保健論壇致力於推進互操作性, 以交換關鍵的健康和醫療資料。 考慮到移動性、分析性、雲端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。

• 開放資料元素框架(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”外掛”。它的”核心索引”包括頂級物件類、屬性(屬性)和資料型別。 開放集團和其他組織開發的外掛可以擴充套件”核心索引”以支援特定的用例和行業。

• 開放資料框架（O-DF）：O-DF 是一個支援可互運算元據交換的開放組織 IoT 標準。 物件識別符號使得可以將可能位於不同資訊系統中的單個事件。資料聯絡起來。

Zigbee 聯盟

Zigbee (Zigbee.org)長期以來一直與其2.4 GHz IEEE 802.15.4基礎的網路堆疊相關聯, 現在被稱為”Zigbee PRO”。 Zigbee 規範所定義的技術, 比藍芽或 Wi-Fi 等其他無線個人區域網路更簡單, 也更便宜。 2013年, 基於6LoWPAN 的”Zigbee IP”被新增到智慧電網市場。 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 叢集庫(ZCL)定義和編目了大量裝置的互操作，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裝置屬性分解, 涵蓋廣泛的裝置類別(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 聯盟最近宣佈了一個名為 Dotdot 的新”物聯網通用語言”, 將 ZCL 標準規範與連線層分離開來。 Zigbee 的 Dotdot 使 Zigbee 在定義應用層中的物件和動作方面有了一個重要的開端。

從網路和物理層連線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 網路和物理層遵守。 現在, 有可能具有 dotdot 相容的裝置, 這些裝置在應用層可相容, 但物理層不同。

Zigbee 已經開始展示 Dotdot 在不同連線協議棧之間的互操作性(如圖14所示) , 並在2017年的 CES 上首次展示了基於Thread的裝置。 因此, 可以想象, 消費者可以在應用層上使用Thread裝置與 Zigbee 裝置進行互動操作, 儘管他們不使用相同的連線技術。 實際上, 要實現這一點, 需要在 tcp / ip 級別上使用某種閘道器裝置來使 Dotdot 適應正在使用的每一個連線層。 這種”tcp / ip 級協議收斂”模式是應用層的一個常見主題[6]。

將應用層互操作性從連線層中分離出來的一個有趣的結果是”logo 混淆” 例如, 一個智慧照明產品需要兩個認證: 一個是”Thread認證元件”, 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誌匹配。 這種”雙重標誌”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線層

References:

6 Ewing, David. “Delving deeper into Dotdot – Zigbee’s new ‘Universal Language for the IoT’”, Embedded.com, April 2016.