پلتفرم پیام رسانی ناهمزمان مبتنی بر مجاورت برای سرویس اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان

خلاصه

اینترنت اشیا (IoT) فرصت های فوق العاده ای را برای ارائه برنامه های کاربردی مبتنی بر مکان باز می کند. با این حال، علی‌رغم اینکه سرویس‌های اطراف کاربر از لحاظ فیزیکی مجاور هستند، پلتفرم‌های رایج اینترنت اشیا از ساختار متمرکزی مانند معماری محاسبات ابری استفاده می‌کنند که مقادیر زیادی داده را به یک سرور مرکزی منتقل می‌کند. این باعث ایجاد مشکلاتی مانند تمرکز ترافیک، تأخیر طولانی سرویس و هزینه ارتباط بالا می شود. در این مقاله، ما یک پلت فرم پیام رسانی ناهمزمان مبتنی بر فاصله فیزیکی را پیشنهاد می کنیم که در پردازش داده های شخصی و پیام های مبتنی بر مکان تخصص دارد. سیستم پیشنهادی با استفاده از یک پروتکل تحویل پیام مبتنی بر مکان، ترافیک را پراکنده می کند و از ثبات بالایی برخوردار است.

کلید واژه ها:

خدمات مبتنی بر مکان ؛ اینترنت اشیا ؛ معماری سیستم توزیع شده

1. معرفی

با توسعه اخیر فناوری های شبکه و سیستم های جاسازی شده، علاقه به اینترنت اشیا (IoT) افزایش یافته است. به عنوان مثال، یک سرویس خانه هوشمند [ 1 ] می تواند لوازم خانگی را با اتصال دستگاه ها به شبکه بررسی و کنترل کند. یک سرویس بهداشتی هوشمند [ 2 ] وضعیت پزشکی شخصی را با اتصال به دستگاه‌های پوشیدنی، تجهیزات تناسب اندام و تجهیزات پزشکی مدیریت می‌کند. نظارت بر دارایی موبایل [ 3 ] نظارت و ردیابی بلادرنگ دارایی های موبایل در یک کارخانه را فراهم می کند.

با این حال، علی‌رغم اینکه دستگاه‌ها از نظر فیزیکی مجاور هستند، پلتفرم‌های رایج اینترنت اشیا، مقادیر زیادی از داده‌ها را که توسط چندین دستگاه تولید می‌شوند، از طریق یک شبکه جهانی به یک سرور مرکزی منتقل می‌کنند. این باعث مشکلاتی مانند تراکم شبکه به دلیل تمرکز ترافیک، مشکلات تاخیر سرویس ناشی از ارتباطات چند جهشی و هزینه ارتباط بالا می شود زیرا دستگاه همیشه از طریق یک شبکه جهانی به یک سرور متمرکز متصل است. علاوه بر این، بسیاری از اشیاء تلفن همراه برای اتصال به یک شبکه به یک پروتکل شبکه پیچیده مانند 6LoWPAN (IPv6 بر روی شبکه های بی سیم کم مصرف بی سیم) یا TCP/IP (پروتکل کنترل انتقال/پروتکل اینترنت) نیاز دارند. اجرای این امر در تلفن های همراه و سیستم های تعبیه شده با محدودیت منابع مانند دستگاه های پوشیدنی دشوار است. از دیدگاه کاربر نهایی،4 ، 5 ] ممکن است.

در این مقاله، برای حل مشکلات فوق، ما یک پلت فرم پیام رسانی ناهمزمان مبتنی بر فاصله فیزیکی بین گره های همسایه را پیشنهاد می کنیم. سرویس‌های اینترنت اشیا که نزدیک به افراد هستند، دارای ویژگی‌های شخصی و محلی هستند، مانند خدمات خانه هوشمند و خدمات بهداشتی هوشمند. بنابراین، ما سرویس اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان (LIoT) را با ترکیب خدمات اینترنت اشیا و اطلاعات مکان تعریف می کنیم. این پلتفرم تخصصی داده های شخصی و پیام های مبتنی بر مکان را پردازش می کند. سیستم پیشنهادی از (1) یک پروکسی ارتباط بی سیم تشکیل شده است که مسئول ارتباط مستقیم بین گره های مختلف موبایل است. (2) یک مرکز پیام رسان IoT موضعی خود سازماندهی (SLIM Hub) که شبکه همپوشانی مستقل را تشکیل می دهد. و (3) یک پلت فرم پیام رسانی ePost-it که قالب مشترکی را برای خدمات ارائه می دهد. سیستم پیشنهادی می‌تواند با ارسال پیام‌ها بر اساس مکان، ترافیک را پراکنده کند، پایداری سیستم را از طریق انتقال پیام ناهمزمان افزایش دهد، و مشکل حریم خصوصی را با استفاده از ذخیره‌سازی شخصی یا موقت به جای ذخیره‌سازی متمرکز غیرضروری حل کند. به خصوص، پلت فرم ما می تواند اساساً با ذخیره داده های خصوصی در ذخیره سازی شخصی یا موقت و ارائه خدمات به کاربر پس از شناسایی مکان کاربر، از نشت اطلاعات شخصی جلوگیری کند.

ساختار باقی مانده این مقاله به شرح زیر است. در بخش 2 ، کارهای مرتبط را معرفی می کنیم. بخش 3 یک نمای کلی از سرویس LIoT و مفهوم سیستم پیشنهادی ارائه می دهد. بخش 4 طراحی دقیق پروکسی ارتباط بی سیم که مسئول ارتباط مستقیم با یک گره موبایل است را توضیح می دهد و بخش 5 طراحی دقیقی از میان افزار ePost-it برای ارائه سرویس LIoT ارائه می دهد. بخش 6 پیاده سازی سیستم پیشنهادی را معرفی می کند و عملکرد آن را ارزیابی می کند. در نهایت، نتیجه گیری در بخش 7 آورده شده است .

2. کارهای مرتبط

برنامه های کاربردی مبتنی بر مکان در دنیای واقعی با هدف شناسایی مکان اهداف در حوزه های خدماتی مختلف، مانند پرسنل پزشکی یا تجهیزات در یک بیمارستان [ 6 ، 7 ]، سیستم مدیریت خانه هوشمند [ 8 ] یا موجودی های ذخیره شده در یک انبار [ 9 ] . تحقیقاتی در مورد دستگاه‌های اینترنت اشیا مانند ماژول حسگر کم‌انرژی بلوتوث (BLE) [ 10 ] و مسائل مصرف انرژی در دستگاه‌های IoT [ 11 ] انجام شده است. EZ [ 12] دروازه ای است که از یک پروتکل ناهمزمان کارآمد در اینترنت اشیا پشتیبانی می کند. EZ ایجاد دروازه‌هایی را با پلتفرم‌های C یا Java بدون نیاز به توسعه‌دهندگان برای داشتن درک اساسی از پروتکل‌های مربوطه یا برنامه‌نویسی شبکه سطح پایین امکان‌پذیر می‌سازد. این تحقیقات به خوبی ویژگی‌های سرویس‌های مبتنی بر مکان (LBS) و IoT را تعریف می‌کنند. با این حال، آنها مشکلات ذکر شده در معماری متمرکز را دارند.

Apple، Inc. سرویس iBeacon [ 13 ] را با استفاده از BLE توسعه داده است. یک گره بیکن که در یک مکان ثابت نصب شده است، یک پیام چراغ با شناسه موقعیت مکانی خود ارسال می کند. سپس، یک گره متحرک این پیام بیکن را اسکن می کند و با مقایسه قدرت سیگنال هر چراغ، مکان را تعیین می کند. iBeacon یک سیستم محلی سازی بدون سرور مرکزی است. با این حال، باید از طریق یک سرور سرویس برای سرویس واقعی عبور کند. NextMe [ 14 ] یک سیستم بومی سازی مبتنی بر تلفن برای ارائه خدمات مبتنی بر مکان در اینترنت اشیا است. از الگوهای تماس تلفن همراه استفاده می‌کند که به شدت با الگوهای هم‌مکانی مرتبط هستند. با این حال، دارای معایبی است، مانند دقت پایین در هنگام ارائه خدمات داخلی.

بسیاری از محققان تلاش کرده اند تا به تمرکز ترافیک در پلتفرم های اینترنت اشیا بپردازند. وانگ و رانجان قابلیت ها و محدودیت های فناوری های کلان داده را در قسمت پنجم «آسمان آبی» مورد بحث قرار دادند [ 15 ]. مفهوم محاسبات مه [ 16] برای پراکنده کردن انبوه ترافیک بر اساس موقعیت مکانی معرفی شد. محاسبات مه می تواند داده های در مقیاس بزرگ را توزیع کند و با ذخیره مقادیر زیادی داده در دستگاه های ترمینال مانند روتر شبکه، به جای سرور مرکزی، زمان پاسخگویی سرویس را بهبود بخشد. با این حال، از آنجایی که محاسبات مه تنها داده ها را با استفاده از مکان شبکه، بدون توجه به موقعیت فیزیکی واقعی، پراکنده می کند، برای سرویس های مبتنی بر مکان مناسب نیست. علاوه بر این، مسائل مربوط به حریم خصوصی همچنان وجود دارد زیرا تمام اطلاعات را در یک پایگاه داده توزیع شده روی روتر ذخیره می کند.

3. مفهوم سیستم پیشنهادی

این بخش یک نمای کلی از سرویس LIoT و مفهوم پلتفرم پیشنهادی ارائه می دهد. ابتدا سناریوی LIoT را تحت یک محیط واقعی معرفی می کنیم و سپس ویژگی های سرویس LIoT پیشنهادی را به صورت جزئی بیان می کنیم. بررسی طراحی و مفهوم پلت فرم پیشنهادی در بخش فرعی بعدی دنبال می شود. در نهایت، برخی از پروتکل‌های پیشنهادی در تحقیقات قبلی خود را برای تحقق پلتفرم پیشنهادی معرفی می‌کنیم.

3.1. مروری بر سرویس اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان

شکل 1نمایشی از سناریوی خدمات اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان در یک محیط بیمارستانی است. یک بیمارستان دارایی های متحرک متعددی مانند ویلچر، مواد شیمیایی، دارو و مواد زائد خطرناک است. مدیر خدمات معمولی IoT مانند (الف) نظارت بر موقعیت و وضعیت تجهیزات را درخواست خواهد کرد. و (ب) بررسی مسیر مواد خطرناک برای تأیید ایمنی آنها (به عنوان خط سبز نشان داده شده است). علاوه بر این، یک پرستار می تواند خدمات مبتنی بر مکان را درخواست کند، مانند (ج) یافتن یا رزرو ویلچر موجود در نزدیکی موقعیت فعلی خود. (د) پخش فقط به موقعیت بیمار که تماس گرفته است به جای پخش به کل بیمارستان. یا (ه) بررسی داروی مناسب از طریق ارتباط مستقیم دستگاه به دستگاه (D2D) مبتنی بر مجاورت با دستگاه پوشیدنی بیمار. در آخر،

سرویس LIoT پیشنهادی از دو نوع دستگاه سخت افزاری تشکیل شده است: یک دستگاه پایانی و یک هاب SLIM. دستگاه پایانی هر دستگاه خدماتی است که بتواند کاربر را شناسایی کند یا خدماتی را ارائه دهد. این دستگاه‌ها به‌عنوان گره‌های متحرک طبقه‌بندی می‌شوند، زیرا می‌توان آنها را جابجا کرد، حتی اگر ممکن است در یک موقعیت ثابت مانند تلویزیون یا چاپگر نصب شده باشند. هاب های SLIM در یک فضای واحد مانند یک اتاق یا راهرو نصب می شوند که نشان دهنده منطقه نصب شده و ارائه یک نقطه دسترسی شبکه به دستگاه های پایانی است. بنابراین، یک دستگاه پایانی می تواند مکان خود را با توجه به نزدیکی یک هاب SLIM تعیین کند. علاوه بر این، SLIM Hub یک دستگاه مدیریتی است که در یک مکان ثابت برای جمع‌آوری اطلاعات مختلف از دستگاه‌های نهایی در منطقه خدماتی نصب شده و خدمات مبتنی بر مکان را بر اساس میان‌افزار پیام‌رسان پیشنهادی ارائه می‌کند.

در این مقاله، ما پلتفرم خدمات LIoT را پیشنهاد کردیم که برای جمع‌آوری و ارائه داده‌های محلی با ترکیب اطلاعات مکان و یک پلت‌فرم پیام‌رسان IoT بهینه شده است. دستگاه‌های سیستم ما خدماتی را از طریق ارتباط مبتنی بر مجاورت بین همسایگان ارائه می‌کنند و اطلاعات شخصی را در حافظه دستگاه شخصی کاربر ذخیره می‌کنند. بنابراین، سیستم پیشنهادی با ذخیره داده‌های شخصی جمع‌آوری‌شده در فضای ذخیره‌سازی توزیع‌شده فرد، نه سرور مرکزی، و انجام جستجوی همسایه مبتنی بر مکان، مسائل فوق‌الذکر را حل می‌کند.

3.2. ویژگی های داده های اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان

داده های سرویس LIoT دارای ویژگی های متفاوتی نسبت به سایر سرویس های موجود است. به طور خلاصه، ویژگی های خدمات مبتنی بر مکان (LBS) و خدمات اینترنت اشیا را دارد. ویژگی های LIoT به شرح زیر است:

محل

بیشتر خدمات اینترنت اشیا دارای ساختار متمرکزی هستند، به عنوان مثال، معماری محاسبات ابری. با این حال، سرویس‌های LIoT دارای ویژگی‌های مبتنی بر مکان هستند، مانند جمع‌آوری داده‌ها از ناحیه مورد نیاز و تطبیق خدمات بر اساس مکان فعلی. بنابراین، ترکیب اطلاعات مکان و مسیر سرویس-پیام مهم است.
سرویس زمان واقعی

در یک سرویس کاربر محور، زمان پاسخ بخشی مهمی از کیفیت خدمات است [ 16 ]. به ویژه، اگر سرویس در نزدیکی کاربر رخ دهد، زمان پاسخگویی باید به چند ثانیه محدود شود تا از ایجاد مزاحمت برای کاربر جلوگیری شود. با این حال، در ساختارهای متمرکز موجود، زمان تاخیر سرویس به دلیل تاخیر اجتناب ناپذیر ارتباطی هنگام اتصال با سرور افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل هنگام استفاده از یک زیرساخت توزیع شده، لازم است فاصله ارتباطی بین عناصر سرویس تا حد امکان کوتاه شود.
به اشتراک گذاری داده ها و حفظ حریم خصوصی

سرویس LIoT روش‌های مختلفی برای اتصال سرویس بین دستگاه‌ها دارد: اتصالات 1:1 برای پیام‌های متنی، 1:N برای پیام‌رسانی اعلان و N:1 برای نظارت بر یک منطقه. از این رو، پلت فرم خدمات از یک روش اتصال انعطاف پذیر برای به اشتراک گذاری داده ها پشتیبانی می کند. با این حال، معماری متداول ذخیره سازی متمرکز و پیام رسانی امکان نشت اطلاعات شخصی را دارد. برای جلوگیری از چنین اتفاقی، به یک معماری توزیع شده مجهز به یک ذخیره سازی شخصی و یک سیستم پیام رسانی مبتنی بر مکان نیاز دارد.
ناهمزمانی

LIoT دارای مراحلی مانند جمع آوری، پردازش و تحویل داده است. در این فرآیند، اتصال هر دستگاه ناهمزمان است. از آنجایی که دستگاه های تلفن همراه نیز در این سرویس شرکت می کنند، سرویس LIoT به قابلیت انتقال ناهمزمان برای بهبود قابلیت اطمینان ارتباطات نیاز دارد.
ناهمگونی

هر دستگاه خدماتی دارای تغییرات زیادی است، به عنوان مثال، نوع حسگرهای مورد استفاده برای جمع آوری داده، روش ارتباطی که باید به پلت فرم خدمات تحویل داده شود، و قالب داده هایی که باید توزیع شوند. مرحله نهایی خدمات اینترنت اشیا نیاز به ارائه خدمات از طریق تعمیم داده های به دست آمده از دستگاه های متفاوت دارد.
اندازه پیام کوچک، حجم داده عظیم [ 17 ]

داده های تولید شده توسط دستگاه ها، به عنوان مثال، مقادیر حسگر و وضعیت، کوچک هستند. با این حال، از آنجایی که دستگاه های متعددی در این سرویس شرکت می کنند، حجم کل داده ها بسیار زیاد می شود. برای مدیریت موثر این داده ها، LIoT باید ساختار ارتباطی مناسب برای تعداد زیادی پیام کوچک داشته باشد.

3.3. ملاحظات طراحی

برای ارائه سرویسی که با ویژگی‌های داده‌های LIoT در بخش 3.2 مطابقت داشته باشد ، الزامات زیر را سازماندهی کردیم و یک پلت‌فرم پیام‌رسانی ناهمزمان مبتنی بر مکان را پیشنهاد کردیم.

پلتفرم پیام گرا

برای انتقال ناهمزمان تعداد زیادی از پیام های داده کوچک، میان افزار پیام گرا (MOM) یک پلت فرم پیام رسانی مناسب است، زیرا برای انتقال سریع تعداد زیادی از پیام ها طراحی شده است [ 17 ]. ساختار انتشار/اشتراک MOM دارای یک ویژگی تخصصی برای به اشتراک گذاری داده بین دستگاه ها است. علاوه بر این، MOM با برقراری ارتباط ناهمزمان، یک جفت ضعیف بین گره‌های موبایل و برنامه‌های خدماتی ایجاد می‌کند و در نتیجه وابستگی ارتباطی را حذف می‌کند. بنابراین، می توان ارتباط بسیار قابل اعتمادی را در یک محیط ناپایدار انجام داد، حتی اگر تراکم ترافیک رخ دهد.
سیستم بومی سازی

یک سیستم محلی سازی برای جمع آوری داده ها با ویژگی های منطقه ای و ارائه خدمات مبتنی بر مکان مورد نیاز است. یک سیستم محلی سازی موقعیت گره سیار را تشخیص می دهد و مکان را برای ارائه خدمات مبتنی بر مکان ثبت می کند. علاوه بر این، به جای معماری متمرکز، یک معماری انتقال پیام مبتنی بر مکان دارد.
دروازه پروتکل

دروازه برای برقراری ارتباط با گره های موبایلی که انواع پروتکل های مختلفی دارند ضروری است. دروازه پروتکل با انتزاع پروتکل های ارتباطی مختلف، شفافیت اتصال را برای یک گره موبایل با استفاده از هر پروتکلی فراهم می کند.
ارزیابی عملکرد در بدترین حالت

همانطور که در بالا توضیح داده شد، یک سوال مهم در خدمات LIoT این است که “چه مدت طول می کشد تا پاسخ دهید؟” زمان پاسخگویی سرویس با «پلتفرم خدمات به طور همزمان چقدر ترافیک را می تواند مدیریت کند؟» مرتبط است. بنابراین، در محیطی با تعداد زیادی پیام، محیط باید ارزیابی کند که آیا می‌تواند بدون کنترل سرویس به کاربر پاسخ دهد یا خیر.

3.4. مفهوم بستر پیام رسانی ناهمزمان

شکل 2 ساختار پیام رسانی ناهمزمان سیستم پیشنهادی را نشان می دهد. پلتفرم پیشنهادی از دستگاه های تلفن همراه، دروازه پروتکل و میان افزار پلت فرم نرم افزاری خودسازماندهی (SoSp) تشکیل شده است. دستگاه های تلفن همراه با استفاده از پروتکل های مختلف به میان افزار SoSp متصل می شوند. یک دستگاه تلفن همراه با استفاده از TCP/IP به طور مستقیم به میان افزار پیام رسانی متصل می شود و سایر دستگاه های پروتکل می توانند از طریق دروازه پروتکل با میان افزار پیام رسانی ارتباط برقرار کنند. تنها با افزودن یک درایور پروتکل به دروازه پروتکل، پلت فرم پیشنهادی می تواند از هر پروتکل ارتباطی برای دستگاه های تلفن همراه پشتیبانی کند. SLIM Hub شامل دروازه پروتکل، حافظه محلی، و میان افزار پیام رسانی است.

جریان پیام از دو مرحله ارتباطی زیر تشکیل شده است.

مرحله 1: گره های موبایل ↔ دروازه پروتکل

ابتدا یک پیام تولید شده توسط یک گره متحرک از طریق ارتباط مستقیم بی سیم به دروازه پروتکل منتقل می شود و در بافر ارتباط مستقیم داخل دروازه ذخیره می شود. در این فرآیند، پروتکل های ارتباطی مختلف توسط دروازه پروتکل انتزاع می شوند، به طوری که تحویل پیام به آن سپرده می شود. به عنوان مثال، برای یک ارتباط کم انرژی بلوتوث، که معمولاً روی یک دستگاه تلفن همراه نصب می شود و دارای حداکثر اندازه واحد انتقال (MTU) کوتاه در حدود 20 بایت است، می توانیم با انتزاع ارتباط، خدمات پیشرفته ای را بدون محدودیت MTU ارائه دهیم. ما نام آن را «پراکسی ارتباط بی‌سیم» گذاشتیم.
مرحله 2: میان افزار پیام گرا ↔ میان افزار پیام رسان SoSp

پس از آن، پیام به SLIM Hub (SH) منتقل می شود و در حافظه محلی داخل SH ذخیره می شود. پیام ذخیره شده از طریق یک مسیر از پیش تعیین شده به حافظه شخصی تحویل داده می شود، یا در حافظه موقت ذخیره می شود تا زمانی که SH با استفاده از پروتکل جستجوی همسایه مبتنی بر مکان، مقصد را پیدا کند.

3.5. تحقیقات قبلی برای پلتفرم پیشنهادی

در تحقیقات قبلی پروتکل هایی برای پشتیبانی از خدمات مبتنی بر مکان توزیع شده پیشنهاد شده است. با افزودن مفاهیم بخش 3.4 ، بر اساس پروتکل های محلی سازی و کشف، ما یک پلت فرم پیام رسانی ناهمزمان مبتنی بر مجاورت طراحی کردیم.

مبادله شناسه مکان و تحویل پیام ناهمزمان (LIDx & AMD) [ 18 ، 19 ] می تواند محلی سازی در زمان واقعی را برای گره های متحرک متعدد در یک محیط داخلی پیچیده و پویا، مانند بیمارستان، انبار، یا موزه فراهم کند. هر گره ثابتی که در یک فضای واحد نصب شده است، مانند یک اتاق، به صورت دوره ای یک پیام فانوس دریایی با شناسه مکان خود ارسال می کند. یک گره متحرک می تواند مکان خود را با انتخاب نزدیکترین گره ثابت تعیین کند که این کار با مقایسه قدرت سیگنال پیام های بیکن انجام می شود. این پروتکل محلی سازی از یک ارتباط دو طرفه ساده بین گره ثابت و گره متحرک استفاده می کند، بنابراین حرکت کارآمد دستگاه های تلفن همراه را تضمین می کند.

پروتکل کشف سرویس مبتنی بر مکان (LSDP) [ 20 ] یک پروتکل کشف منبع است. در این پروتکل، گره های ثابت یک شبکه همپوشانی را بر اساس رابطه فیزیکی و همسایه ایجاد می کنند. یک گره ثابت فقط از اطلاعات مربوط به منابع در محدوده مدیریت خود و گره های ثابت مجاور خود استفاده می کند. سپس، پروتکل با استفاده از الگوریتمی شبیه پیمایش گراف، منابع هدف را جستجو می کند. این پروتکل کشف فقط از اطلاعات مربوط به ناحیه محلی و گره های ثابت مجاور استفاده می کند، بنابراین ما می توانیم آزادانه منبعی را با استفاده از اکتشاف سرویس توزیع شده بدون سرور متمرکز جستجو کنیم.

4. پروکسی ارتباط بی سیم

یک پروکسی ارتباط بی سیم، با استفاده از محلی سازی و تحویل پیام ناهمزمان، مسئول ارتباط مستقیم با گره های تلفن همراه است. پروکسی از ماژول frontend (FE) برای انتزاع ارتباطات بی سیم و RFProxy برای تعمیم پیام ها از گره های تلفن همراه تشکیل شده است.

4.1. ساختار پروکسی ارتباط بی سیم

شکل 3عناصر ماژول frontend و عامل RFProxy را نشان می دهد. FE از انواع پروتکل های ارتباطی بی سیم با استفاده از مدیر ارتباطات پشتیبانی می کند. دفترچه آدرس یک آدرس را از یک آدرس ارتباطی (مانند یک آدرس MAC) به یک آدرس شناسایی (مانند یک شناسه کاربری منحصر به فرد) یا برعکس تبدیل می کند. این کمک می کند که بتوانیم با یک دستگاه تلفن همراه با استفاده از یک شناسه منحصر به فرد بدون نگرانی در مورد پروتکل ارتباطی واقعی ارتباط برقرار کنیم. مدیر شبکه و مدیر اتصال، پروتکل خاص را بسته به ویژگی های پروتکل ارتباطی مدیریت می کنند. به ویژه، مدیر اتصال، پروتکل‌های مبتنی بر اتصال مانند بلوتوث را مدیریت می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد با اتصال و قطع مکرر در صورت لزوم با تعدادی از گره‌های تلفن همراه ارتباط برقرار کنند.

عامل RFProxy اطلاعات و پیام های گره موبایل را خلاصه می کند. از طریق ارتباط سریال با FE ارتباط برقرار می کند، شناسه کاربر و داده های گره موبایل را ترکیب می کند و پیام را به عامل خدمات مناسب ارسال می کند. مانیتور پیام، نتیجه تحویل پیام‌هایی که به صورت ناهمزمان منتقل شده‌اند را بررسی می‌کند و نتیجه را به فرستنده اطلاع می‌دهد. مبدل پیام یک پیام را با تبدیل یک باینری فشرده به فرمت رایج انتزاع می کند.

4.2. فرآیند پروکسی ارتباط بی سیم

4.2.1. ارتباط بین نود موبایل و SH

تحویل پیام ناهمزمان از طریق ارتباط مستقیم بین گره موبایل و ماژول جلویی را می توان به دو نوع، بسته به جهت انتقال، طبقه بندی کرد، یعنی به یا از گره موبایل. علاوه بر این، یک پروتکل بدون اتصال، مانند IEEE 802.15.4، می تواند به راحتی با یک گره موبایل ارتباط برقرار کند. با این حال، یک پروتکل مبتنی بر اتصال، مانند بلوتوث، به مکانیزم مدیریت اتصال نیاز دارد که اتصال ارتباطی با گره موبایل را ایجاد و حذف می کند. در زیر فرآیند ارتباط برای یک گره موبایل و یک ماژول frontend با استفاده از پروتکل بلوتوث ارائه شده است.

شکل 4 نشان می دهد که چگونه ماژول frontend پیامی را به گره موبایل ارسال می کند. اگر FE یک درخواست پیام (1، 2) دریافت کند، حالت بلوتوث را به حالت مرکزی تغییر می‌دهد که می‌تواند یک اتصال ایجاد کند. هنگامی که به گره موبایل (3) متصل می شود، FE پیام را ارسال می کند و نتایج را ذخیره می کند (4، 5). سپس، FE نتیجه را به RFProxy (7، 8) ارسال می کند. اگر انتقال به دلیل جابجایی گره متحرک با شکست مواجه شود، پیام مجدداً توسط یک پروتکل مبتنی بر مکان ارسال می شود، بنابراین پیام بدون توجه به حرکت گره سیار منتقل می شود.

شکل 5روش ارسال پیام از گره موبایل به SH را نشان می دهد. هنگامی که پیام خروجی آماده شد (1)، انتقال با تبلیغات مبنی بر وجود یک پیام ارسالی (3) شروع می شود. اگر گره موبایل مکان خود را بداند، با آدرس MAC FE که مسئول موقعیت آن است، تبلیغ می کند. بنابراین، SH می داند که یک درخواست از گره متحرک (4) وجود دارد. سپس، FE یک اتصال (6) را آغاز می کند، با گره موبایل (7) ارتباط برقرار می کند و پیام را به RFProxy (8) می فرستد. با این حال، گره متحرک ممکن است مکان فعلی خود را نداند. بنابراین، باید از SH کمک بخواهد تا تعیین کند که به کدام یک از چندین FE متصل شود. هنگامی که یک FE یک پیام تبلیغاتی بدون آدرس FE هدف (9) دریافت می کند، RFProxy از لیست گره موبایل برای تعیین اینکه چه کسی مسئول گره موبایل است استفاده می کند (11). بعد از آن،

4.2.2. ارتباط بین Mobile Node و Service Agent

شکل 6یک نمودار دنباله ای است که نشان می دهد چگونه عامل سرویس و گره تلفن همراه هنگامی که گره موبایل مکان را تغییر می دهد، دوباره به هم متصل می شوند. ابتدا، گره متحرک با عوامل خدمات مختلف در مکان قبلی خود متصل می شود. در اینجا، “bind” به مسیر تحویل پیام ناهمزمان اشاره دارد، نه اتصال اتصال برای پیام رسانی همزمان. هنگامی که گره متحرک به مکان جدید حرکت می کند، رهبر مکان، RFProxy جدید را از حرکت گره متحرک با اطلاعات مربوط به RFProxy قبلی (2) مطلع می کند. RFProxy جدید اطلاعات سرویس مرتبط با گره موبایل را از RFProxy قبلی (3، 4) دریافت می‌کند و درخواست اتصال مجدد به عوامل سرویس (6، 8) می‌کند. اکنون، عوامل سرویس و گره موبایل می توانند از طریق RFProxy (10) ارتباط برقرار کنند. با اجرای این فرآیند به عنوان یک گره متحرک مکان خود را تغییر می دهد،

5. ePost-it Middleware

5.1. ساختار ePost-it

5.1.1. مفهوم ePost-it

برای پیاده‌سازی پیام‌رسانی ناهمزمان در میان دستگاه‌ها و سرویس‌های مختلف، مفهوم ePost-it را برای ارائه پیام‌های ناهمزمان مبتنی بر مکان پیشنهاد می‌کنیم. این مفهوم از Post-it در دنیای واقعی می آید که به راحتی می توان آن را جدا کرد یا به هدف متصل کرد.

همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، ویژگی های مفهوم ePost-it در زیر آمده است :

دارای یک نوع بلوک پیام کامل شامل یک رشته، داده های باینری کدگذاری شده و غیره است.
تا زمانی که زمان بقا در پیام پیکربندی شده است، ادامه خواهد داشت.
می توان آن را با هدف قرار دادن منطقه به عنوان مقصد برای همه کاربران منطقه ارسال کرد.
به راحتی می توان آن را به طور موقت ذخیره کرد و به هر نقطه در امتداد هدف منتقل کرد.

ما ساختار داده رایج ePost-it را در قالب XML تعریف کردیم تا بتوان آن را به راحتی توسط دستگاه‌ها و سرویس‌های مختلف شناسایی کرد. شکل 8 ساختار XML ePost-it را نشان می دهد. دارای ویژگی های مختلفی برای پردازش ePost-it است: یک ویژگی بازگشت به تماس برای به دست آوردن نتیجه پیام، و فیلدهای مبدا و مقصد برای نمایش فرستنده و گیرنده به ترتیب. این می تواند دستگاه های مختلف را از طریق RFProxy انتخاب کند یا یک SH را برای هدف قرار دادن یک منطقه انتخاب کند. قسمت محتویات را می توان به عنوان مورد نیاز برای سرویس تعریف کرد. به عنوان مثال، ممکن است یک پیام ساده مبتنی بر متن یا یک فایل صوتی رمزگذاری شده اضافه شود.

5.1.2. ساختار ePost-it Middleware

در این مقاله، ما میان‌افزار ePost-it را با افزودن یک عامل ePost-it، بر اساس میان‌افزار SoSp که قبلاً توسعه داده شده بود، پیشنهاد می‌کنیم [ 20 ]. شکل 9 ساختار میان افزار ePost-it را نشان می دهد. همه پیام‌های سرویس میان‌افزار SoSp در قالب ePost-it از طریق RFProxy یا WiFi تحویل داده می‌شوند و توسط عامل ePost-it پردازش می‌شوند. عامل ePost-it مقصد توصیف شده در سند XML را تجزیه و تحلیل می کند، مقصد SH را جستجو می کند تا جایی که پیام باید تحویل داده شود – با استفاده از الگوریتم جستجوی مبتنی بر مکان [ 20] .]—و پیام را به عامل پیام رسان هدف SH منتقل می کند. عامل پیام رسان مسئول پردازش و ارسال است. ابتدا پیام را در بافر محلی ذخیره می کند. سپس، پیام مستقیماً به عوامل سرویس منتقل می شود یا از طریق یک عامل فشار وارد می شود. عامل فشار پیام ها را با توجه به نوع دستگاه به هدف منتقل می کند: از RFProxy برای دستگاه های کوچک جاسازی شده و پروتکل فشار محلی برای دستگاه های WiFi استفاده می کند. اگر مقصد ePost-it به عنوان منطقه مشخص شود، این پیام را به کل گره تلفن همراه ارسال می کند تا در مدت زمان مشخص شده برای زندگی (TTL) از منطقه بازدید کند.

5.2. فرآیند میان‌افزار ePost-it

5.2.1. فرآیند تحویل پیام

شکل 10 روند ارائه ePost-it را شرح می دهد. یک پیام تولید شده در گره موبایل به عامل ePost-it منبع SH منتقل می شود (1، 2). سپس، عامل ePost-it اطلاعات SH هدف را با استفاده از موتور جستجو (3، 4) به دست می آورد و پیام را به عامل پیام رسانی در مقصد مدیریت target-SH ارسال می کند (5). پیام ذخیره شده در بافر پیام (6) از طریق عامل فشار (7-10) منتقل می شود. در نهایت، پیام ePost-it حذف می شود، زیرا پیام با موفقیت تحویل داده شد یا TTL آن منقضی شده است.

5.2.2. جریان فشاری ePost-it

میان‌افزار ePost-it از چهار نوع روش فشار برای رساندن پیام به گره موبایل با استفاده از پروتکل‌های ارتباطی مختلف استفاده می‌کند. شکل 11روند انتقال ePost-it به گره های موبایل از انواع مختلف را نشان می دهد. عامل پیام رسان بسته به نوع مقصد، پیام را به مقصد ارسال می کند. پیامی که برای یک عامل خدمات هدف گذاری شده است مستقیماً منتقل می شود. پیامی که به یک گره متحرک هدف گذاری شده است به یک عامل فشار ارسال می شود و عامل فشار پیام را با توجه به نوع ارتباط گره سیار منتقل می کند. یک سیستم فشار جهانی، مانند Google Cloud Messaging (GCM) یا Apple Push Notification Service (APNS)، پیام را به یک گره موبایل خارج از زیرساخت SoSp منتقل می کند. یک پروتکل فشار محلی آن را به یک گره سیار در داخل زیرساخت SoSp منتقل می کند. RFProxy برای دستگاه های کوچک جاسازی شده استفاده می شود.

6. اجرا و ارزیابی

6.1. محیط آزمایش

شکل 12 سخت افزار مورد استفاده برای ارزیابی پلت فرم پیشنهادی را نشان می دهد. SLIM Hub به عنوان یک دروازه عمل می کند و خدمات مبتنی بر مکان (LBS) را ارائه می دهد. این شامل بلندگوها، LCD و دسترسی اترنت است و با استفاده از TCP/IP به SHهای مجاور متصل می شود. ماژول frontend یک دروازه پروتکل است که به یک SH برای انتزاع ارتباط با گره های موبایل مانند BLE و ZigBee متصل است. تگ موبایل نوعی گره موبایل است. تگ ها برای ارزیابی انتزاع و مدیریت یک پروتکل مبتنی بر اتصال استفاده می شوند. در نهایت، برای تأیید عملکرد میان‌افزار ePost-it، یک گره موبایل متصل شده توسط TCP/IP بر روی رایانه شخصی شبیه‌سازی می‌شود.

6.2. عملکرد ماژول Frontend

برای ارزیابی FE، عملکرد ترافیک را آزمایش کردیم. شکل 13 میانگین کل زمان انتقال را نشان می دهد و در عین حال تعداد گره های متحرک را افزایش می دهد که هر کدام تنها یک پیام را به FE ارسال می کنند. ابتدا یک گره متحرک پیامی با اندازه متغیر به FE ارسال می کند. برای تعداد معینی از گره‌های سیار، کل زمان انتقال را اندازه‌گیری کردیم تا زمانی که تمام درخواست‌های صف پردازش شوند و به طور متوسط 30 اجرا محاسبه شد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، با وجود تعدادی از گره ها که درخواست اتصال برای ارسال یک پیام را دارند، FE می تواند تمام درخواست ها را به صورت متوالی با استفاده از مدیریت اتصال پردازش کند.

برای تخمین عملکرد دستگاه‌های بیشتر، زمان مورد استفاده برای پیام‌رسانی را در طول اتصال اندازه‌گیری می‌کنیم. شکل 14 زمان ارسال پیام به FE را با توجه به اندازه پیام نشان می دهد. زمان انتقال از زمان اتصال و زمان انتقال داده تشکیل شده است، همانطور که در رابطه (1) توضیح داده شده است. با تجزیه و تحلیل رگرسیون شکل 14 (فاصله اطمینان 95٪)، ما ثابت ها را به عنوان تعیین کردیم

T_{connection} = 110 ms

T_{byte} = 1.56 ms

تی انتقال = تی ارتباط + تی انتقال داده = تی ارتباط + تی بایت \times (تعداد بایت)

(1)

6.3. عملکرد میان افزار ePost-it

ما یک سناریوی سرویس ساده برای تأیید عملکرد ePost-it ایجاد کردیم. در یک کنفرانس با تعداد زیادی از کاربران شرکت کننده، یک مجری می خواهد مطالب ارائه را بین افراد حاضر توزیع کند. SH ها در هر اتاق ارائه نصب می شوند و یک SH با تشخیص حضور کاربر، فایل را به دستگاه های تلفن همراه ارسال می کند. شکل 15 زمان پاسخگویی از ورود کاربر تا دریافت پیام را با توجه به تعداد گره های موبایل نشان می دهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، با افزایش تعداد گره های متحرک، زمان پاسخ به آهستگی افزایش می یابد. ما تشخیص دادیم که یک SH با وجود گره‌های متحرک متعدد، در عرض چند ثانیه پاسخ می‌دهد.

7. نتیجه گیری

در این مقاله، ما سرویس LIoT را معرفی کردیم و یک پلت فرم پیام رسانی ناهمزمان مبتنی بر مجاورت را که متخصص در پردازش داده های شخصی و پیام مبتنی بر مکان است، بررسی کردیم. برای رسیدگی به تراکم ترافیک و مسائل حریم خصوصی، مشکلات معماری متمرکز، سیستم پیشنهادی ترافیک را با استفاده از یک پروتکل تحویل پیام مبتنی بر مکان پراکنده می‌کند و داده‌های شخصی جمع‌آوری‌شده را در ذخیره‌سازی فرد ذخیره می‌کند، نه سرور مرکزی. برای پیاده سازی مکانیسم ناهمزمان در اینترنت اشیا، اجزای زیر را طراحی کردیم. بافر ارتباط مستقیم در یک FE، پروتکل ارتباطی را انتزاع می‌کند و یک اتصال آزادانه بین یک گره موبایل و خدمات اینترنت اشیا ارائه می‌کند. ذخیره‌سازی موقت داده‌های شخصی را تا زمانی که داده‌ها توسط مکانیسم پیام‌رسانی ناهمزمان منتقل می‌شد نگهداری می‌کرد. میان‌افزار ePost-it از خدمات پیام‌رسانی مبتنی بر مکان پشتیبانی می‌کرد. ما به طور تجربی عملکرد را ارزیابی کردیم. نتایج نشان داد که FE می‌تواند درخواست‌های متعدد را به‌طور متوالی پردازش کند و چند صد میلی‌ثانیه را در یک اتصال صرف کند، و SH می‌تواند به سرعت پیام‌های مبتنی بر مکان را ارائه دهد.

در کار آینده، ما بر گسترش پلت فرم پیام رسانی برای پشتیبانی از جریان مداوم داده، بدون توجه به حرکت دستگاه تمرکز خواهیم کرد. به عنوان مثال، برنامه های کاربردی مراقبت های بهداشتی برای یک سیستم جریان سیگنال حیاتی، که به انتقال و به اشتراک گذاری داده های شکل موج بزرگ نیاز دارد.

منابع

وانگ، دی. لو، دی. بهمانی، ج. Sugiura، K. AnyControl – نظارت و کنترل لوازم خانگی مبتنی بر اینترنت اشیا. در مجموعه مقالات سی و نهمین کنفرانس سالانه نرم افزار و برنامه های کامپیوتری IEEE 2015، تایچونگ، تایوان، 1 تا 5 ژوئیه 2015؛ صص 487-492.
سسیلیو، جی. راه حل Furtado، P. Middleware برای برنامه های کاربردی IoT در مراقبت های بهداشتی. در اینترنت بی سیم ؛ انتشارات بین المللی Springer: چم، سوئیس، 2015; صص 53-59. [ Google Scholar ]
جئونگ، سی. جو، اچ جی; Kang، SJ معماری نظارتی را به طور کامل توزیع کرد که از چندین ردیاب و ردیاب در برنامه مدیریت دارایی موبایل داخلی داخلی پشتیبانی می کند. سنسورها 2014 ، 14 ، 5702-5724. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
ابوهارا، م. Koien، GM امنیت و حریم خصوصی در اینترنت اشیا: وضعیت فعلی و مسائل باز. در مجموعه مقالات کنفرانس بین‌المللی 2014 در خصوص حریم خصوصی و امنیت در سیستم‌های تلفن همراه (PRISMS)، آلبورگ، دانمارک، 11–14 مه 2014. صص 1-8.
یون، اس. پارک، اچ. یو، مسائل امنیتی HS در خانه هوشمند در محیط اینترنت اشیا. در علوم کامپیوتر و کاربردهای آن ; Springer: هایدلبرگ، آلمان، 2015; صص 691-696. [ Google Scholar ]
کامل بولوس، MN; Berry, G. سیستم های مکان یابی بلادرنگ (RTLS) در مراقبت های بهداشتی: یک آغازگر متراکم. بین المللی J. Health Geogr. 2012 ، 11 . [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
مون، آی. کانتروویتز، آ. کارمل، پی. میسون، ک. Engels، D. سیستم RFID فعال افزوده شده با بارکد 2 بعدی برای مدیریت دارایی در یک محیط بیمارستان. در مجموعه مقالات کنفرانس بین المللی IEEE 2007 در مورد RFID، Grapevine، TX، ایالات متحده آمریکا، 26-28 مارس 2007. ص 205-211.
لی، ی. هسیائو، دبلیو. هوانگ، سی. Chou, ST یک سیستم مدیریت خانه هوشمند مبتنی بر ابر یکپارچه با سلسله مراتب جامعه. IEEE Trans. مصرف کنید. الکترون. 2016 ، 62 ، 1-9. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
کیم، جی. جئون، B.-W. هنگ، دی جی؛ سو، اس.-اچ. پیشنهادی برای سیستم مدیریت انبار هوشمند (SWMS) از طریق اینترنت اشیا. J. Korea Soc. سیستم مهندس 2015 ، 11 ، 85-93. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
ریو، دی.-اچ. توسعه ماژول حسگر BLE بر اساس منبع باز برای کاربردهای اینترنت اشیا. J. Korea Inst. الکترون. اشتراک. علمی 2015 ، 10 ، 419-424. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
تراپ، دبلیو. هوارد، آر. مور، امنیت کم انرژی RS: محدودیت ها و فرصت ها در اینترنت اشیا. IEEE Secur. خصوصی 2015 ، 13 ، 14-21. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
برومبرگ، ی.-د. موراندات، ف. Réveillère، L. Thomas, G. EZ: به سوی ساخت دروازه پروتکل ناهمزمان کارآمد. در برنامه های کاربردی توزیع شده و سیستم های متقابل ؛ Springer: هایدلبرگ، آلمان، 2013; صص 169-174. [ Google Scholar ]
Apple Inc. iBeacon for Developers. در دسترس آنلاین: https://developer.apple.com/ibeacon/ (دسترسی در 15 فوریه 2016).
ژانگ، دی. ژائو، اس. یانگ، LT; چن، ام. وانگ، ی. Liu, H. NextMe: بومی سازی با استفاده از ردیابی سلولی در اینترنت اشیا. IEEE Trans. Ind. اطلاع رسانی. 2015 ، 11 ، 302-312. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
وانگ، ال. Ranjan, R. پردازش داده های اینترنت اشیا در ابرها توزیع شده است. IEEE Cloud Comput. 2015 ، 2 ، 76-80. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
بونومی، اف. میلیتو، آر. نطراجان، پ. زو، جی. محاسبات مه: بستری برای اینترنت اشیا و تجزیه و تحلیل. در کلان داده و اینترنت اشیا: نقشه راه برای محیط های هوشمند ؛ Bessis, N., Dobre, C., Eds. انتشارات بین المللی Springer: چم، سوئیس، 2014; صص 169-186. [ Google Scholar ]
دووراک، ا. اهم، اف. چاررو، پی. Sliwinski، W. CERN جدید میان افزار را کنترل می کند. J. Phys. Conf. سر. 2012 , 396 , 012017. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
لی، DK; کیم، تی. جئونگ، سی. Kang, SJ یک معماری میان‌افزار سه‌لایه‌ای که از ردیابی موقعیت مکانی دوطرفه گره‌های تلفن همراه متعدد تحت محیط WSN قدیمی پشتیبانی می‌کند. جی. سیست. آرشیت. 2011 ، 57 ، 735-748. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
کیم، تی. جو، اچ جی; لی، جی اس. Kang، SJ معماری سیستم ردیابی دارایی تلفن همراه تحت شبکه‌های بی‌سیم ثابت همراه همراه. سنسورها 2012 ، 12 ، 17446-17462. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
جئونگ، سی. جو، اچ جی; کشف سرویس از راه دور Kang، SJ و معماری اتصال برای QoS نرم و بیدرنگ در سرویس مبتنی بر مکان داخلی. جی. سیست. آرشیت. 2014 ، 60 ، 741-756. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

شکل 1. سناریویی برای سرویس اینترنت اشیاء مبتنی بر مکان.

شکل 2. نمودار مفهومی پلت فرم پیام رسانی ناهمزمان.

شکل 3. نمودار اجزای ماژول frontend و عامل RFProxy.

شکل 4. توالی پیام از SLIM Hub (SH) به گره موبایل هدف.

شکل 5. دنباله پیام از گره موبایل منبع به SH.

شکل 6. نمودار توالی اتصال مجدد سرویس هنگام جابجایی یک گره متحرک.

شکل 7. ویژگی های مفهوم ePost-it.

شکل 8. طرح XML برای ePost-it.

شکل 9. ساختار نرم افزار میان افزار ePost-it.

شکل 10. توالی تحویل یک پیام ePost-it.

شکل 11. جریان پیام از عامل پیام رسانی به عوامل یا دستگاه های هدف.

شکل 12. ماژول سخت افزاری که برای ارزیابی پلت فرم پیشنهادی استفاده می شود.

شکل 13. کل زمان انتقال با توجه به تعداد گره های متحرک.

شکل 14. زمان انتقال در هر اتصال با توجه به اندازه پیام.

شکل 15. زمان پاسخ ePost-it با توجه به تعداد گره های موبایل.

© 2016 توسط نویسندگان؛ دارنده مجوز MDPI، بازل، سوئیس. این مقاله یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط و ضوابط مجوز Creative Commons Attribution (CC-BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) توزیع شده است.

;کاربردهای GIS مقالات

درخواست مشاوره

09120049370

8 صبح تا 12 شب