物联网中间件研究

1、荆心(1977-,男,汉族,博士研究生,讲师。研究方向为物联网、RFID 技术。睢鹏(1976-,男,汉族,助理工程师。研究方向为物联网、网络安全、信息自动化。RFID 中间件框架研究荆心 1 睢鹏 2(1. 西安工业大学 计算机科学与工程学院,杭州 710032;2. 陕西柴油机重工有限公司 信息化推进部,兴平 713105摘 要: (目的RFID 中间件作为物联网实现的关键技术,已经成为当前研究的焦点,伴随 着大量形式各异、功能复杂的 RFID 中间件框架的提出,对其框架的组成结构、性能特征、 关键技术等各方面的掌握日趋重要。 (方法本文详细分析了目前流行的 RFID 中间件框架的 实现功

2、能、层次结构以及语义构成,由此总结出了其应该具备的显著特征,并给出了用于实 现关键需求的重要技术及解决方案。同时还提出了 RFID 中间件的定义,并讨论了目前存在 的问题及未来的研究方向。 (结论通过对 RFID 中间件框架研究进展的综述,将对其设计与 实现提供清晰的思路。关键词:RFID 中间件;框架;特征;语义Research on RFID Middleware FrameworkJING Xin 1 Sui Peng2 (1 School of Computer Science and Engineering , Xian Technological University ,Xian

3、710032, China 2. Information Technology Promotion Department ,Shanxi Diesel Engine Heavy IndustryCo. Ltd, Xingping 713105,China Abstract :(ObjectiveRFID middleware has become the focus of current research because of it is the key technology of the internet of things. Along with a large amount of div

4、erse RFID middleware framework is presented, it is important to master all properties of framework such as composition, feature, key technology etc. (Method The paper firstly analysis popular RFID middleware framework in detailed from three aspects of function, architecture and semantics level. Then

5、 the frameworks salient features are summarized and the key technologies of implement are given. The RFID middlewares definition is simultaneously presented in this paper. Finally, shortcomings of the framework are discussed and future directions are proposed. (Conclusion Through a synthesis review

6、of the progress in framework, a clear thinking for design is provided. Key words :RFID middleware ;Framework ;Feature ;SemanticsRFID 是一种操作快捷方便的非接触式自动识别技术,可同时识别大量高速运动的多个物体,并可工作于各种恶劣环境,快速采集目标对象的相关信息。虽然 RFID 系统使得应用程序能够利用 RFID 技术大幅提高生产效率,但很少有中小型企业能够真正获益,其原因在于,底层读写器通常来自不同厂商,使用的驱动、通讯协议各不相同,同样上层应用程序往往基于不同平

7、台开发,面向不同用户需求,这样两者的联系将形成多对多的关系,假如外部用户想要加入一种新的读写器, 或者变更某一个应用的业务逻辑, 那么变动的联系将很难维护。RFID 中间件的提出实现了上、下两层之间的完全松散耦合,解决了 RFID 技术与应用程序之间信息对应交流困难的问题,降低了应用开发的成本。随着物联网概念的兴起、食品安全追溯等方面迫切需求的提出,RFID 中间件作为其中的一项关键技术已经成为当前研究应用的焦点。目前,RFID 中间件不但成功应用于产品质量安全追溯、铁路物流及客票系统、供应链管理系统、离散制造业生产线制造系统等众多领域,并且随着 RFID 中间件公共服务技术的推出,大规模的协

8、作服务,物联网、普适计算将真正的进入人们的日常生活当中。RFID 中间件的本质作用为连接,价值在于语义的传递,这通常需要多个层次的处理。同时,RFID 中间件处理的事件流具有不确定、海量、突发等特点,要从其中挖掘出智能、准确、丰富的语义信息,需要利用高级、复杂的技术才能完成,由此可以看出,RFID 中间件必须具备复杂的层次结构与功能。传统的 RFID 中间件一般仅具备数据过滤、聚合、传递的基本功能,但随着其层次的细化、增加,以及各层功能的不断变化,其原本的作用范围日趋模糊,因此对其工作边界的界定,以及本质特征、关键技术等方面的了解变得至关重要。本文首先给出 RFID 中间件的定义,划定其工作范

9、围, 然后通过对 RFID 中间件现存框架的现状综述与分析,总结归纳出了其应具备的基本特征,并给出相应的技术解决方案,最后还对几个重点的发展研究方向进行了讨论,一方面为 RFID 中间件框架设计及研究提供清晰的思路,另一方面为相关人员提供该领域的研究进展与发展趋势方面的介绍。1 RFID 中间件框架层次目前有大量的相关框架被提出,但还未能形成一个明确、统一的标准与定义,这也是造成中间件框架设计多种多样,功能范围形式各异的一个原因。因此,本文首先给出 RFID 中“能够对上层应用与底层硬件的多样性、异构性,以及外部需求变化,起到 间件的定义为:屏蔽作用,并能够对外提供公共服务的中间层软件, 即位

10、于读写器与应用程序之间的层称之为 RFID 中间件” 。在此定义范围内的 RFID 中间件都至少应该具备三大功能:1、硬件设备管理:主要作用为实现软件系统与硬件的松散耦合,屏蔽掉各自的异构特性,包括配置、管理读写器,提供 统一的接口采集标签原子事件,写数据到标签内存中等功能;2、数据处理与传递:大量无 意义、乱序、污染的 RFID 事件,必须被处理成正确、有语义的事件才能够路由给与之相关 的应用程序;3、服务提供:面向不同的应用程序,提供统一的接口,实现用户或应用的透 明操作。这三大功能分别在 RFID 中间件框架的不同层次上实现,其中数据处理为核心工作,其 又可包含四个层面:1、有效清洗层(

11、Valid 层:清洗掉无效噪音数据,补偿、过滤、形成 形式为(what,where,when的单个有效事件;2、应用相关语义层(Application 层:产 生具体应用程序或具体业务逻辑定制的事件集合, 能够表达具有时间段、地点区域等含义的 基本语义;3、关系语义层或情境语义层(Relation 层或 Context 层:本层关键为事件操 作符的使用及模式匹配,可根据业务逻辑规则将应用相关的原子事件联系起来,形成某种关 系,可以表达形式为(what,where,when,why四维要素的语义,还可根据传感器信息,对 环境进行感知,合成具有情境语义的事件;4、业务过程层(Business Pr

12、ocess 层:本层 通常涉及多个企业的EPCIS 或Web Service,各合作伙伴按照规定的业务流程执行从而完成 一个业务过程事件。 图1 RFID框架基本层次分层、模块化设计是 RFID中间件框架的一个显著特征,RFID中间件框架的基本层次结 构如图 1 所示,通过其最终输出事件的语义层次,能够准确判断出中间件框架的高级性,本 文以下按照语义由低到高的顺序简称各层为 V 层、A层、RC 层、BP 层。2 RFID 中间件框架现状研究RFID 中间件依照应用需求的不同,可以被划分为两大类别,即物品跟踪与物品定位, 其本质区别在于读写器部署的不同 1 ,前者即读写器固定的环境注重数据处理,

13、适于在工业 生产、物流仓储等通用情况下使用;后者即读写器移动的情况更注重情境发现,适于博物馆游览导航、矿井人员定位等面向单个用户的个性化服务 2 。同时为满足框架中各个层面不同 的需求,RFID 中间件组成模块的功能范围、提供的上下层接口等各不相同,这些因素决定 了中间件的大小、性能、服务能力、实施效果等多个方面。根据以上对 RFID 中间件主要任务,以及分类的研究,这里将从面向通用型(读写器固 定与面向移动应用型(读写器移动两个主要方面,对目前的 RFID 中间件典型框架如何 实现各项具体功能进行详细分析,并着重讨论各框架的语义层次。2.1 面向通用型面向通用型是指中间件工作数据由固定于工作

14、场所的读写器, 对出现在其区域内的物品 进行信息采集获得。为满足对这些数据逐层语义复合的需求,研究人员尝试了多种技术、或可将面向通用型 RFID 中间件分为三类。 制定了相应的标准, 以下依据形成语义的核心技术,2.1.1 以 EPCGlobal 标准为核心EPCGlobal 是由国际组织 GS1 管理的一套标准,其为 EPC(Electronic Product Code 编码和 RFID技术在可视化供应链管理以及高速数据流应用中的实现, 提供了强有力的支持。 EPCNetwork 为 EPCGlobal 给出的中间件具体框架,包括物体识别、数据捕获、数据交换三 层,物体识别层中 LLRP、

15、TP 模块用于从符合TDS 标准的标签采集数据;数据捕获层中的 ALE 通过统一的接口,接收用户的 ECSpec(Event Cycle Specifications,然后形成 A 层语义 的 EPCReport, 并发布给用户; 数据交换层中的 EPCIS更是能够进一步通过EPCIS Capturing 模块产生 RC层的语义,然后通过 EPCIS Accessing接口提供给应用程序。ALE 接口和 EPCIS 是 EPCNetwork 中位于中高两层,用于数据处理与传递的核心部件, GS1 定义了其接口标准及功能说明,但未给出具体实现。因此,目前对于 EPCNetwork 的应 用、研究

16、工作是围绕着 ALE、EPCIS以及框架原型系统的实现进行的。文献3提出的 REFill 中间件架构使用过滤链方法具体实现了ALE 的功能, 并且解决了对过滤操作的可编辑性要求。 文献4给出了一个基于 EPCNetwork 的开源实现Accada,在该平台上终端用户、系统集成 商以及研究人员,可以以开发新应用为目的进行 EPCNetwork 网络协议的各项实验。文献5 提出的 BizAF 框架对 EPCNetwork 架构中位于 EPCIS 与应用程序之间的部分进行了扩展,使 其包含 RFID 业务事件、检测以及 EPCIS 捕获三个服务,能够从 ALE 订阅感兴趣的事件,并 与从本地或合作伙

17、伴 EPCIS 中检索的物品信息及历史记录合成业务事件,最终提供给 RFID 应用程序具有高级语义的事件。尽管对 EPCNetwork 框架的改进研究已经很多,但当前依然存在许多问题,比如:缺乏 高层业务逻辑事件转换能力、 缺乏对传感信息的兼容、 缺乏端到端的管理机制等等。 文献6针对这些不足之处, 提出了欧盟FP7 项目研究的 ASPIRE 框架, 该框架应该是目前最为成熟、 全面、轻量级、开源的架构。其在 EPCNetwork 核心框架上加入了业务语境与数据共享、IDE 开发环境、端到端管理控制台、HAL 硬件抽象层等模块,从而解决了分布式、业务发现、支 持感知数据、可配置管理、多标准兼容

18、等多种问题,还能够根据 SMEs(Small Medium Enterprises应用的需求自定制裁剪,任意构建所需的开、闭环应用。综上所述,由 EPCNetwork 最终产生语义的层次可以得出,其框架具有较高的高级性, 同时整体结构层次分明、 功能完善, 具备易扩展、 易管理的特性, 适于普通应用环境。 因此, 目前出现了一大批以EPCGlobal 标准为核心的 RFID中间件。2.1.2 以复杂事件处理为核心复杂事件处理 CEP(complex event processing是由 David Luckham 提出的,用于在 大量事件流中进行实时有意义事件检测的技术 7 , CEP与 RF

19、ID 中间件的结合, 能够提升语义 传递的层次,从而提高 RFID 系统的实际应用价值。目前开源的 CEP 引擎包括:IEP、Esper、 Drools、ActiveInsight等,它们能够高效地与RFID中间件进行集成。文献8利用 Drools 作为其 CEP 协作处理器的规则执行引擎,并将其集成于 EPCNetwork 之中的框架。同样文献 9利用集成了 Drools 的 RFID 中间件,对智能医院里病人产生的事件云进行检测,从而为 病人的救治提供了快速反应能力。文献10利用 Esper 进行复杂事件的检测,同时综合利用 主/从并行处理模型,解决了 CEP 集中式处理的时间瓶颈问题,提

20、出了具有两级层次结构的此外,Esper还通常会被作为CEP性能改进研究的比较对象。 RFID中间件复杂事件处理框架。CEP 的检测方法大致包括:基于有限自动机,基于Petri 网,基于匹配树和基于有向图 四种类型, 这些方法各有利弊, 有限自动机和 Petri网的方法难于检测时间戳乱序的事件流, 匹配树和有向图方法以过滤为基础,难于检测原子事件之间的时空关系。SASE 是基于有限 自动机的最典型代表 11 , 其以类SQL 的复杂事件语言表述业务逻辑需求, 并基于非确定有限 状态自动机实现了对事件流的连续查询计划。文献12基于 SASE,利用 CORBA 连接分布的 多个 CEP 处理器及其C

21、EP 管理器, 将RFID 复杂事件处理扩展为分布式结构, 从而提升了 CEP 的计算性能。 文献13利用有色Petri 网对复杂事件检测过程进行了建模, 将业务逻辑设计 成具有层次的复合事件结构, 将RFID 中间件复杂事件处理分成: 逻辑构造层、 时空约束层、 业务事件发现三层,使得系统能够像检测复合事件一样,自动检测出业务逻辑事件。总之,具有 CEP 能力的 RFID 中间件,能够处理多种数据源,在大量数据流中实时检测 出高级语义,并触发关键操作,能够大量减少高层应用业务逻辑编写的代码量及维护成本。 但其在处理性能、分布式结构、时间乱序、传感器信息处理等方面的问题还未解决,最重要的是还需

22、要继续挖掘,从而发现更深层语义的复杂事件。2.1.3 以业务过程处理技术为核心业务过程是企业应用的最高级需求, 是一组将输入转化为输出的相互关联或相互作用的 活动,目前已存在许多业务过程建模的方法,包括:EPC、BPMN、高级 Petri 网、UML 等等, 这些模型能够利用相关的建模语言准确表述应用的业务流程。RFID 系统中存在大量当满足 一定输入条件,则触发相应活动的需求,并且多个活动之间存在顺序关系的情况,这非常适 合于利用业务过程引擎来进行处理。业务过程处理与RFID 中间件的结合,将给 RFID系统带 来了以下优点:1、将业务逻辑进一步从顶层应用程序中分离出来,使得应用开发、部署更

23、 加简便;2、利于调用分布在企业组织之间的功能服务,扩展了应用的范围;3、将业务过程 处理与 CEP任务清晰划分,控制了形成语义的粒度,提高了各层次的处理速度。为进一步减轻 RFID 应用开发的复杂性,文献14基于 EPC (Event-driven Process Chains进行业务过程建模,在 ALE 与高层应用中加入了一个四层的业务过程处理框架,该 框架各层向下订阅感兴趣的数据, 并将本层中产生的具有更高语义的事件传往高层作为输入。 RFID 中间件经过 EPC 模型扩展后,能够提供对应用程序业务流程级别的支持。文献15实 现了以 BPMN 为标准的业务过程建模可视化工具,及基于 WS

24、-BPEL 和 PVM 的业务过程引擎。 该中间件框架以业务过程引擎为核心,将 RFID 事件映射成过程事件,然后使用过程模型构 造器,根据内存数据库中存储的业务过程信息,检索过程事件当前状态,并调用服务组件完 成相应的业务执行过程。文献16更进一步,不但实现了能够产生业务事件的 Biz AF 中间 件,同时还设计了在运行时,能够链接业务事件与静态服务的业务过程映射组件,从而提高 了 RFID 中间件对业务流程的动态支持。文献17基于 NxBRE 引擎,提出了一个由五个模块 组成的中间件框架 Rdspor,其核心为 NxBRE 业务处理控制模块,它能够根据业务规则生产实现业务处理与企业应用的松

25、散耦合。 信息系统需要的业务文档, 并控制其他模块协调工作,显然在 RFID中间件中加入业务过程处理模块, 能够达到可被应用使用的 RC层高级业务 过程事件语义。但由于 RFID 技术还处于新兴阶段,且具有自身的独特性质,因此这两者结 合的研究还不多,相关架构还不够成熟。2.2 面向移动应用型RFID 移动应用具有自身明显的特征,其不会产生大量连续的事件流,更利于在情境感 知的环境中应用。为了缩短从读写器到高层应用的距离,面向移动的应用出现了将中间件直 接嵌入到智能设备中的趋势,由于智能设备的资源限制性,通用的 RFID 中间件必须被重新 设计成轻量级的、便于移动应用程序开发的专业移动RFID

26、 中间件。语义的形成与传递在面向移动应用的 RFID 中间件中依然是一个重点,语义层次的高低 决定了最终移动服务的质量。文献18提出了直接将 EPCNetwork 集成入移动网络的方案, 两种成熟技术的结合将保证移动应用具有强大的通信及语义转换能力。 文献19进一步进行 了移动应用的扩展,利用ALE 与手持终端通讯,获得基本语义对象,利用存储在 EPCIS中的 地理信息等辅助内容,与 ALE 传来的对象复合产生高级语义的 Report,并发给手持终端, 最终实现与博物馆参观者较高层次的语义交互。综上所述,作为 RFID 中间件的基本功能,数据处理、传递、设备管理等在面向移动应 用型 RFID

27、中间件中同样具备,但是其具体实现方式发生了较大变化,与通用 RFID 中间件、 移动网络等现有成熟技术的结合,是实现移动应用的主要思想。3 基本特征RFID 中间件特征可分为功能性与非功能性两大类 20 ,功能性特征用于解决应用需求及 RFID 硬件技术局限性,主要包括:数据处理、信息传递、可配置管理等;非功能性特征表 现为自身的动态调整,以适应特殊环境的需求及变化,主要包括:可靠性、可扩展性、自适 应性等。每种 RFID 中间件的设计通常是各种属性特征权衡的结果,这些性质直接影响了其 框架的结构组成、使用技术,这里给出明显能够影响其框架构成的特征。3.1 松散耦合:松散耦合特征广泛涉及到中间

28、件的各个层面, 以及各个层面的组成模块 之间、甚至模块内部,松散耦合的性质不但确保了中间件的模块、层次之间的协调工作,而 且保证了其可扩展的特性,各模块可在不影响整体架构的情况下调整自身的功能,中间件也 可根据应用环境的变化动态地调整自身的组成,因此,松散耦合是 RFID 中间件框架设计的 一个主要特征。3.2 事件驱动:事件是 RFID系统操作的客体对象,中间件各功能模块的执行均由事件 的到达而触发,数据的过滤、聚合、计数等操作由原子事件将触发,复杂事件及业务功能有 应用报告事件触发,整个系统其他功能的调用,同样完全由事件触发驱动。事件本身是一个 封装良好的数据结构体,包含了大量相关信息,不

29、但减轻了信息查询的网络流量,还为语义 检测提供了支持,因此对事件驱动架构的支持是RFID 中间件框架的必备特征。3.3 高可靠性:中间件在整个 RFID 系统中起到神经中枢的作用,具备可用、可靠、自 适应的特点,是避免一旦单点失效即刻导致系统瘫痪的关键因素,负载均衡、Agent等各种 技术的综合应用,将在很大程度上提高中间件的可靠性。3.4 异步消息订阅:在 RFID中间件中大量的 RFID 读写器会同时为多个应用服务, 这种 多对多的关系造成了网络中存在大量的数据交集, 然而应用程序通常仅仅需要获得本身感兴趣的数据即可,因此处于中心位置的 RFID 中间件,必须缓冲接受数据,进行异步处理,并

30、 将结果分组发给多个符合订阅规则的应用,由此可以看出,消息的异步传递、订阅/发布是 确保 RFID 中间件框架高效运行的重要特征。3.5 智能化:RFID 中间件的核心作用,就是为高层应用程序提供智能化服务与集成的 有力支持,比如向异常情况预警、智能感知环境变化等应用提供直接的数据来源,同时直接 提供具有高级语义的智能化事件,是推动 RFID中间件普遍应用的关键因素。总之,RFID 中间件由于不断发展而具有的新功能,外在表现为其特征,相反正是这些 突出表现的特征决定了中间件的框架设计与具体实现,例如:智能化特征决定了 RFID 中间 件中必须具备复杂事件处理,或者更加高级的语义检测功能,这样新

31、的层次必须加入到框架 中以适应其特性。限于篇幅,以上给出的并非 RFID 中间件框架的全部特征,仅是其基本、 重要的特征。4 关键技术RFID 中间件发展前期,出于对 RFID 数据不确定、海量、传递等特点的认识,人们对数 据清洗、订阅/发布等相关技术做了充分研究,因此传统的中间件框架中全都具备数据过滤 及数据传递的功能。随着对 RFID 中间件特征的逐步深入了解,许多新技术不断被应用进来 以解决新的需求,本文从数据流处理和架构组成两个主要方面,讨论目前出现在中间件框架 中的关键技术方法。4.1 数据聚合这里的数据聚合是指收集来自读写器等外部数据源的原子事件, 根据业务逻辑规则进行 数据映射,

32、形成具有意义的报告的过程。CEP 是目前这方面用于数据挖掘、数据聚合的最常 用技术,其核心工作是时空、因果等关系的模式定义与匹配, CEP 能够在高速、并发、长 时间段、大批量的数据流内提取出需要的事件,并触发后续的规则或活动。广泛应用于RFID中间件中进行语义检测, CEP技术虽然作为高效的复杂事件处理单元,但实际上其正处于发展的初期阶段。CEP 还存在分布式处理、本体语义支持、多维度(传感 器数据、包装事件事件兼容、时间乱序等很多问题有待解决。文献21就针对语义表达不 一致的问题,在 CEP 中引入了本体的概念,建立了 RFID 事件本体模型和本体规则,利用复 杂事件本体活动的工作流转换机

33、制, 较好地对多种环境下语义上下文的高级事件进行了探测。 文献22针对时间戳乱序问题进行了研究,分析了时间戳乱序给复杂事件检测带来的困难, 基于扩展的非确定性有限自动机,提出了不需要缓存排序的复杂事件检测算法。总之,CEP 在 RFID 数据处理中的应用还是一个崭新的领域,数据聚合、转换能力的提高,还有待自身问题的改进。4.2 数据存储单就沃尔玛一个企业应用 RFID 而言,其每天产生的数据量都在 GB 级别,RFID 中间件 面向多个应用进行服务,在网络中时刻不停地接受数据,并产生处理的结果,有些像复杂事 件处理这样的结果,必须被存储起来以备日后查询使用,可以想象,这样的数据量将使得计 算能

34、力严重降低。云计算能够将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度, 构成一个巨大的虚拟资源池 向用户提供按需服务, 面向超大规模数据处理,它可以提供强大的分布式存储与并行计算能 力 23。 云计算会尽量调度计算任务到数据所在的节点上运行, 而不是像传统存储计算方式那 样,尽量将数据移动到计算节点上,因此通过减少大量数据在网络中的传输,云计算还能够 提高数据处理的效率 24 。 文献25讨论了基于云计算SaaS 服务的RFID 中间件框架, 该框架 使得用户不需要拥有自己的 IT 基础设施,只需通过 IE 浏览器,即可调用过滤、聚合、事件 检测、 EPCIS 等功能, 从而解决了 SMEs 对大量

35、存储空间, 以及低成本利用 RFID 技术的需求。此外,RFID 中间件需要实时处理的速度,因此大量的输入及中间处理结果,不可能先 被存储到数据库中再被调用, 内存数据库技术能够有效地解决数据在磁盘与内存间低效率存 储、调用的问题,文献26在 RFID 中间件框架中加入了一个具有数据存储池、内存索引、 并发控制管理、备份恢复等四个模块的内存数据库, 能够在中间件内部提供高效的数据的缓 冲、存储、处理能力。图2 给出了基于云计算存储、计算 IaaS 服务,以及内存数据库的 RFID 中间件设计思想,但这里提出的框架粒度较粗,还处于概念模型阶段,细粒度的具体实现有 待进一步研究。 IaaSSaaS

36、 云计算数据存储服务云计算计算服务基于云的RFID 中间件应用1 应用n 内存数据库 图2 基于云计算、内存数据库的RFID 中间件的基础架构4.3 数据调度RFID 中间件数据处理的吞吐量必定具有最大值,如果在架构设计初期不考虑数据处理 超载的问题,那么当面临来自底层的标签读数迅猛增长时,必将发生数据处理速度缓慢,甚至排队数据丢失的情况,又由于 RFID 数据峰值波动的特点,还可能出现当某个中间件数据 拥塞而无法响应时,其他并行的中间件还处于闲置状态的情况。因此有必要设计能够将数据 合理调度、均匀分配到分布式中间件上去进行处理的框架,负载均衡是解决这一需求的关键 技术。负载均衡广泛应用于分布

37、式系统,注重均匀非抢占式的数据调度,但作为计算节点的 RFID 中间件通过 ECSpes 订阅读写器数据,节点与数据源之间存在依赖关系,因此负载均衡 技术的应用需要符合RFID 中间件的特点。 在 RFID 中间件中应用负载均衡的数据调度方法大 致包括以下几类: 1、 数据连接池: 在 RFID中间件底层加入数据连接池, 负责收集标签数据, 同时根据中间件心跳信息,维护一张全局负载情况表,然后将数据分配到负载最小的中间件 上去, 显然这种集中的处理方式将依然产生负载的瓶颈, 仅适用于处理节点较少的情况; 2、 负载管理服务器:在 RFID 中间件中加入负载管理 agent,并设立独立的负载均衡

38、服务器, 用来接收从每个 agent 收集到的各节点的负载信息, 然后由负载均衡服务器根据相应的调度 算法合理分配读写器及其数据给中间件 27 , 专门用于负载处理的服务器能够提供高效的计算 能力,还可选择执行多种调度算法;3、基于移动 agent 的动态负载均衡:该方法利用移动 代理及本地静态代理之间的相互协作来完成读写器的分配,移动代理在 RFID 中间件之间移 动并采集其负载信息,每个中间件中的本地代理根据此信息,执行数据的重新分配,并决定 超额负载的分配时间及对象, 动态方法能够保证在中间件节点较多的情况下高效的负载均衡;4、基于网格计算平台:将 RFID 中间件建立于网格平台之上,直

39、接充分利用网格计算对任务 和数据均匀分布的负载均衡能力,文献28很好地利用了网格技术,在中间件内加入负载均 衡管理器,并将其配置于网格之上,通过请求/相应方式找到负载最小的中间件,并将数据 传递给它进行处理。4.4 功能组件复用由于不存在统一的标准框架, 大量异构、 自治的 RFID中间件之间实际上很难相互协作、,均 无缝连接,或者进行数据共享,不管是在中间件之间(横向还是中间件自身(纵向存在功能的重叠 29 ,这一特点将导致开发成本的巨大浪费,还将阻碍 RFID 技术在绝大部分 企业中的应用。 文献30提出了 SOA 设计方法是实现中间件内部协作最好的解决方案的观点, 证明了基于 SOA 的

40、组件,能够实现不同的业务流程系统,根据需要自由、动态的进行服务调 用,以及统一的监控管理,并能够完善的解决中间件内部及相互间的功能重叠、冲突问题, 从而提高中间件的互操作性、开放性、动态可扩展性以及访问控制能力。文献31进一步在 这方面做出了努力,引入SOA 思想,设计了一个基于OSGi 的可重构 RFID中间件,功能被划分为细粒度的服务组件,通过 DS(Declarative Services进行服务组件的描述及动态管 理,该中间件框架面向复杂、多样的应用能够灵活定制,具有较好的复用性和可重构性,避 免了对 ALE、设备管理等功能的重复开发,有效节约了成本及时间,同时 OSGi 开发的服务

41、组件具有一致的结构模型与管理方式,能够更好的便于众多的企业应用共同使用。下表总结了以上两节讨论中出现的功能特性,关键技术, 及其对应关系。 从中可以看出, 各项关键技术也都是刚刚开始发展的新兴技术,自身还存在不足,加之 RFID 中间件的特殊 性质,其未来的发展将充满挑战。表1 RFID中间件重要特性及关键技术对应关系RFID中间件重要功能特性 相关技术解决方案 分类异步消息订阅 订阅/发布 事件传递 智能化 复杂事件处理CEP 事件聚合 云计算、内存数据库 事件存储 事件驱动 数据清洗 事件过滤高可靠性 负载均衡 数据调度松散耦合 SOA、OSGi 功能组件复用5 目前存在的问题与未来的研究

42、方向随着技术的不断进步,RFID 中间件初期所面临的硬件兼容、数据采集、事件检测等基 础性问题已经得到解决,并形成了功能完善、结构完整、性能优良的整体框架,但相对而言 更加高级、复杂的需求,比如:安全性问题、分布式处理、大容量信息存储、传感器数据融 合等问题接踵而至。以下从三个方面讨论当前急需解决的难题,及未来可能的研究方向。5.1 处理性能提高目前的 RFID 中间件框架大多数还处于集中式数据处理阶段,但由于底层数据的海量性 质,集中式处理将很快面临性能上的瓶颈,数据处理的压力主要来自两方面:1、为了提高 读数的准确率,避免漏读,企业会大量增加读写器,同时随着业务量的扩大,读写器的使用 也将

43、成倍增长,这些将导致原始数据量的持续增长;2、传感器数据的融合将使一个更加庞 大的数据源融入。因此,集中的处理方式势必向普适计算发展,并利用分布式、云计算等技 术提高其处理能力,分布式处理方式将使得 RFID 中间件的整体架构、管理、部署、开发等 各个方面被重新设计。当前对于分布式中间件研究的贡献,基本上都是基于原框架的扩展,文献32将原有 ALE 设计成了三层分布式结构,从而避免了 ALE 出现过载的现象。文献33基于分布式哈希 表和 P2P 机制提出了分布式 ALE 的结构,该结构将 ALE 作为节点,将读写器作为对象组成 P2P 网络,自动分解 ECSpec,并调用 hash 函数查找到

44、要分配子 ECSpec 的目标节点,该结构与 EPCNetwork 兼容,且具有可扩展性、对应用程序的透明性、能够动态的向 P2P 网络中添 加、删除 ALE 节点等特性,能够达到仅有传统 ALE10%的性能开销。由以上研究可以看出, 在 RFID 中间件底层,利用 P2P 技术,并与负载均衡方法相结合,进行分布式数据处理是一 个有效的研究方向,但在复杂事件检测、业务流程处理这样的高层上,还没有有效的方法提 出,原因在于时间乱序、查询调度、模式分解合并等一系列问题还有待解决。5.2 信息综合化RFID 数据为标识数据,传感器数据为感知数据,越来越多的应用急迫需要这两者的结 合。另外,随着物联网

45、概念的提出,RFID 中间件必将与 WSN 集成,从而提供对感知数据的 支持。目前在RFID 主动标签中已经能够包含传感器数据,且随着其成本的降低,RFID 主动 标签将被广泛使用,文献34指出了主动标签产生的是与被动标签不同的事件信息, 对传感 器数据支持的要求,将带给中间层巨大的技术冲击。文献35进一步分析了 RFID 与 WSN 技 术的不同点,集成的必要性与挑战,还给出了整合可能的机制与中间件需要改变的地方。目 前在此方面的研究同样集中于对原框架的扩展,文献36提出了一个基于 EPCNetwork 的较 好的集成框架,对原读写器协议、ALE 接口、EPCIS 查询接口进行了扩展,从而使

46、其能够兼 容传感器事件,利用有效持续时间变量解决了 RFID 事件与传感器事件读写频率不一致的问 题,从而能够对这两种事件进行复合。实际上,这两者的结合还处于实验阶段,更多的问题 的发现还需大量研究。5.3 安全隐私以往关于 RFID 系统安全的问题,主要集中于对标签数据安全、标签与读写器之间通讯 协议安全的研究,还未曾对 RFID 中间件安全问题进行专门的考虑,其原因在于,集中式的 RFID 中间件作为一个软件模块,通常是企业信息系统的一部分,安全问题完全由整个信息 系统承担。但随着 RFID 中间件独立出来为多个应用服务,且逐步向分布式方向发展,其安 全、隐私问题凸显出来,主要表现在以下几

47、方面:1、 篡改或破坏正常配置文件,非法向RFID 中间件数据处理单元订阅数据, 使其将处理结果报告给非法接受者;2、非法控制 RFID 中 间件中的配置管理、标签读写等功能,从而随意对标签存储内容进行读写修改;3、截取在 网络上传输的信息,对敏感数据进行篡改,并发送修改过的数据给合法接受者;4、对中间 件服务器进行拒绝服务等攻击,导致其瘫痪无法正常工作;5、RFID数据中还会包含用户个 人的消费、位置等类型的信息,一旦被滥用,个人隐私将无法保障。在安全隐私方面的研究思路,主要表现为自身安全性能的提高、与安全技术的结合,以 及进行安全功能的扩展等方面。 文献37基于 OSGi 对中间件进行了重

48、构,利用 OSGi的安全性能,保护了中间件各组成模块的安全。文献38研究了移动设备的安全认证问题,提出的 RFID-AM 中间件架构,结合了基于知识、基于生物、基于资源占有这三种移动设备安全认证 技术,实现了将入口验证、用户敏感数据加密与连续验证相结合。文献39通过在 RFID 中 间件与后台信息系统之间加入隐私管理服务器及隐私策略文件管理服务器, 增强了用户与信 息服务器交互数据的安全,用户可将自定制的安全级别存储于隐私策略文件管理服务器上, 随后隐私管理服务器即可据此安全访问控制策略决定返回相应的数据。可以看出即便 RFID 技术相当成熟, 且能够为工业生产、 企业应用、 个人服务带来便利

49、, 但是安全隐私问题的存在严重制约着它的发展。因此,如何结合 RFID 中间件的特性,综合 利用加密、访问控制、系统安全等理论与技术,改善其安全隐私问题,将是始终伴随其发展 的一个重要研究方向。6 结束语本文根据给出的定义,将 RFID 中间件边界范围扩大至从读写器到企业应用程序之间的 大面积区域内,传统的仅具有数据过滤、聚合、传递功能的 RFID 中间件因此而被扩展,符 合此范围的框架具备了智能化等新的特征,由此为实现这些特征,复杂事件处理、云计算、 分布式处理等一系列新型技术深深的融入其中,功能强大、性能良好、易于管理的 RFID 中 间件框架将迅速发展完善,这将使得企业更加便利的利用 R

50、FID 技术提高生产效率,以及使 得应用更加安全的为用户提供服务。作为物联网的核心技术,RFID 中间件的成熟还将为物 联网的发展奠定坚实的基础。参考文献:1 Ahmed N, Ramachandran U. RFID Middleware Systems: A Comparative AnalysisJ.Unique Radio Innovation for the 21st Century, 2010: 257278.2 Schwieren J, V ossen G. IDServices: an RFID middleware architecture for mobileapplica

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