邢 丹 姚俊明

(濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院 日照 276826)

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基于非結(jié)構(gòu)化P2P的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)現(xiàn)*

邢 丹 姚俊明

(濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院 日照 276826)

介紹基于P2P的物聯(lián)網(wǎng)物品信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制相關(guān)研究概況，分析比較3種分布式P2P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出基于非結(jié)構(gòu)化P2P進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)現(xiàn)，即采用基于興趣的層次化拓?fù)錁?gòu)建選擇和基于興趣簇的具有自適應(yīng)能力的搜索算法，并對(duì)該算法進(jìn)行分析。

非結(jié)構(gòu)化P2P；醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)；信息發(fā)現(xiàn)；興趣

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)智慧醫(yī)療的關(guān)鍵技術(shù)之一，可將其應(yīng)用在智慧健康管理系統(tǒng)中。而在典型的物聯(lián)網(wǎng)——EPCglobal(國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)和美國(guó)統(tǒng)一代碼委員會(huì)的一個(gè)合資公司)網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)象命名服務(wù)(Object Naming Service，ONS)來(lái)完成的。ONS的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)物品的產(chǎn)品電子代碼(Electronic Product Code，EPC)映射到1個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源地址統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(Uniform Resource Identifier，URI)，通過(guò)URI可以查找到關(guān)于物品的詳細(xì)信息，即對(duì)應(yīng)著一個(gè)EPC信息服務(wù)。目前，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中的分布式物品信息節(jié)點(diǎn)具有各節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)信息更新頻繁、不同節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存著相同物品名稱(chēng)的不同數(shù)據(jù)部分、節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大、節(jié)點(diǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息具有很高的安全敏感性等特點(diǎn)[1]，這就決定了采用傳統(tǒng)的查找方式必然會(huì)對(duì)根服務(wù)器造成很大的查詢(xún)壓力，形成查詢(xún)瓶頸，降低查詢(xún)效率。因此，設(shè)計(jì)高效可行的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制是亟需解決的問(wèn)題。而對(duì)等網(wǎng)(Peer to Peer，P2P)技術(shù)具有非中心化、可擴(kuò)展性及健壯性能好、隱私保護(hù)及負(fù)載均衡等優(yōu)點(diǎn)，從而能夠確保聯(lián)網(wǎng)物品的相關(guān)信息能夠被高效、準(zhǔn)確和安全地尋址、定位和查詢(xún)。

2 基于P2P的物聯(lián)網(wǎng)物品信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制相關(guān)研究

BRIDGE項(xiàng)目以EPCglobal相關(guān)規(guī)范為基礎(chǔ)，提出了物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)服務(wù)(Discovery Service，DS)的8種可行模式，從各方面進(jìn)行了比較[7]。這8種模式與ONS系統(tǒng)相比，都能夠很好地完成任意給定的物品編碼到商品流通鏈中與其相關(guān)聯(lián)的多個(gè)EPC信息服務(wù)(EPC Information Services，EPCIS)的定位查找操作,在保證查全率的前提下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)查詢(xún)。孔寧[1]對(duì)這8種模式從安全性、響應(yīng)速度等方面進(jìn)行分析，得出EPCIS目錄模式和請(qǐng)求傳播模式是較好的兩種模式，提出了采用基于半分布式 P2P 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)中的物品信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制，通過(guò)改進(jìn)并提高其發(fā)現(xiàn)效率及網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，可使其滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的物品信息發(fā)現(xiàn)需求，但未對(duì)此實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行深入研究。黃宇等[2]采用基于半分布式P2P網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)，在超級(jí)節(jié)點(diǎn)間的路由算法中采用了分布式P2P中的Chord算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但未對(duì)其做詳細(xì)分析。李占波等[3]采用改進(jìn)分布式哈希表(Distributed Hash Table，DHT)的結(jié)構(gòu)化P2P的ONS解析機(jī)制，結(jié)果表明基于DHT的ONS解析系統(tǒng)能夠有效地應(yīng)對(duì)單點(diǎn)失效，相比于Epcglobal ONS系統(tǒng)具有更好的負(fù)載均衡性能。本文在請(qǐng)求傳播模式基礎(chǔ)上，采用非結(jié)構(gòu)化P2P進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)現(xiàn)。

3 3種分布式P2P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

表1 分布式P2P網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅芫C合比較

從表1可以看出，全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整體性能最好，采用此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，物品信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制能夠很好地滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、容錯(cuò)性以及查詢(xún)的效率、查全率等要求；但是由于 DHT 算法本身的限制，其不支持復(fù)雜查詢(xún)，因此無(wú)法滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)中對(duì)于物品內(nèi)容的復(fù)雜查詢(xún)。而半分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是性能、可擴(kuò)展性較好，較容易管理；但對(duì)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的依賴(lài)性大，易于受到攻擊，容錯(cuò)性也受到影響。而全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于采用了隨機(jī)圖的組織方式，結(jié)點(diǎn)度數(shù)服從冪律(Power-law)規(guī)律，從而能夠較快發(fā)現(xiàn)目的結(jié)點(diǎn)，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化體現(xiàn)了較好的容錯(cuò)能力，因此具有較好的可用性；支持復(fù)雜查詢(xún)，如帶有規(guī)則表達(dá)式的多關(guān)鍵詞查詢(xún)、模糊查詢(xún)等。目前對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的研究主要集中于改進(jìn)發(fā)現(xiàn)算法和復(fù)制策略以提高發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確率和性能。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特殊性，物品的信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制需要具有各節(jié)點(diǎn)高度獨(dú)立的自治性；網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性；查詢(xún)的效率和查全率高；支持內(nèi)容、語(yǔ)義等復(fù)雜查詢(xún)的特點(diǎn)。綜合以上分析，本文采用非結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)組織節(jié)點(diǎn)，但由于沒(méi)有確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)無(wú)法保證資源發(fā)現(xiàn)的效率，即使需要查找的目的結(jié)點(diǎn)存在發(fā)現(xiàn)也有可能失敗，因此發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性和可擴(kuò)展性是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)面臨的兩個(gè)重要問(wèn)題，需要采用優(yōu)化的改進(jìn)算法來(lái)發(fā)現(xiàn)資源。

4 基于非結(jié)構(gòu)化P2P的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)物品信息發(fā)現(xiàn)機(jī)制

4.1 非結(jié)構(gòu)化P2P的拓?fù)錁?gòu)建選擇

傳統(tǒng)的P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均沒(méi)有考慮語(yǔ)義和節(jié)點(diǎn)能力，因此其節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置存在巨大的隨意性，忽視節(jié)點(diǎn)資源和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)，使得其網(wǎng)絡(luò)對(duì)于資源的搜索查詢(xún)具有較大的盲目性，搜索的開(kāi)銷(xiāo)巨大，且效率較低。目前研究熱點(diǎn)之一是引入節(jié)點(diǎn)興趣[4]，將興趣相似節(jié)點(diǎn)聚集在一起，以提高資源搜索的成功率；同時(shí)，在資源搜索過(guò)程中，搜索查詢(xún)消息只需要訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中少量節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生較高的搜索成功率和較低的資源搜索查詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)。周曉波等[5]采用了一種基于層次化興趣表達(dá)的拓?fù)渖赡Ｐ?，通過(guò)興趣的定義及維護(hù)從統(tǒng)計(jì)上在資源和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g建立了聯(lián)系。在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，尤其是物品流通領(lǐng)域，通常所關(guān)心的商品是按照人群來(lái)進(jìn)行劃分的，如孕婦經(jīng)常關(guān)心孕婦服裝、待產(chǎn)包等，且其所感興趣的商品通常存儲(chǔ)在相對(duì)固定的位置?；诖?，選取具有興趣相似的節(jié)點(diǎn)來(lái)組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這其中需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其一是興趣的表示問(wèn)題。目前常用節(jié)點(diǎn)興趣的描述方法主要有主題分類(lèi)、向量空間模型(Vector Space Model,VSM)和資源描述框架(Resource Description Framework,RDF)[1]。黃宇等[2]采用興趣樹(shù)來(lái)表示資源，本文采用基于向量空間模型的方法進(jìn)行興趣樹(shù)的組織，對(duì)興趣樹(shù)進(jìn)行廣度優(yōu)先遍歷得到資源所處的社區(qū)和興趣的編號(hào)。另一個(gè)是社區(qū)維護(hù)問(wèn)題，其過(guò)程描述為：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)啟動(dòng)(Bootstrap)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，將繼承Bootstrap的鄰居表，且被加入到Bootstrap的鄰居表中。隨后，將不斷地發(fā)起查詢(xún)，對(duì)于那些成功的查詢(xún)，把對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)作為自己的鄰居候選，然后對(duì)鄰居表及候選表進(jìn)行排序，刪除那些與自己的社區(qū)編號(hào)距離太遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)。如此不斷反復(fù)，節(jié)點(diǎn)將逐漸地從初始的社區(qū)跨越到其社區(qū)編號(hào)所標(biāo)志的社區(qū)中去。

4.2 非結(jié)構(gòu)化P2P搜索算法的選取

采用非結(jié)構(gòu)化P2P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是采用何種搜索算法。非結(jié)構(gòu)化的搜索策略可分為盲目搜索和信息搜索兩大類(lèi)。盲目搜索通過(guò)洪泛方式來(lái)搜索想要的資源，雖然查詢(xún)效果較好，但需要耗費(fèi)較多；信息搜索存儲(chǔ)了資源已有的知識(shí)，所以能夠比較快地找到資源。錢(qián)寧等[6]將其更細(xì)致地劃分為基于本地索引的方法、基于層次的方法和基于聚集的方法，表2歸納總結(jié)了各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 非結(jié)構(gòu)化P2P搜索算法分析

鑒于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建選擇了基于節(jié)點(diǎn)興趣，即將資源和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了聯(lián)系，采用簇的方式為聚集節(jié)點(diǎn)；同時(shí)為了符合物聯(lián)網(wǎng)的自身特點(diǎn)，綜合以上，采用基于聚集方法中的基于興趣的方法進(jìn)行搜索。其次，為了使節(jié)點(diǎn)具有高度獨(dú)立的自治特性，采用具有自適應(yīng)能力的基于簇搜索算法，即SAICA算法。

4.3 SAICA算法具體工作過(guò)程

對(duì)于一個(gè)給定的查詢(xún)，根據(jù)“六尺度”原則可知它的結(jié)果集很大程度上就在對(duì)應(yīng)的簇集，而不是散落在整個(gè)系統(tǒng)，這樣資源搜索問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成如何快速定位對(duì)應(yīng)簇集的問(wèn)題。下面給出搜索的基本過(guò)程：(1)確定資源所在的簇集。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起查詢(xún)時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)是服務(wù)節(jié)點(diǎn)，跳(2) ；否則，節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算查詢(xún)項(xiàng)q與該節(jié)點(diǎn)維護(hù)的資源r的相似度Similumar(q,r)，計(jì)算結(jié)果和預(yù)先設(shè)定的閾值(Threshold)進(jìn)行比較，如果計(jì)算結(jié)果大于或等于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為成功找到了匹配的資源，將與查詢(xún)項(xiàng)q相似度大于等于閾值的資源作為查詢(xún)結(jié)果返回，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)將查詢(xún)消息發(fā)送給資源連接的服務(wù)節(jié)點(diǎn)；如果查詢(xún)項(xiàng)與該節(jié)點(diǎn)維護(hù)的資源的相似度小于設(shè)定的閾值，查詢(xún)消息則傳遞給需求連接對(duì)應(yīng)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。(2)確定查詢(xún)內(nèi)容所在的具體位置。當(dāng)查詢(xún)消息到達(dá)后，接收到查詢(xún)消息的服務(wù)節(jié)點(diǎn)先查看查詢(xún)內(nèi)容是否在本機(jī)上，然后根據(jù)它維護(hù)的資源索引確定內(nèi)容是否在簇集內(nèi)的葉節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)將查詢(xún)按照一定策略發(fā)送給其鄰居服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

4.4 算法評(píng)價(jià)

直觀上看，SAICA算法利用判斷查詢(xún)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所含資源的相似度決定查詢(xún)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所含的資源和查詢(xún)的相似度小于設(shè)定的閾值，那么該節(jié)點(diǎn)所屬簇集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)擁有和查詢(xún)相關(guān)資源的可能性也較小——因?yàn)楦鶕?jù)節(jié)點(diǎn)面向興趣轉(zhuǎn)移的拓?fù)溥B接調(diào)整，同一簇集內(nèi)維護(hù)相似資源的節(jié)點(diǎn)。因此，借助歷史反饋信息，將查詢(xún)路由給需求連接的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。反之，查詢(xún)可能已經(jīng)被發(fā)送到一個(gè)由一組查詢(xún)主題相關(guān)的資源所在節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的社區(qū)中，當(dāng)前簇集內(nèi)包含與查詢(xún)相關(guān)的大部分資源對(duì)象。因此根據(jù)SAICA算法的策略，對(duì)于給定的查詢(xún)，目標(biāo)社區(qū)的定位基本上可以在一個(gè)跳數(shù)內(nèi)完成，有效控制了消息數(shù)量和搜索路徑長(zhǎng)度，從而提升了系統(tǒng)的整體搜索性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析提出了基于興趣的層次化拓?fù)錁?gòu)建方法和基于興趣簇的具有自適應(yīng)能力的搜索算法，解決了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中資源發(fā)現(xiàn)服務(wù)存在的弊端。下一步的工作是對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分析其同ONS的查詢(xún)效率問(wèn)題，以及不在興趣范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的解決方案。

1 孔寧.物聯(lián)網(wǎng)資源尋址關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心,2008.

2 黃宇,金蓓弘.非結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)Overlay優(yōu)化技術(shù)綜述[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2008,29(2):238-243.

3 李占波，張哲. 基于DHT-P2P新型的ONS解析機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013，49(3):91-94.

4 蘇森.無(wú)結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)中基于語(yǔ)義和節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力的搜索關(guān)鍵技術(shù)研究.[D].北京：北京郵電大學(xué),2011.

5 周曉波,周健,盧漢成,等.一種基于層次化興趣的非結(jié)構(gòu)化p2p拓?fù)湫纬赡Ｐ蚚J].軟件學(xué)報(bào),2007,18(12):3131-3138.

6 錢(qián)寧,吳國(guó)新. 無(wú)結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)資源搜索機(jī)制研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010，37(4):10-11.

Information Discovery for Medical Internet of Things Based on Unstructured P2P

XINGDan，YAOJun-ming,

CollegeofMedicalInformationEngineering,JiningMedicalUniversity,Rizhao276826，China

The paper introduces researches related to the discovery mechanism of things and information for the Internet of Things based on P2P, analyzes and compares three kinds of distributed P2P topological structures, and proposes information discovery for the Internet of Things based on unstructured P2P. This means to use interest-based selection of hierarchical topological construction and the self-adaptable search algorithm based on interest clusters and analyze this algorithm.

Unstructured P2P;Medical Internet of Things; Discovery service; Interest

2015-05-06

邢丹，講師，發(fā)表論文7篇；姚俊明，講師，碩士，發(fā)表論文6篇。

濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院青年基金項(xiàng)目“基于P2P的物聯(lián)網(wǎng)資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制的研究”；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：ZR2011HL002)；濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院校級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：JY2013KJ036)。

R-056

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.10.012