衛(wèi) 力，王玉峰

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

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鄰近區(qū)域服務(wù)及開(kāi)發(fā)框架的需求分析

衛(wèi) 力，王玉峰

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，鄰近區(qū)域服務(wù)(Proximity Service，ProSe)成為近年來(lái)研究的新熱門(mén)領(lǐng)域，鄰近區(qū)域服務(wù)不僅需要解決移動(dòng)設(shè)備分布式通信問(wèn)題，還需要滿足服務(wù)發(fā)現(xiàn)、有效信息挖掘、隱私安全、節(jié)能等高層次的要求。當(dāng)前的研究缺少對(duì)各個(gè)層次具體需求的完整分析。文章嘗試將鄰近區(qū)域服務(wù)的需求分層次討論，同時(shí)嘗試總結(jié)對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)框架需要具備的特性，最后介紹了目前典型的開(kāi)發(fā)框架。

鄰近區(qū)域服務(wù)；分布式通信；開(kāi)發(fā)框架

0 引言

當(dāng)今，現(xiàn)代的移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦等，都配備了藍(lán)牙、WiFi、WiFi直連等最先進(jìn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)，同時(shí)還配備了各類(lèi)先進(jìn)的傳感器，使得移動(dòng)設(shè)備能夠?yàn)橛脩籼峁┒鄻踊泥徑鼌^(qū)域服務(wù)(Proximity Service, ProSe)。

雖然已經(jīng)有很多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或公司著手鄰近區(qū)域服務(wù)的研究，但是已有的各類(lèi)方案都還沒(méi)有完全解決鄰近區(qū)域服務(wù)的所有問(wèn)題。本文認(rèn)為其主要原因是業(yè)界缺少對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)所有要素進(jìn)行綜合的、整體的評(píng)估和分析，使得研究者各自為政，難以把握研究的重心。此外，本文認(rèn)為，鄰近區(qū)域服務(wù)在發(fā)展后期，需要將不同類(lèi)型的鄰近區(qū)域服務(wù)中的通用要素整合成可重用的框架，例如設(shè)備地址分配、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)等。這能讓后來(lái)的研究者以最小的知識(shí)需求，快速加入到這一領(lǐng)域不同類(lèi)型場(chǎng)景下高層次問(wèn)題的研究。

基于上述目的，本文首先簡(jiǎn)要介紹了鄰近區(qū)域服務(wù)，接著提出鄰近區(qū)域服務(wù)的分層結(jié)構(gòu)并討論實(shí)現(xiàn)各層的主要挑戰(zhàn)要素。指出在研究中引入一個(gè)開(kāi)發(fā)框架的重要性，并分析了這種框架應(yīng)具備的特性。最后，簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)前典型的一些框架。

1 鄰近區(qū)域服務(wù)概述

所謂鄰近區(qū)域服務(wù)，指的是設(shè)備之間，彼此發(fā)現(xiàn)鄰近區(qū)域的其他設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用，從而交換信息以提供或獲得服務(wù)的過(guò)程。在鄰近區(qū)域服務(wù)中，用戶之間的網(wǎng)絡(luò)交流緊緊地聯(lián)系著他們物理上周?chē)沫h(huán)境，從而與所處的位置息息相關(guān)。這種“此時(shí)此刻”的服務(wù)，拓展了空間和時(shí)間，更有針對(duì)性地吸引用戶和提供服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)鄰近區(qū)域移動(dòng)社交(Mobile Social Network in Proximity, MSNP)之類(lèi)獨(dú)特的服務(wù)[1]。

典型的鄰近區(qū)域服務(wù)主要有兩類(lèi)：公共通信與商業(yè)服務(wù)。公共通信包括緊急救災(zāi)、傳輸機(jī)密信息等。商業(yè)服務(wù)則發(fā)展出鄰近社交、多人游戲、多媒體分享、電子教育等新穎的形式。其中，鄰近區(qū)域移動(dòng)社交是這一領(lǐng)域當(dāng)前非?；馃岬囊粋€(gè)場(chǎng)景。

2 鄰近區(qū)域服務(wù)各層要素分析

本文將鄰近區(qū)域服務(wù)主要分為三層：物理層、上下文層、應(yīng)用層。如圖1所示。

圖1 鄰近區(qū)域服務(wù)分層及各層要素

最底層是物理層，主要包含無(wú)線連接和各類(lèi)傳感器，這一層主要負(fù)責(zé)設(shè)備間連接的建立與斷開(kāi)，同時(shí)收集傳感器的信息,并將收集的傳感器信息連同無(wú)線通信接收的信息(例如發(fā)現(xiàn)用戶、消息交換等)提供給上一層。

上下文層提取底層信息的語(yǔ)義，獲取關(guān)于其他設(shè)備的高層次的信息，例如用戶的興趣愛(ài)好、用戶之間的關(guān)系等。這些信息對(duì)于MSNP等服務(wù)來(lái)說(shuō)，能夠幫助用戶發(fā)現(xiàn)周?chē)邢嗤d趣或者匹配度高的用戶，從而提高社交精準(zhǔn)率。

最后，利用下兩層提供的信息，應(yīng)用層為用戶提供獨(dú)特的鄰近區(qū)域服務(wù)應(yīng)用。

這三層分別有各自需要解決的主要挑戰(zhàn)。此外，還有一些跨層的要素需要考慮。

2.1 物理層

(1)設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)：設(shè)備發(fā)現(xiàn)指的是發(fā)現(xiàn)周?chē)脑O(shè)備，服務(wù)發(fā)現(xiàn)指的是通過(guò)傳輸元數(shù)據(jù)，了解對(duì)端設(shè)備上可以獲取的內(nèi)容(或服務(wù))[2]。進(jìn)行發(fā)現(xiàn)的目的是篩選周?chē)?jié)點(diǎn)，只選擇值得連接的節(jié)點(diǎn)，可以說(shuō)是鄰近區(qū)域服務(wù)的基礎(chǔ)功能。

(2)路由和消息轉(zhuǎn)發(fā)：對(duì)等通信的設(shè)備之間組成的分布式網(wǎng)絡(luò)，需要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通信，主要工作就是路由和消息的轉(zhuǎn)發(fā)[3]。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)等通信技術(shù)是單跳通信的，因此需要引入多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來(lái)擴(kuò)展通信范圍，這一點(diǎn)是鄰近區(qū)域服務(wù)實(shí)現(xiàn)的核心。當(dāng)前這一方面的主要工作，主要集中在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay-Tolerant Networking，DTN)和無(wú)線散射網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Networking，WMN)。

(3)數(shù)據(jù)可達(dá)性：在鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以隨時(shí)加入或離開(kāi)，但是他們的資料最好是保存在其他在線節(jié)點(diǎn)上，以保持可以獲得的狀態(tài)。這是鄰近區(qū)域服務(wù)的一個(gè)重要要素，鄰近區(qū)域服務(wù)必須提供機(jī)制來(lái)保證用戶的基本資料能以中繼的方式維持在網(wǎng)絡(luò)中[4-5]。

2.2 上下文層

(1)數(shù)據(jù)挖掘：移動(dòng)設(shè)備配備各類(lèi)傳感器，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)與設(shè)備通信時(shí)接受的信息普遍是贅余且無(wú)直接意義的。因此對(duì)數(shù)據(jù)的聚合和挖掘有助于提高服務(wù)質(zhì)量，提供有意義的內(nèi)容給用戶。鄰近區(qū)域場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)挖掘，主要致力于分析設(shè)備獲取的上下文信息，以及感知用戶之間在不同環(huán)境下的不同操作。例如分析通信錄、用戶位置記錄等[6]。

(2)用戶匹配：MSNP這類(lèi)典型的鄰近區(qū)域社交應(yīng)用可以打造面對(duì)面的真實(shí)社交場(chǎng)景。然而，從長(zhǎng)長(zhǎng)的名單中選擇與誰(shuí)進(jìn)行交流對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)困難的選擇，除非我們幫助用戶去匹配最適合的人。通常來(lái)說(shuō)，用戶愿意與有相同興趣、相同背景的人交流。這種替用戶做出交流對(duì)象篩選和匹配的過(guò)程，稱(chēng)為用戶匹配[7]。

2.3 應(yīng)用層

(1)豐富的特性和功能：解決了底層問(wèn)題后，鄰近區(qū)域服務(wù)需要能夠?yàn)榻K端用戶設(shè)計(jì)多樣的特性和功能，才能擴(kuò)展鄰近區(qū)域服務(wù)在未來(lái)的地位。鄰近區(qū)域服務(wù)的時(shí)空特性，帶來(lái)了很多關(guān)于新型應(yīng)用的設(shè)想和機(jī)會(huì)。

(2)用戶永久身份識(shí)別：鄰近區(qū)域服務(wù)一般都采用分布式架構(gòu)，需要考慮將傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)中的用戶識(shí)別身份體系引入到鄰近區(qū)域服務(wù)中，保障用戶不管在什么環(huán)境中加入，都能保持身份的統(tǒng)一[4]。

2.4 跨層問(wèn)題

(1)節(jié)能：由于組網(wǎng)、尋路、數(shù)據(jù)分析等工作都是分治式地在設(shè)備本機(jī)上運(yùn)行，因此鄰近區(qū)域通信必須考慮電量的損耗。鄰近區(qū)域服務(wù)需要提供用戶體驗(yàn)和節(jié)能之間的平衡，或者努力降低鄰近區(qū)域服務(wù)工作的復(fù)雜性，降低對(duì)設(shè)備造成的負(fù)荷[8]。

(2)隱私與安全性：鄰近區(qū)域服務(wù)的用戶資料中，常常包含著諸多的個(gè)人隱私敏感信息，例如性別、興趣、政治傾向、健康情況等[7]。這些信息原本是用來(lái)匹配相似用戶的，卻也因此有暴露用戶隱私的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)保護(hù)用戶通信過(guò)程中的隱私安全非常重要，這包括兩個(gè)方面。一方面鄰近區(qū)域服務(wù)需要引入加密機(jī)制，確保用戶之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；另一方面，還需要對(duì)用戶的敏感信息設(shè)定訪問(wèn)限制，由用戶選擇可以向哪些人開(kāi)放指定的隱私信息[9]。

(3)激勵(lì)機(jī)制：鄰近區(qū)域服務(wù)通常是不使用基站等基礎(chǔ)設(shè)施的分布式網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常需要用戶設(shè)備承擔(dān)中繼節(jié)點(diǎn)的作用。這種網(wǎng)絡(luò)通常被稱(chēng)為用戶提供網(wǎng)絡(luò)(User Provided Network，UPN)。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)需要有一定的激勵(lì)來(lái)促進(jìn)用戶為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。顯然，UPN需要一個(gè)可靠的、公正的激勵(lì)機(jī)制來(lái)保證用戶之間的平等。例如根據(jù)不同用戶的電量、帶寬的情況，分配各個(gè)用戶需要向UPN提供資源的多少[10]。

3 鄰近區(qū)域開(kāi)發(fā)框架的需求分析

上一節(jié)討論了很多鄰近區(qū)域服務(wù)需要考慮并具備的通用特性。而這些特性一旦有成熟方案，可以整合在一起并提供一個(gè)功能全面的開(kāi)發(fā)框架，讓研究者、開(kāi)發(fā)者可以不用再次獨(dú)自實(shí)現(xiàn)上一節(jié)討論的諸多難點(diǎn)，直接利用這一框架的優(yōu)勢(shì)去研究鄰近區(qū)域服務(wù)在不同特性領(lǐng)域的特殊問(wèn)題，這是非常重要的。

本文認(rèn)為，優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該具備如圖2所示的作用。顯而易見(jiàn)的是，引入這樣的框架后，開(kāi)發(fā)者不再需要自己去解決眾多底層但復(fù)雜的問(wèn)題。這樣的框架提供的便利主要在于幫助開(kāi)發(fā)者去擴(kuò)展鄰近區(qū)域通信的距離和技術(shù)方式。擴(kuò)展距離指的是框架幫助開(kāi)發(fā)者去實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連接、通信機(jī)制，利用多跳、延遲網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，拓展設(shè)備可通信的距離；擴(kuò)展技術(shù)方式指的是，框架提供多種底層通信接入技術(shù)(WiFi直連、藍(lán)牙等)，并將它們整合封閉成向上透明的統(tǒng)一接口。

上述這些優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為，開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該具備易于開(kāi)發(fā)和配置輕便兩個(gè)特性。本節(jié)將討論實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性主要應(yīng)解決的問(wèn)題。

3.1 易于開(kāi)發(fā)

一個(gè)優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該幫助開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。目前最簡(jiǎn)單的方式是提供一系列的高層次抽象化的接口(API)，這些接口將鄰近區(qū)域服務(wù)底層通用的特性封裝，并只提供必要的接口給開(kāi)發(fā)者，保障底層穩(wěn)定的同時(shí)給予開(kāi)發(fā)者便利。例如，可以將鄰近設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、連接、斷開(kāi)等工作的處理，以及消息的傳輸封裝成簡(jiǎn)單的接口，卻把具體的對(duì)等通信技術(shù)的細(xì)節(jié)過(guò)程、復(fù)雜的管理機(jī)制掩蓋在接口下自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

提供一系列接口是必要的，但僅僅這樣還不夠，優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架還應(yīng)是模塊化的、易添加新功能的。例如實(shí)現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，可以選擇的底層技術(shù)有很多，那么就需要考慮將具體通信技術(shù)與多跳網(wǎng)絡(luò)的連接管理解耦合，彼此只用規(guī)定的接口交互。如此，框架在未來(lái)演進(jìn)時(shí)，可以在現(xiàn)有框架下輕松地拓展新模塊新功能[8,11]。

3.2 配置輕便

鄰近區(qū)域服務(wù)的使用，有很多需要用戶設(shè)置的配置，例如加入、離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置用戶個(gè)人信息等。開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該幫助開(kāi)發(fā)者和用戶簡(jiǎn)單地進(jìn)行這些設(shè)置。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人信息的零配置[12](zero configuration)或接近零配置。這包含了地址分配、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、命名解析等工作的自動(dòng)完成。同時(shí)，由于鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)設(shè)備位置不斷變化的特性，經(jīng)常需要切換網(wǎng)絡(luò)以保持連接。開(kāi)發(fā)框架也應(yīng)該能夠自動(dòng)地幫助完成這一工作以保持連接的穩(wěn)定[13]。

4 已有開(kāi)發(fā)框架的介紹與比較

目前，已經(jīng)有一些關(guān)于鄰近區(qū)域服務(wù)開(kāi)發(fā)框架的工作，這些工作嘗試按照各自的觀點(diǎn)，將鄰近區(qū)域服務(wù)的核心特性整合到自己的框架中。這些框架如表1所示，并按照本文第三節(jié)提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

(1)Serval Project: Serval Project支持使用Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文本傳輸和在線語(yǔ)音通話，同時(shí)使用Diffie-Hellman共享密鑰協(xié)議來(lái)加密用戶間信息，保障安全[14]。

(2)Prixima: 是一個(gè)Android平臺(tái)上，支持分布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)下建立ad-hoc連接和先驗(yàn)式路由的框架。它提供了完全異步的、線程安全的API。同時(shí)提供了接近零配置的接口，能夠自行管理消息傳輸以及設(shè)備選項(xiàng)配置[16]。

(3)USABle: 是一個(gè)致力于連接各類(lèi)系統(tǒng)的通信框架。其定義了一系列與具體通信技術(shù)無(wú)關(guān)的接口，以處理與通信相關(guān)的事務(wù)。借助模塊化、可拓展的層次架構(gòu)，USABle支持開(kāi)發(fā)者在已有框架下，按照規(guī)定的接口加入新的通信技術(shù)或消息分發(fā)策略。這讓該框架可以輕易地?cái)U(kuò)展通信距離和通信技術(shù)兩個(gè)維度[11]。

5 結(jié)論

鄰近區(qū)域服務(wù)隨著移動(dòng)通信的不斷發(fā)展，逐漸成為一個(gè)熱門(mén)話題?？紤]到當(dāng)前缺少對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)的全面分析，本文嘗試對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)進(jìn)行分層并分析各層主要挑戰(zhàn)。同時(shí)提煉不同類(lèi)型鄰近區(qū)域服務(wù)的通用問(wèn)題，提出通用的開(kāi)發(fā)框架需要具備的要素，最后介紹了已有的一些框架?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)在鄰近區(qū)域服務(wù)領(lǐng)域，各類(lèi)研究成果將逐漸整合，統(tǒng)一的規(guī)范和開(kāi)發(fā)流程將逐漸出現(xiàn)，并進(jìn)一步促進(jìn)鄰近區(qū)域服務(wù)的發(fā)展。

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Requirements analysis of Proximity Service and its development framework

Wei Li, Wang Yufeng

(College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

With the development of mobile network, now Proximity Service (ProSe) has become a new hot research topic. Except robustness on distributed communication for mobile devices, ProSe also needs to consider higher level problems such as service discovery, data mining, privacy security and energy efficiency. However, there haven’t been a complete analysis on each layer of ProSe. This paper attempts to discuss specific requirements of ProSe by dividing it into different layers. Then, it tries to summarize the characteristics of the corresponding development frameworks. Finally end with introduction of some typical frameworks.

ProSe (Proximity Service); distributed communication; development framework

TN92；TP3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.003

衛(wèi)力，王玉峰.鄰近區(qū)域服務(wù)及開(kāi)發(fā)框架的需求分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(11)：8-11,14.

2017-01-11)

衛(wèi)力(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：鄰近區(qū)域服務(wù)、D2D通信。

王玉峰(1974-)，通信作者，男，工學(xué)博士，主要研究方向：多學(xué)科啟發(fā)的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，包括寬帶信息網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線P2P、移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)等。 E-mail:wfwang@njupt.edu.cn。