李世超

（甘肅政法學(xué)院，蘭州 730070）

基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)研究＊

李世超

（甘肅政法學(xué)院，蘭州 730070）

物聯(lián)網(wǎng)是一種能將物體連接至互聯(lián)網(wǎng)使其更加智能的技術(shù)。但是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)難以處理，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可擴(kuò)展性差，以及用戶的安全隱私容易泄露等問(wèn)題都限制了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。為了解決這些問(wèn)題，通過(guò)分析霧計(jì)算所具有的優(yōu)勢(shì)提出基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)?；谠摷軜?gòu)，同時(shí)考慮到用戶的安全隱私問(wèn)題，又提出分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最后對(duì)文章進(jìn)行總結(jié)和展望。

霧計(jì)算；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；可擴(kuò)展性；安全隱私

1 引言

近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，大量安裝有傳感器的智能設(shè)備可以與互聯(lián)網(wǎng)相連接。這些具有計(jì)算、通信和感知能力的設(shè)備構(gòu)成了IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng))[1]。 目前很多互聯(lián)網(wǎng)公司都已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出了智能家庭、智能城市、智能醫(yī)療、智能交通等概念[2]。雖然物聯(lián)網(wǎng)在很大程度上能夠使我們的生活更加便利，但是目前仍有一些問(wèn)題需要解決。

第一，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分巨大，并且增長(zhǎng)十分迅速。據(jù)歐洲通信委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2020年，互聯(lián)網(wǎng)的接入設(shè)備將達(dá)到500～1000億[3]。美國(guó)思科公司也預(yù)測(cè)到2019年，由互聯(lián)網(wǎng)的接入設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量每年將達(dá)到507.5ZB[4]。第二，目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可擴(kuò)展性較差，使海量設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)需要提出新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。第三，用戶間的安全及隱私是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)中為了獲得更好的服務(wù)，用戶通常會(huì)將自己的信息傳輸至物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器中，而這些信息通常是包括了用戶的隱私。因此，需要設(shè)計(jì)一種在能夠保障用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，保護(hù)用戶隱私安全的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

2 霧計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)

云計(jì)算作為一種信息集中處理技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。由于云計(jì)算允許用戶共享云端的計(jì)算資源，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)可以得到有效的處理。但是在物聯(lián)網(wǎng)中僅僅使用云計(jì)算會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題。第一，用戶將大量的數(shù)據(jù)傳輸至云端會(huì)消耗大量的能量，時(shí)間以及帶寬資源，并且會(huì)對(duì)前向回傳鏈路造成較大的壓力。第二，由于云服務(wù)器所覆蓋的范圍可以達(dá)到15 km×15 km[5]，用戶至云端的距離較遠(yuǎn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸時(shí)延。為了解決以上的問(wèn)題，霧計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。霧計(jì)算的思想就是將原來(lái)部署在云處理中心的虛擬機(jī)部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣。通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)使得控制層和數(shù)據(jù)層的功能可以在本地的中央處理器中完成。因此，霧計(jì)算可以有效的減少計(jì)算負(fù)擔(dān)以及資源的浪費(fèi)。另外，由于霧節(jié)點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)的距離更近，因此能夠有效的減少端到端的時(shí)延。

3 基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

目前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的基站或路由等設(shè)備來(lái)保障用戶的無(wú)縫覆蓋，這些分布式的基站或路由等設(shè)備同樣也可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供服務(wù)。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多種多樣，為了支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的多種不同的傳輸要求，每一個(gè)基站或路由等設(shè)備都應(yīng)該具有多種接入制式，如Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee和LTE等，如圖1所示。這種具有多種接入制式的基站或路由等設(shè)備可以認(rèn)為是一種收集初始數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)。將霧節(jié)點(diǎn)與這些基站或路由等設(shè)備相連接，可以有效的處理收集到的數(shù)據(jù)。

由于霧計(jì)算具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以將其應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中[6]。圖2為提出的基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。在該架構(gòu)中，霧節(jié)點(diǎn)通過(guò)高容量的光纖與基站或路由等設(shè)備相連接，可以減少端到端的傳輸時(shí)延。另外，霧節(jié)點(diǎn)可以部署在小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的邊緣，從而可以使得不同的基站或路由等設(shè)備可以使用同一個(gè)霧節(jié)點(diǎn)來(lái)處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的核心網(wǎng)數(shù)據(jù)處理效率低，可擴(kuò)展性較差，可以采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）來(lái)設(shè)計(jì)霧節(jié)點(diǎn)核心網(wǎng)[7]。SDN將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，從而通過(guò)集中的控制器中的軟件平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源靈活的按需調(diào)配。SDN中的所有交換機(jī)采用Openflow協(xié)議由控制平面所管理，除此之外，控制平面還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的流量監(jiān)控、用戶間的會(huì)話建立、用戶的移動(dòng)性管理、用戶鑒權(quán)以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。

圖1 具有多種接入制式的基站或路由示意圖

網(wǎng)絡(luò)中的霧節(jié)點(diǎn)都可以與云端相連接，這樣可以充分利用云端的計(jì)算能力來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量的數(shù)據(jù)需要處理，而霧節(jié)點(diǎn)又沒有足夠的計(jì)算能力時(shí)，霧節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)上傳至云端，由云端進(jìn)行處理，但這樣做的缺點(diǎn)就是會(huì)造成較大的通信時(shí)延。

4 分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在物聯(lián)網(wǎng)中，用戶產(chǎn)生的很多數(shù)據(jù)可能都會(huì)包含有個(gè)人信息，比如智能手機(jī)所拍攝的照片和視頻，智能車輛中的GPS信息，可穿戴設(shè)備感知到的健康信息以及智能家居中的房屋狀態(tài)。對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析不僅對(duì)個(gè)人有益，對(duì)整個(gè)社會(huì)也有很大的益處[8]。比如，分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備拍攝到的照片/視頻可以識(shí)別和跟蹤恐怖分子。當(dāng)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將恐怖分子的照片傳送至霧節(jié)點(diǎn)時(shí)，每一個(gè)霧節(jié)點(diǎn)都會(huì)將該照片與本地所存儲(chǔ)的照片相比對(duì)。如果比對(duì)成功，霧節(jié)點(diǎn)會(huì)將照片傳輸至云端進(jìn)行進(jìn)一步的處理。但是這樣做的前提是需要用戶共享自己的數(shù)據(jù)，因此，保護(hù)用戶的隱私就成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種分層的霧計(jì)算架構(gòu)。如圖3所示，每一類用戶（這里的用戶是指擁有私有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的一類用戶，如在一個(gè)公司/企業(yè)內(nèi)部部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備之間是可以相互分享信息的，不存在安全隱私問(wèn)題）與一個(gè)代理虛擬處理器（VM）相連接，代理虛擬處理器具有信息計(jì)算及存儲(chǔ)的能力。每一類用戶的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)多種接入制式的基站或路由等設(shè)備與一個(gè)代理虛擬處理器相連接，代理虛擬服務(wù)器將接收到的原始數(shù)據(jù)按照不同的類型進(jìn)行分類，經(jīng)過(guò)分析處理后將數(shù)據(jù)傳輸至對(duì)應(yīng)的應(yīng)用虛擬處理器中。需要注意的是經(jīng)過(guò)代理虛擬處理器處理后的數(shù)據(jù)去掉了個(gè)人的隱私。比如，在恐怖分子監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，只有照片/視頻的位置信息和時(shí)間信息上傳至應(yīng)用服務(wù)器，而不是將照片/視頻直接上傳。應(yīng)用虛擬處理器對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分類，并為每一個(gè)代理虛擬處理器提供語(yǔ)義模型（如提供恐怖分子監(jiān)測(cè)應(yīng)用算法）來(lái)獲取自己想要的信息。

圖3 分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

代理虛擬處理器的部署可以是動(dòng)態(tài)的，如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是靜態(tài)的，（如智能家居中的傳感器）則代理虛擬處理器可以部署在霧節(jié)點(diǎn)附近。如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是動(dòng)態(tài)的，（如智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備從家庭移動(dòng)到公司）代理虛擬處理器可以分成兩部分，一部分仍然是靜態(tài)部署，另一部分可以隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的移動(dòng)而移動(dòng)。這樣做的目的是能夠有效的減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，降低端到端的時(shí)延。

對(duì)于應(yīng)用虛擬處理器的部署通常也有兩種方案，一種是本地應(yīng)用虛擬處理器部署，另一種是遠(yuǎn)端應(yīng)用虛擬處理器部署。本地應(yīng)用虛擬處理器部署是指將應(yīng)用虛擬處理器部署在霧節(jié)點(diǎn)中，處理和分析本地代理虛擬服務(wù)器所接收到的數(shù)據(jù)。比如，在停車應(yīng)用中，本地代理虛擬服務(wù)器可以接收到智能車輛感知的周圍車輛信息，并將其傳輸至本地應(yīng)用虛擬處理器進(jìn)行處理，從而可以幫助用戶找到合適的停車地點(diǎn)。遠(yuǎn)端應(yīng)用虛擬處理器部署是將應(yīng)用虛擬處理器部署在遠(yuǎn)端的云節(jié)點(diǎn)中，來(lái)處理不同霧節(jié)點(diǎn)的代理虛擬處理器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用虛擬處理器需要知道大范圍的信息時(shí)，這種部署方式就變得十分必要。比如，在智能交通中，應(yīng)用虛擬處理器只有獲得大范圍的交通信息才可以為用戶提供道路的擁塞信息，從而規(guī)劃處最優(yōu)的行使路徑。

5 結(jié)論及展望

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的技術(shù)可以使得各種物體相互通信并與互聯(lián)網(wǎng)相連[9]。在本文中，我們考慮了物聯(lián)網(wǎng)存在的3個(gè)主要問(wèn)題、大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性以及用戶隱私安全。通過(guò)分析霧計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，提出了基于霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，從而有效的解決了大數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上有提出了分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)解決用戶的隱私安全問(wèn)題。

隨著科技的發(fā)展，傳感器的費(fèi)用將會(huì)越來(lái)越低，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越普及。霧計(jì)算憑借著自身的優(yōu)勢(shì)將會(huì)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供有力的支撐。

[1] L. Atzori， A. Iera， G. Morabito， The Internet of things： A survey [J].Computer networks， 2010，54(15)：2787-2805.

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Research on internet of things architecture based on fog computing

LI Shi-chao
(Gansu Insitute of Political Science and Law, Lanzhou 730070, China)

The Internet of things (IoT) is a technology that connects objects to the Internet and makes them more intelligent. However, the big data generated by the IoT devices is difficult to handle, the scalability of the network architecture is poor, the user's security and privacy is easy to disclose, which issues have limited the development of IoT. In order to solve these problems, by analyzing the advantages of fog computing,the framework of IoT based on fog computing is proposed. Based on this architecture, a hierarchical network architecture is proposed when considering the security and privacy of users. Finally, the article is summarized and prospected.

fog computing; internet of things; big data; scalability; security and privacy

TN915

A

1008-5599（2017）11-0063-04

2017-08-21

甘肅省教育廳高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2017B-33）。