物聯(lián)網(wǎng)中間件

1、物聯(lián)網(wǎng)的中間件中間件的定義 中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。 中間件是位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間的通用服務(wù)，其主要作用是用來屏蔽網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的差異性以及操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的異構(gòu)性，使應(yīng)用軟件能夠比較平滑地運(yùn)行于不同的平臺(tái)上。同時(shí)中間件在負(fù)載平衡、連接管理和調(diào)度方面起來很大的作用，使企業(yè)級(jí)應(yīng)用的性能得到大幅提升，滿足了關(guān)鍵業(yè)務(wù)的需求。 中間件是一類軟件，而非一種軟件； 中間件不僅僅實(shí)現(xiàn)互連，還要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用之間的互操作； 中間件是基于分布式處理的軟件，最突出的特點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)通信功能。中間件的特點(diǎn) 對(duì)于應(yīng)用軟件開發(fā)，中間件遠(yuǎn)比操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更

2、為重要，中間件提供的程序接口定義了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境，不管底層的計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件怎么更新?lián)Q代，只要將中間件升級(jí)更新，并保持中間件對(duì)外的接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎無需修改，從而保護(hù)了企業(yè)在應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)中的大量投資。 物聯(lián)網(wǎng)的中間件是一種面向消息的中間件，中間件具有以下特點(diǎn)：（1）滿足大量應(yīng)用的需要；（2）運(yùn)行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)；（3）支持分布式計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和操作系統(tǒng)的透明性的應(yīng)用或服務(wù)的交互；（4）支持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議；（5）支持標(biāo)準(zhǔn)的接口。中間件的體系框架應(yīng)用應(yīng)用中間件（分布系統(tǒng)服務(wù)）硬件操作系統(tǒng)硬件操作系統(tǒng)接口協(xié)議 接口協(xié)議 中間件必須具備兩個(gè)關(guān)鍵特征，首先要為上

3、層的應(yīng)用服務(wù)，此外又必須連接到操作系統(tǒng)的層面，并保持運(yùn)行工作狀態(tài)。中間件的核心模塊 中間件的核心模塊主要包括事件管理系統(tǒng)（Event Management System，EMS）、實(shí)時(shí)內(nèi)存事件數(shù)據(jù)庫（Real-time In-memory Event Database，RIED）以及任務(wù)管理系統(tǒng)（Task Management System，TMS）等三個(gè)主要模塊。1、事件管理系統(tǒng)（EMS） EMS配置在“邊緣EPC中間件”端，用于收集所讀到的標(biāo)簽信息。 EMS的主要任務(wù)：（1）能夠讓不同類型的讀寫器將信息寫入到適配器；（2）從讀寫器中收集標(biāo)準(zhǔn)格式的EPC數(shù)據(jù)；（3）允許過濾器對(duì)數(shù)據(jù)EPC數(shù)據(jù)

4、進(jìn)行平滑處理；（4）允許將處理后的數(shù)據(jù)寫入到RIED或數(shù)據(jù)庫；（5）對(duì)事件進(jìn)行緩沖，使得數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)過濾器和適配器能夠互不干擾的互相工作。2、實(shí)時(shí)內(nèi)存事件數(shù)據(jù)庫（RIED） RIED是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)“邊緣EPC中間件”的事件信息，其中“邊緣EPC中間件”維護(hù)來自讀寫的信息，并提供過濾和記錄事件的框架。 RIED組件由以下幾方面構(gòu)成：（1）JDBC接口；（2）DML剖析器（3）查詢優(yōu)化器（4）本地查詢處理器（5）排序區(qū)（6）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（7）DDL剖析器（8）回滾緩沖3、任務(wù)管理系統(tǒng)（TMS） 在TMS系統(tǒng)中有如下組件：任務(wù)管理器、SOAP服務(wù)器、類服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫。TMS體系構(gòu)架如下：

5、SOAP服務(wù)器類服務(wù)器RDBMS管理員用戶一般用戶一般用戶一般用戶任務(wù)裝載器 任務(wù)管理器（1）任務(wù)管理器 TMS主要是代表用戶負(fù)責(zé)執(zhí)行和維護(hù)運(yùn)行在EPC中間件上的任務(wù)，每個(gè)提交給系統(tǒng)的任務(wù)都有一個(gè)時(shí)間表，時(shí)間表中表明任務(wù)的運(yùn)行周期，是否連續(xù)執(zhí)行等。（2）SOAP服務(wù)器 SOAP服務(wù)器的任務(wù)是將功能和任務(wù)管理器的接口作為服務(wù)的形式暴露出來，讓所有的系統(tǒng)都能夠訪問到，可以通過一個(gè)簡單部署描述文件來完成部署，該文件描述了哪些任務(wù)管理器的方法被描述出來。（3）類服務(wù)器 類服務(wù)器使得給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載額外服務(wù)成為可能，任務(wù)管理器指向類服務(wù)器并在類服務(wù)器有效時(shí)加載所要加載新的類。這樣可以很容易地實(shí)現(xiàn)更新、添加

6、和修改任務(wù)而不需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)。（4）數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫為任務(wù)管理器提供一個(gè)持久化的存儲(chǔ)場所，數(shù)據(jù)庫存有提交的任務(wù)極其相應(yīng)進(jìn)度表的詳細(xì)信息，因此所有提交給系統(tǒng)的任務(wù)將會(huì)存活下來，即使任務(wù)管理器出乎意料地癱瘓。在每一次循環(huán)中，任務(wù)管理器查詢數(shù)據(jù)中的任務(wù)并更新相關(guān)的記錄。中間件的分類1、數(shù)據(jù)訪問中間件2、遠(yuǎn)程過程調(diào)用中間件3、面向?qū)ο蟮闹虚g件4、基于事件的中間件5、面向消息的中間件6、對(duì)象請求代理中間件7、事務(wù)處理監(jiān)控中間件中間件設(shè)計(jì)方法 物聯(lián)網(wǎng)具有自身體系結(jié)構(gòu)的差異性、網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的部署和數(shù)據(jù)采集的多樣性以及通信的異構(gòu)性等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)中間件軟件時(shí)必須遵循以下原則。（1）由于節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算、存儲(chǔ)能

7、力及通信帶寬有限，因此傳感網(wǎng)中間件必須是輕量級(jí)的，且能夠在性能和資源消耗間取得平衡。（2）物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，因此中間件軟件還應(yīng)提供較好的容錯(cuò)機(jī)制、自適應(yīng)和自維護(hù)機(jī)制。（3）中間件軟件的下層支撐是各種不同類型的硬件節(jié)點(diǎn)和操作系統(tǒng)(TinyOS、MantisOS、SOS)，因此，其本身須能夠屏蔽網(wǎng)絡(luò)底層的異構(gòu)性。（4）中間件軟件的上層是各種應(yīng)用，因此，它還需要為各類上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的接口，以便于應(yīng)用的開發(fā)。 圍繞物聯(lián)網(wǎng)在信息交互、任務(wù)分解、節(jié)點(diǎn)協(xié)同、數(shù)據(jù)處理和異構(gòu)抽象等方面的設(shè)計(jì)目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)中間件設(shè)計(jì)方法主要可分為以下幾類：1.基于虛擬機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中間件 該類中間件一般由虛擬機(jī)、解釋

8、器和代理組成，提供虛擬機(jī)環(huán)境以簡化應(yīng)用的開發(fā)和部署。Mate是這類中間件的典型代表，它是一種建立在TinyOS基礎(chǔ)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)。2.基于數(shù)據(jù)庫的物聯(lián)網(wǎng)中間件 在該類中間件中，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)被看作是一個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶的查詢提供簡單的接口。Cougar、TinyDB及SINA是這類中間件的典型代表。3.基于應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)中間件 這類中間件主要由應(yīng)用來決定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，其典型代表為MILAN中間件。4.面向消息的物聯(lián)網(wǎng)中間件 該類中間件主要采用異步模式和生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，其典型代表為Mires。5.基于移動(dòng)代理的物聯(lián)網(wǎng)中間件 基于移動(dòng)代理的物聯(lián)網(wǎng)中

9、間件提供抽象的計(jì)算任務(wù)給上層應(yīng)用，盡可能使應(yīng)用模塊化，以便可以更容易地進(jìn)行代碼傳輸。Agilla是其典型代表。中間件三層體系結(jié)構(gòu) 客戶端客戶端客戶端應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫客戶層中間層數(shù)據(jù)層用戶界面業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)邏輯（1）客戶層 （2）應(yīng)用層 （3）數(shù)據(jù)層中間件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、COM COM（Component Object Model，組建對(duì)象模型）通過底層的遠(yuǎn)程支持使得構(gòu)件技術(shù)延伸到了分布式應(yīng)用領(lǐng)域。COM是Microsoft提出的一種組件規(guī)范，其多個(gè)組件對(duì)象可以連接起來形成應(yīng)用程序，并且在運(yùn)行時(shí)，可在不重復(fù)連接或編譯的情況下被卸載或換掉。COM既是規(guī)范，也是實(shí)現(xiàn)。它以COM庫的形式提供了訪問COM對(duì)象

10、核心功能的標(biāo)準(zhǔn)接口及一組API函數(shù)，這些API用于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建和管理COM對(duì)象的功能。2、CORBA CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對(duì)象請求代理體系結(jié)構(gòu)）分布式計(jì)算機(jī)技術(shù)是OMG組織基于眾多開放系統(tǒng)平臺(tái)廠商提交的分布對(duì)象互操作內(nèi)容的公共對(duì)象請求代理體系規(guī)范。COBRA是編寫分布式對(duì)象的一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要分為對(duì)象請求代理、公共對(duì)象服務(wù)和公共設(shè)施等三個(gè)層次。3、J2EE 為了推動(dòng)基于java的服務(wù)器端應(yīng)用開發(fā)，Sun在1999年推出了Java2技術(shù)及相關(guān)的J2EE規(guī)范。J2EE是當(dāng)前異構(gòu)數(shù)據(jù)集成普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)。Java、XML

11、等中間件關(guān)鍵技術(shù)都是J2EE技術(shù)體系的一部分。J2EE是提供平臺(tái)無關(guān)的、可移植的、支持并開發(fā)訪問和安全的，完全基于Java的開發(fā)服務(wù)器中間件的標(biāo)準(zhǔn)。 J2EE和CORBA的最大區(qū)別是，CORBA只是針對(duì)單個(gè)對(duì)象，而不是被應(yīng)用服務(wù)器自動(dòng)管理的可部署的服務(wù)器端組件。CORBA的特點(diǎn)是大而全，互操作性和開放性非常好；缺點(diǎn)是龐大而復(fù)雜，并且技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的更新相對(duì)較慢。物聯(lián)網(wǎng)典型中間件傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中間件 傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中間件軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如下圖）主要分為6個(gè)部分：主控模塊、公共信息中間件、通用API模塊、中間件管理模塊、消息管理模塊、功能性中間件模塊。主控模塊：是網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)后最先運(yùn)行的軟件模塊。主控模塊負(fù)責(zé)初始化

12、網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)、解析配置文件、加載中間件、處理系統(tǒng)信號(hào)。公共信息中間件：公共信息中間件存放網(wǎng)關(guān)內(nèi)部各模塊經(jīng)常需要訪問的公共配置、狀態(tài)信息。通用API模塊：通用API模塊為網(wǎng)關(guān)內(nèi)部各軟件模塊提供常用的通用函數(shù)功能封裝，如鏈表、哈希表、動(dòng)態(tài)數(shù)組等常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作，為軟件跨平臺(tái)運(yùn)行而設(shè)計(jì)的線程庫、動(dòng)態(tài)連接庫、線程同步相關(guān)API等。中間件管理模塊：網(wǎng)關(guān)軟件基于中間件架構(gòu)，中間件管理模塊實(shí)現(xiàn)了中間件管理機(jī)制，包括中間件加載卸載、中間件注冊注銷、中間件服務(wù)注冊注銷、中間件遍歷、中間件服務(wù)遍歷等功能。消息管理模塊：網(wǎng)關(guān)各中間件間通過消息的方式通信，消息管理模塊提供消息隊(duì)列創(chuàng)建銷毀、消息分配釋放、消息發(fā)送接收及

13、路由等功能。功能性中間件模塊：網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)類功能由各中間件模塊實(shí)現(xiàn)。基本功能性中間件模塊包括：自有南向協(xié)議適配模塊、北向平臺(tái)適配模塊、網(wǎng)關(guān)管理中間件、設(shè)備管理中間件、定位應(yīng)用模塊、RPC中間件模塊等。傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中間件 按其功能可分為通用中間件 (Common Middleware)和域中間件(Domain Middleware)。低功耗傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中間件體系架構(gòu)如下圖：（1）通用中間件。在底層運(yùn)行支撐軟件的支持下實(shí)現(xiàn)一系列基本的節(jié)點(diǎn)功能，主要包括以下兩個(gè)方面：為域中間件提供基本的業(yè)務(wù)支撐服務(wù)；實(shí)現(xiàn)基本的管理功能。（2）域中間件。位于通用中間件之上。域中間件在單個(gè)或多個(gè)通用中間件提供的基本功能服務(wù)基

14、礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能，向上為應(yīng)用提供配置、控制、數(shù)據(jù)訪問接口。（3）中間件容器。域中間件、通用中間件均運(yùn)行在中間件容器內(nèi)，受中間件容器的統(tǒng)一控制與調(diào)度。每個(gè)中間件組件都提供至少一個(gè)服務(wù)訪問接口 ，服務(wù)訪問接口是中間件與其他軟件模塊之間信息交互的唯一通道。中間件容器的另一項(xiàng)重要功能就是控制中間件組件的加載與卸載，并在模塊加載與卸載時(shí)向其他相關(guān)模塊發(fā)送通知。（4）底層支撐軟件。底層支撐軟件是WSN設(shè)備中間件正常運(yùn)行所必需的軟件組成部分，這部分軟件包括操作系統(tǒng)(OS)、軟件運(yùn)行環(huán)境(Runtime Support)、硬件設(shè)備抽象模塊(HAL)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(Network Stack)。傳感網(wǎng)安全中間件 傳感網(wǎng)安全中間件體系架構(gòu)如下圖所示：u 傳感網(wǎng)安全中間件的傳感網(wǎng)安全中間件的具體具體內(nèi)容內(nèi)容如下如下：(1) (1) 提供安全機(jī)制提供安全機(jī)制( (在協(xié)議在協(xié)議棧棧) )。 (2) (2) 安全管理功能安全管理功能( (部分在協(xié)部分在協(xié)議棧，上位機(jī)配合，功能可議棧，上位機(jī)配合，功能可方便擴(kuò)展方便擴(kuò)展) )。 (3) (3) 安全監(jiān)控功能安全監(jiān)