應(yīng)用層提供互操作性的標(biāo)準(zhǔn)和開源計(jì)劃

這個(gè)由多部分組成的系列解決了對(duì)支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 以及建筑物、企業(yè)和消費(fèi)者的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的單一語義數(shù)據(jù)模型的需求。這樣的模型必須簡單且可擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)即插即用互操作性和跨行業(yè)的普遍采用。

第一部分定義數(shù)據(jù)語義。在第二部分中，我們確定了在應(yīng)用層提供互操作性的現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和開源方法。

在此處導(dǎo)航到該系列的其他部分：

跨行業(yè)語義互操作性：詞匯表

跨行業(yè)語義互操作性，第一部分

跨行業(yè)語義互操作性，第三部分：頂層本體的作用

跨行業(yè)語義互操作，第四部分：業(yè)務(wù)與設(shè)備本體的交集

跨行業(yè)語義互操作性，第五部分：邁向通用數(shù)據(jù)格式和 API

“標(biāo)準(zhǔn)的好處是你有很多可供選擇；而且，如果你不喜歡其中任何一個(gè)，你可以等待明年的模型?！?——安德魯·塔南鮑姆

社區(qū)驅(qū)動(dòng)的元數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)方法

我們都已經(jīng)習(xí)慣了看似永無止境的新協(xié)議、倡議和聯(lián)盟，所有這些都旨在迎來無處不在的傳感和控制時(shí)代——我們一直在等待的物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。

到目前為止，您可能認(rèn)為我們已經(jīng)確定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用連接層，但有些技術(shù)因素對(duì)尋找通用的可互操作連接解決方案構(gòu)成了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。成本、無線電范圍、數(shù)據(jù)速率和功耗之間的權(quán)衡使得很難找到一個(gè)萬能的答案。

連接層中涉及的許多“物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)”聯(lián)盟正在走向制高點(diǎn)（應(yīng)用層，一切都是軟件，物理定律不適用［6］）。雖然應(yīng)用層內(nèi)的設(shè)備互操作性尚未成熟，但該層內(nèi)的企業(yè)對(duì)企業(yè) （B2B） 互操作性已在 20 多年前通過電子數(shù)據(jù)交換 （EDI） 得到解決，盡管不完善。

我們現(xiàn)在看到“物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)”和“業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)”聯(lián)盟在應(yīng)用層內(nèi)的互操作性中心點(diǎn)匯聚。對(duì)于可管理性，本系列將重點(diǎn)關(guān)注九個(gè)聯(lián)盟的語義互操作性方法，它們共同：

跨越 OSI 模型的連接層和應(yīng)用層（圖 12）

解決五個(gè)相互關(guān)聯(lián)的行業(yè)的大多數(shù)用例：住宅和建筑、能源、零售、醫(yī)療保健以及運(yùn)輸和物流（圖 13）

圖 12. OSI 層內(nèi)的聯(lián)盟互操作性方法。

圖 13.按行業(yè)劃分的聯(lián)盟語義工作。

藍(lán)牙

藍(lán)牙 （ Bluetooth.com ） 是一種用于短距離交換數(shù)據(jù)的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由擁有 30，000 多家成員公司的藍(lán)牙特別興趣小組 （SIG） 管理。在消費(fèi)者層面，支持藍(lán)牙的設(shè)備是高度受限設(shè)備之間應(yīng)用層互操作性的最普遍示例。

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)建立后，一個(gè)設(shè)備充當(dāng)主設(shè)備，而所有其他設(shè)備充當(dāng)從設(shè)備。基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率 （BR/EDR） 版本，藍(lán)牙“經(jīng)典”，針對(duì)以節(jié)能方式發(fā)送穩(wěn)定的高質(zhì)量數(shù)據(jù)流（即音樂）進(jìn)行了優(yōu)化。較新的低能耗 （LE） 版本 Bluetooth Smart 更適合物聯(lián)網(wǎng)和傳感器，并建立在使用通用屬性或 GATT的全新開發(fā)框架之上。

配置文件——為了使兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備能夠互操作，它們必須支持相同的配置文件。藍(lán)牙有自己的一套應(yīng)用層配置文件，目前圍繞著傳統(tǒng)上由藍(lán)牙經(jīng)典實(shí)現(xiàn)的熟悉的“外圍”角色（即耳機(jī)、揚(yáng)聲器、鼠標(biāo)）。藍(lán)牙智能支持 GATT 配置文件，將角色和用例擴(kuò)展到個(gè)人健身和醫(yī)療保健（例如，血壓、心率傳感器、溫度計(jì)、體重秤）。GATT 定義了一個(gè)分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)暴露給連接的藍(lán)牙智能設(shè)備。每個(gè)配置文件都描述了基于 GATT 功能的用例、角色和一般行為。

雖然當(dāng)今市場上有藍(lán)牙智能照明產(chǎn)品，但沒有標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用層協(xié)議來提供多供應(yīng)商互操作性。但藍(lán)牙 Mesh 將在任何一天推出，它正在尋找與 Thread 和 Zigbee 相同的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)用例；隨之而來的肯定是一套擴(kuò)展的 GATT 配置文件，從外圍設(shè)備到家庭和建筑用例，如照明、HVAC 等。

分配編號(hào)——藍(lán)牙將標(biāo)識(shí)符分配給與供應(yīng)（公司、設(shè)備）和語義（測量單位、數(shù)據(jù)類型）相關(guān)的各種對(duì)象。

GS1

GS1 （ GS1.org ） 是一個(gè)全球性組織，負(fù)責(zé)開發(fā)和維護(hù)世界上使用最廣泛的供應(yīng)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系。超過 100 萬用戶公司使用 GS1 標(biāo)準(zhǔn)在 150 個(gè)國家/地區(qū)每天執(zhí)行超過 60 億筆交易。

GS1 在應(yīng)用層開發(fā)了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，支持關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息的互操作交換，包括交易、產(chǎn)品和可見性事件數(shù)據(jù)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要解決零售、醫(yī)療保健以及運(yùn)輸和物流行業(yè)內(nèi)的貿(mào)易伙伴之間的數(shù)據(jù)交換。

GS1 的“全球商業(yè)語言”連接了物理世界和數(shù)字世界，為物聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。通過擴(kuò)展其標(biāo)準(zhǔn)體系，GS1 可能在加快“事物”被有效識(shí)別、互連和互操作以成為行業(yè)全球業(yè)務(wù)、人員和事物語言的步伐方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

EPC 信息服務(wù) （EPCIS），核心業(yè)務(wù)詞匯 （CBV） – EPCIS 是一項(xiàng) GS1 標(biāo)準(zhǔn)，最初基于 RFID 技術(shù)，使不同的應(yīng)用程序能夠創(chuàng)建和共享有關(guān)物理或數(shù)字對(duì)象的“可見性事件數(shù)據(jù)”。它的主要用例是供應(yīng)鏈可追溯性，使貿(mào)易伙伴能夠在產(chǎn)品在整個(gè)供應(yīng)鏈中移動(dòng)時(shí)共享有關(guān)產(chǎn)品物理移動(dòng)和狀態(tài)的信息。它有助于回答“什么、地點(diǎn)、時(shí)間和原因”的問題，以滿足消費(fèi)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)確和詳細(xì)的產(chǎn)品信息的需求。一個(gè)新興的用例是物聯(lián)網(wǎng)。

CBV 提供用于填充 EPCIS 數(shù)據(jù)方案的核心語義，以確?？苫ゲ僮鞯臄?shù)據(jù)交換，減少不同企業(yè)表達(dá)共同意圖的方式的差異。

全球產(chǎn)品分類 （GPC） 和 SmartSearch – GPC 根據(jù)產(chǎn)品的基本屬性及其與其他產(chǎn)品的關(guān)系對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類。從野營設(shè)備到鞋類、家用電器到玩具，所有東西都有 GPC 標(biāo)準(zhǔn)。

SmartSearch 是 GS1 對(duì)schema.org的外部擴(kuò)展詞匯表，預(yù)計(jì)將提供更豐富的在線產(chǎn)品描述以用于網(wǎng)絡(luò)搜索。調(diào)和這兩個(gè)詞匯表之間的差異仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

全球數(shù)據(jù)同步網(wǎng)絡(luò) （GDSN） – GDSN 是一個(gè)基于 Internet 的可互操作網(wǎng)絡(luò)，使貿(mào)易伙伴能夠根據(jù)與貿(mào)易伙伴關(guān)系相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的全球注冊(cè)表同步符合 GPC 的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

EDI – GS1 EDI 為整個(gè)供應(yīng)鏈中發(fā)生的業(yè)務(wù)交易（包括訂單、裝運(yùn)和支付對(duì)象）的電子信息傳遞提供全球標(biāo)準(zhǔn)。GS1 具有三套免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)：EANCOM、XML 和 UN/CEFACT XML。

識(shí)別碼——識(shí)別碼是 GS1 結(jié)構(gòu)的全球唯一標(biāo)識(shí)符，用于公司、貿(mào)易項(xiàng)目、位置、容器和資產(chǎn)。它們用于 GS1 條碼和 EPC/RFID，并用于識(shí)別 EPCIS 事件和 EDI 交易中的對(duì)象。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 （IETF）

IETF （ IETF.org ） 是一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者、運(yùn)營商、供應(yīng)商和研究人員組成的全球社區(qū)，關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行和架構(gòu)演進(jìn)。IETF 的征求意見 （RFC） 文檔系列包含有關(guān) Internet 的技術(shù)和組織說明，并包括協(xié)議、程序和概念。

可擴(kuò)展供應(yīng)協(xié)議 （EPP） – EPP （RFC 5730-RFC 5734） 是一種應(yīng)用層、客戶端-服務(wù)器協(xié)議，用于供應(yīng)和管理存儲(chǔ)在共享中央存儲(chǔ)庫中的對(duì)象。該協(xié)議在 XML 中指定，定義了通用對(duì)象管理操作和將協(xié)議操作映射到對(duì)象的可擴(kuò)展框架。

EPP 協(xié)議套件當(dāng)前包含用于 Internet 域和主機(jī)對(duì)象類的基本協(xié)議規(guī)范和語義，以及與個(gè)人和組織相關(guān)聯(lián)的“聯(lián)系人”標(biāo)識(shí)符。EPP 最初的開發(fā)目的是使銷售在線身份服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)商能夠更有效地訪問中央域名注冊(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)需要確定時(shí)，可以開發(fā)其他對(duì)象類別的規(guī)范。

互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)委員會(huì) （IAB） 為 IETF 提供架構(gòu)監(jiān)督。2016 年，IAB 組織了 IoT 語義互操作性 （IOTSI） 研討會(huì)，以評(píng)估當(dāng)前元數(shù)據(jù)模型中的差距。

對(duì)象管理組 （OMG）

OMG （ OMG.org ） 專注于支持軟件互操作性的建模和基于模型的標(biāo)準(zhǔn)。OMG 管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 （IIC） 并開發(fā)了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS），它是 IIC 連接框架內(nèi)的“核心連接標(biāo)準(zhǔn)”。OMG 還管理用于建模應(yīng)用程序、業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一建模語言 （UML）。

OMG 的醫(yī)療保健領(lǐng)域工作組正在開發(fā)一套與健康七級(jí) （HL7） 相一致的醫(yī)療保健互操作性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)模型驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，支持傳統(tǒng)接口協(xié)議，同時(shí)與當(dāng)前的行業(yè)最佳實(shí)踐保持一致。

2017 年，OMG 承擔(dān)了美國零售聯(lián)合會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) （ARTS） 的所有權(quán)和管理權(quán)，并創(chuàng)建了一個(gè)新的 ARTS 零售領(lǐng)域工作組。這些標(biāo)準(zhǔn)包括 ARTS 數(shù)據(jù)模型、UnifiedPOS、POSlog、A2A 消息傳遞和 BPM。

ARTS 操作數(shù)據(jù)模型 （ODM） – ARTS ODM 是一種關(guān)系數(shù)據(jù)模型，它包含支持零售業(yè)務(wù)運(yùn)營的數(shù)百個(gè)事務(wù)和主數(shù)據(jù)對(duì)象類。

UnifiedPOS （UPOS） – UPOS 是一項(xiàng)全球采用的互操作性標(biāo)準(zhǔn)，包括針對(duì) 30 多個(gè)銷售點(diǎn) （POS） 外圍設(shè)備類（例如，收銀機(jī)、收據(jù)打印機(jī)等）的 UML 定義的數(shù)據(jù)模型。這些數(shù)據(jù)模型在 UPOS 控制和服務(wù)層內(nèi)是可互操作的。

開放連接基金會(huì) （OCF）

OCF（OpenConnectivity.org）已成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最大的工業(yè)連接和互操作性標(biāo)準(zhǔn)組織之一，擁有超過 300 家成員公司。OCF 由開放互連聯(lián)盟 （OIC） 和 AllSeen 聯(lián)盟于 2016 年合并而成。在合并之前，OIC 收購了 UPnP 論壇的資產(chǎn)，該論壇制定了 UPnP 管理和控制規(guī)范。

OCF 規(guī)范涉及與 Zigbee Dotdot 相同的互操作性層，并包括具有 RESTful 交互的通用資源和安全模型。IoTivity 是 OCF 規(guī)范的開源參考實(shí)現(xiàn)。

模型 ——OCF 的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) （P2P） RESTful 架構(gòu)基于創(chuàng)建、讀取、更新、刪除、通知 （CRUDN） 操作，使用簡單、開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（模型）進(jìn)行安全通信，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述了基本資源和設(shè)備由這些資源組成。oneIoTa 是一個(gè)開放工具，用于開發(fā)和管理 OCF 和其他組織的模型以及它們之間的映射。雖然 OCF 已經(jīng)為支持家庭和建筑用例的設(shè)備類開發(fā)了自己的模型，但它正在與個(gè)人互聯(lián)健康聯(lián)盟 （PCHA） 的醫(yī)療保健和 EEBus 能源合作。

干草堆項(xiàng)目

Project Haystack （ Project-Haystack.org ） 是一個(gè)開源社區(qū)，致力于解決應(yīng)用層內(nèi)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)建模挑戰(zhàn)。它開發(fā)了數(shù)據(jù)建模方法、標(biāo)記庫（分類法）、REST 通信協(xié)議和參考實(shí)現(xiàn)。

Project-Haystack 的愿景是通過創(chuàng)建一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法來定義“數(shù)據(jù)語義”以及相關(guān)服務(wù)和 API 以使用和共享數(shù)據(jù)及其語義描述符，從而簡化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的使用。

標(biāo)簽——Project Haystack 采用了一種簡單、靈活的標(biāo)簽方法，可用于從 Excel 電子表格和 CSV 文本文件到嵌入式設(shè)備中的數(shù)據(jù)表、XML 表示、Web 服務(wù)等的媒體。

Schema.org

Schema.org由搜索引擎運(yùn)營商于 2011 年推出，旨在為網(wǎng)頁上的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)標(biāo)記創(chuàng)建和管理一組通用語義模式。標(biāo)記使搜索引擎能夠按定義的實(shí)體、它們的屬性和關(guān)系來搜索和聚合 Web 內(nèi)容。

本體 – Schema.org的本體最初是為基于頂級(jí)對(duì)象類的常見 Web 內(nèi)容而開發(fā)的。越來越重視通過廣泛的社區(qū)合作網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的本體擴(kuò)展。與作為 schema.org 本身的一部分進(jìn)行審查、版本控制和發(fā)布的托管擴(kuò)展（例如bib.schema.org、 auto.schema.org等）不同，schema.org 的外部擴(kuò)展（例如gs1.org/ voc/用于豐富的產(chǎn)品描述）是完全獨(dú)立的，并且有自己的工作流程、審查流程和基礎(chǔ)設(shè)施。

提議的iot.schema.org托管擴(kuò)展旨在將 IoT 和非 IoT 語義詞匯合并到一個(gè)可持續(xù)且可擴(kuò)展的本體中，從而強(qiáng)制將 IoT 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與使用數(shù)據(jù)的工具、產(chǎn)品和應(yīng)用程序分離。

公開組

The Open Group （ OpenGroup.org ） 管理企業(yè)架構(gòu)框架的 The Open Group Architecture Framework （TOGAF） 標(biāo)準(zhǔn)，并為其 500 多個(gè)成員組織提供論壇，以促進(jìn)基于開放標(biāo)準(zhǔn)和全球互操作性的企業(yè)集成。

開放團(tuán)體醫(yī)療保健論壇旨在促進(jìn)互操作性以交換關(guān)鍵的健康和醫(yī)療保健數(shù)據(jù)?？紤]到移動(dòng)性、分析、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的融合，開放平臺(tái) 3.0 論壇正在開發(fā)數(shù)字平臺(tái)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。

開放數(shù)據(jù)元素框架 （O-DEF） – O-DEF 是一個(gè)總體語義框架，可以將行業(yè)特定的語義標(biāo)準(zhǔn)作為“插件”來適應(yīng)。它的“核心索引”包括頂級(jí)對(duì)象類、屬性（屬性）和數(shù)據(jù)類型。Open Group 和其他組織開發(fā)的插件可以擴(kuò)展“核心索引”以支持特定的用例和行業(yè)。

開放數(shù)據(jù)框架 （O-DF） – O-DF 是開放組物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持可互操作的數(shù)據(jù)交換。對(duì)象標(biāo)識(shí)符使得鏈接可能位于不同信息系統(tǒng)中的單個(gè)事物的數(shù)據(jù)成為可能。

Zigbee 聯(lián)盟

Zigbee （ Zigbee.org ） 長期以來一直與其基于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的網(wǎng)絡(luò)堆棧相關(guān)聯(lián)，現(xiàn)在稱為“Zigbee PRO”。ZigBee 規(guī)范定義的技術(shù)旨在比藍(lán)牙或 Wi-Fi 等其他無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （WPAN） 更簡單、更便宜。2013年，針對(duì)智能電網(wǎng)市場增加了基于6LoWPAN的“Zigbee IP”。還有“Zigbee RF4CE”，它為消費(fèi)者環(huán)境提供射頻控制。Zigbee 擁有 400 多家成員公司和 1，300 多種使用其技術(shù)的認(rèn)證產(chǎn)品。

集群庫 – Zigbee 集群庫 （ZCL） 定義和分類大量設(shè)備將如何互操作并代表 10 多年的協(xié)作工作。該目錄提供了設(shè)備 屬性的細(xì)粒度分類，涵蓋了廣泛的設(shè)備類別（例如，HVAC、照明等）和行業(yè)（例如，家庭和建筑、零售、醫(yī)療保健、能源等）。

Dotdot – Zigbee 聯(lián)盟最近宣布了一種名為 Dotdot 的新“物聯(lián)網(wǎng)通用語言”，以將 ZCL 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與連接層分離。Dotdot 的 ZCL 遺產(chǎn)使 Zigbee 在定義應(yīng)用程序?qū)觾?nèi)的對(duì)象和操作方面有了很大的領(lǐng)先優(yōu)勢。

這些應(yīng)用層定義與網(wǎng)絡(luò)和物理層連接的分離是很重要的。在此之前，擁有“Zigbee 認(rèn)證產(chǎn)品”意味著它在應(yīng)用層以及 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)和物理層都符合要求?，F(xiàn)在，有可能擁有在應(yīng)用層兼容但具有不同物理層的 Dotdot 兼容設(shè)備。

Zigbee 已開始展示 Dotdot 跨不同連接堆棧的互操作性（如圖 14 所示），在 CES 2017 上使用 Dotdot 初步演示了基于 Thread 的設(shè)備。可以想象，消費(fèi)者可以在應(yīng)用層，即使它們不使用相同的連接技術(shù)。在實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要 TCP/IP 級(jí)別的某種網(wǎng)關(guān)設(shè)備，以使 Dotdot 適應(yīng)正在使用的每個(gè)連接層。這種“TCP/IP 級(jí)別的協(xié)議收斂”模式是應(yīng)用層的共同主題。

將應(yīng)用層互操作性與連接層分離的一個(gè)有趣結(jié)果是“標(biāo)識(shí)混淆”。例如，智能照明產(chǎn)品需要兩項(xiàng)認(rèn)證：一項(xiàng)針對(duì)“Thread Certified Component”，另一項(xiàng)針對(duì)“Dotdot”。如果我們希望電燈開關(guān)直接與燈具通信，我們就必須尋找兩個(gè)標(biāo)志來匹配。這種“雙標(biāo)”的局面是否會(huì)擾亂市場還有待觀察。

圖 14.聯(lián)盟轉(zhuǎn)向可互換的連接層。

審核編輯：郭婷