IOT語義互操作性之API接口

作者：老曹 2018-03-21 16:38:19

考慮到物聯(lián)網(wǎng)的大量數(shù)據(jù)以及對實(shí)時通信流的需求, Gartner 預(yù)測, 到2022年, 75% 的企業(yè)生成的數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)中心或云以外創(chuàng)建和處理。很明顯, 只有云計(jì)算的方法不再能夠跟上必要的體積、延遲、可靠性和安全性的挑戰(zhàn)。

這個系列文章描述了一個單一的語義數(shù)據(jù)模型來支持物聯(lián)網(wǎng)和建筑、企業(yè)和消費(fèi)者的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這種模型必須簡單可擴(kuò)展, 以便能夠在各行業(yè)領(lǐng)域之間實(shí)現(xiàn)插件化和互操作性。對于一個目前從事智能硬件的老碼農(nóng)，覺得這些文字具有積極的參考意義。這一部分討論通用的數(shù)據(jù)格式和應(yīng)用程序編程接口(API)，以及如何利用這些共同的本體。

當(dāng)你剛開始嘗試解決一個問題時,

你提出的***個解決方案是非常復(fù)雜的,

大多數(shù)人都會停下來。但是如果你堅(jiān)持下去,

面對這個問題, 剝掉更多的洋蔥層,

你會經(jīng)常得到一些非常優(yōu)雅和簡單的解決方案。

大多數(shù)人只是沒有時間和精力去那里。 ————史蒂夫 · 喬布斯

在對象世界中管理數(shù)據(jù)

在新興的數(shù)字世界中, 數(shù)十億人、系統(tǒng)和設(shè)備將實(shí)時互動, 需要在分布式數(shù)據(jù)管理、互操作性和基于規(guī)則的事件處理方面采取新的破壞性創(chuàng)新方法。

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除了統(tǒng)一本體論、"物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)"和"業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)"聯(lián)盟之外, 還需要匯聚在一個共同的數(shù)據(jù)交換格式和 API 模型上, 以支持基礎(chǔ)廣泛的跨行業(yè)領(lǐng)域用例之間的插件和播放互操作性。

分布式數(shù)據(jù)管理和互操作性依賴于一個共同的本體(語義)和通用數(shù)據(jù)格式(用于語法) , 使服務(wù)能夠識別和解釋在連接系統(tǒng)之間交換的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

在本文中,"對象管理"是指在分布式環(huán)境中創(chuàng)建、存儲、更新、訪問和共享本體對象實(shí)例狀態(tài)的機(jī)制。

什么是服務(wù)？

"服務(wù)"一詞根據(jù)具體情況有不同的含義。因此, 圍繞服務(wù)的概念存在著一些混亂, 因?yàn)槿藗冊噲D區(qū)分應(yīng)用服務(wù)、域服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)服務(wù)等。在所有這些情況下,"服務(wù)"一詞是有效的, 但作用不同, 可以跨越應(yīng)用程序的所有層次[15]。

在領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)(DDD)中, 一個"域"服務(wù)以領(lǐng)域概念(本體類)為基礎(chǔ), 非常細(xì)粒度(如微服務(wù)) , 可以被認(rèn)為是一種過程的封裝。 "應(yīng)用程序"服務(wù)為域服務(wù)提供了一個托管環(huán)境, 并將域的功能作為一個 API 公開給外部服務(wù)。應(yīng)用程序服務(wù)根據(jù)一個公共信息模型的標(biāo)識值和原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(在上層本體中)。

在一個模糊世界的模型服務(wù)

一個分布式計(jì)算模型(如fog computing)可以通過提供一種標(biāo)準(zhǔn)的、通用的方式來管理、管理和分配必要的資源和服務(wù), 使數(shù)字世界具有功能性和互操作性, 從云到物聯(lián)系起來(圖50)。

圖50 語義互操作性和霧計(jì)算服務(wù)模型

該模型可以"混合"流行的體系結(jié)構(gòu)樣式(如 DDD、模型驅(qū)動設(shè)計(jì)、事件源和命令查詢責(zé)任分離CQRS)來定義一個可互操作系統(tǒng)系統(tǒng)中對象管理的簡單和可伸縮應(yīng)用服務(wù)。這些系統(tǒng)可以跨越物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、商業(yè)、車輛和城市的子系統(tǒng)。這些服務(wù)可以利用上層本體和信息模型(見第二部分)來支持系統(tǒng)連接、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換、事件和查詢處理、單元和標(biāo)識符轉(zhuǎn)換以及語義注釋。為了擴(kuò)展規(guī)模, 這些服務(wù)必須是穩(wěn)定, 不變而且獨(dú)立,從邊緣控制器到云服務(wù)器，可以嵌入到任何類型的機(jī)器。

該模型可以定義一組對象管理服務(wù)(類似于 IETF 的可擴(kuò)展供應(yīng)協(xié)議(EPP)) , 它們沒有明確地與特定對象綁定, 并且可以擴(kuò)展到所有本體類中的對象。雖然對象管理與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)相似, 但該服務(wù)模型可以代表類似于模型驅(qū)動開發(fā)編程中的元數(shù)據(jù)抽象。這些服務(wù)可以創(chuàng)建元數(shù)據(jù), 并在運(yùn)行時解釋該元數(shù)據(jù)。代表本體的元數(shù)據(jù)可以在一個完全抽象于任何編程環(huán)境的存儲庫中維護(hù)。底層代碼作為服務(wù)的平臺(例如 Mendix)可以利用這種服務(wù)模型, 在完全通過元數(shù)據(jù)解釋執(zhí)行的應(yīng)用程序之間提供固有的互操作性。

雖然服務(wù)和安全模型之間存在著很強(qiáng)的關(guān)系, 但是該系列中的這一部分將側(cè)重于與語義相關(guān)的服務(wù), 這與任何特定的安全模型無關(guān)。

有效消息載荷的網(wǎng)格

為了創(chuàng)造價值, 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)越來越多地在一個時間序列內(nèi)進(jìn)行時間戳標(biāo)注, 并在間隔或狀態(tài)變化時傳輸。隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用程序越來越以IOT為中心, 并圍繞事件驅(qū)動的架構(gòu), 來自業(yè)務(wù)事件的數(shù)據(jù)也可以構(gòu)建為一個時間序列。查詢響應(yīng)可以包括基于這些事件更改的設(shè)備和信息對象的當(dāng)前狀態(tài)。時間序列和查詢響應(yīng)數(shù)據(jù)代表了大多數(shù)分布式數(shù)據(jù)交換, 并且最有效地包含在網(wǎng)格(表格)結(jié)構(gòu)中。

一個網(wǎng)格(類似于Haystack網(wǎng)格)可以作為分布式數(shù)據(jù)管理的核心數(shù)據(jù)格式, 可以采用適合于特定通信協(xié)議的同步格式傳輸(圖51)。例如, 一個網(wǎng)格可以編碼為一個 JSON數(shù)組(二維) , 用于通過 HTTP 消息傳輸。或者它可以編碼為一個簡潔的二進(jìn)制對象識別(CBOR)數(shù)組, 用于通過 CoAP 傳輸。

圖51 連接系統(tǒng)交換序列化二維網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)

由組織機(jī)構(gòu)定義的數(shù)據(jù)交換服務(wù)支持的同步格式各不相同(圖52)。最初主要為服務(wù)器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的服務(wù)(GS1 EDI 和 IETF EPP)支持 XML, 而那些針對資源受限設(shè)備的服務(wù)支持更多的壓縮編碼格式(如 JSON 和 CBOR)。網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以被編碼到這些格式中的任何一個。

圖52 消息負(fù)載的數(shù)據(jù)序列化 / 編碼格式

應(yīng)用服務(wù)的通用 API 網(wǎng)關(guān)

通用的 API 網(wǎng)關(guān)可以在控制器設(shè)備中實(shí)現(xiàn), 作為連接系統(tǒng)所有入站消息的單一入口, 可以在控制器設(shè)備中實(shí)現(xiàn)一個通用 API 網(wǎng)關(guān), 作為連接系統(tǒng)所有入站消息的單一入口點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)可以對每個消息進(jìn)行身份驗(yàn)證, 并將去序列化的網(wǎng)格有效負(fù)載轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù), 這反過來又可以調(diào)用由網(wǎng)關(guān)處理生成出站消息的其他服務(wù)。

通過將一個普通的 API 作為所有控制器設(shè)備的前端, 可以抽象出不同設(shè)備類型和微服務(wù)分區(qū)的復(fù)雜性。然后, 該設(shè)備可以轉(zhuǎn)換為服務(wù)(device-as-a-service) , 并被其他服務(wù)使用。

基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的類型, 網(wǎng)關(guān)可以調(diào)用單獨(dú)的事件和查詢處理服務(wù)(類似于 CQRS 架構(gòu)) , 該服務(wù)可以更新和檢索在"事件存儲"中持久存在的對象的狀態(tài)(圖53)。

圖53 事件 / 查詢責(zé)任分離和與事件存儲的交互

一個時間序列的事件存儲

自動駕駛的 Teslas、自主的華爾街交易算法、智能家居和同一天訂單滿足服務(wù)有什么共同點(diǎn)？

這些應(yīng)用程序依賴于一種數(shù)據(jù)的形式, 這些數(shù)據(jù)可以測量事物隨著時間的變化, 時間不僅僅是一個度量, 而是一個主軸。這是時間序列數(shù)據(jù)。它開始在我們的世界中發(fā)揮更大的作用, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳感器數(shù)據(jù)流的范圍。事實(shí)上, 時間序列數(shù)據(jù)庫(TSDBs)已經(jīng)成為增長最快的數(shù)據(jù)庫類別之一, 可以有效地索引、查詢、共享和分析。

當(dāng)應(yīng)用于"事件源"的概念時, 可以將 TSDB 視為一個"事件存儲", 它將對象狀態(tài)作為一個時間序列中的一系列狀態(tài)變化事件。當(dāng)一個對象的狀態(tài)發(fā)生變化時, 一個新的事件被追加到事件存儲中, 這是原子本質(zhì)。通過禁止事件的更改或刪除, 事件存儲可以提供對對象進(jìn)行所有更改的可靠審計(jì)日志。

在圖54中, 一個事件存儲從9 / 18的一個事件中反映了 Location 對象(實(shí)例)的創(chuàng)建, 該事件在9 / 18日02:15分分配給新對象的所有方。該事件還為該對象指定了一個標(biāo)識符和類, 這是它的主鍵。這個密鑰包含在隨后的所有事件中, 這些事件通過給屬性賦值來改變對象的狀態(tài)。位置對象的當(dāng)前狀態(tài)可以從對象的每個屬性***事件派生出來。

圖54 通過在事件存儲中的時間序列事件獲取 Location 實(shí)例(對象)的當(dāng)前狀態(tài)

事件可以通過將一個布爾值分配給根對象類的"已刪除"屬性, 從而刪除(或刪除)對象。通過這種方法, 事件和事件處理可以有效地創(chuàng)建、更新和刪除對象, 取代對單獨(dú)命令和命令處理的需求(讀取可以通過查詢和查詢處理來處理)。

區(qū)塊鏈還是事件存儲

區(qū)塊鏈和事件存儲都是數(shù)據(jù)存儲機(jī)制, 它們可以提供分布式環(huán)境中對象狀態(tài)變化的附加審計(jì)線索。

雖然區(qū)塊鏈正在享受最近的炒作, 但事件存儲 / 事件訂閱方法可以提供許多封鎖鏈承諾的好處, 沒有開銷、社區(qū)建設(shè)和成為礦工的風(fēng)險。

區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诜诸愘~和交易的概念, 這些概念非常適用于金融業(yè)。然而, 這些概念是否非常適合于支持一個可互操作的設(shè)備系統(tǒng)呢？

"混合"可伸縮的方法可以結(jié)合事件存儲中面向?qū)ο笫录牧６扰c區(qū)塊鏈的反篡改驗(yàn)證結(jié)合起來。

事件處理服務(wù)

代表時間序列事件的網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以結(jié)構(gòu)化為一種通用格式, 使所有事件消費(fèi)應(yīng)用和在控制器設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的域服務(wù)進(jìn)行高效處理。這個通用事件格式可以支持反映對象狀態(tài)(屬性值)更改的設(shè)備和業(yè)務(wù)事件。圖55中的頂部網(wǎng)格在這種格式中顯示了人可讀的值, 但實(shí)際值可以反映底部網(wǎng)格所示的機(jī)器可讀標(biāo)識符。

圖55 使用事件處理服務(wù)來從公共格式中保持時間序列事件

通用 API 網(wǎng)關(guān)可以調(diào)用事件處理服務(wù)來處理入站的時間序列事件, 并可以向連接控制器系統(tǒng)發(fā)布出站事件。

事件處理器可以根據(jù)所有系統(tǒng)進(jìn)程(例如微服務(wù))的規(guī)則對事件進(jìn)行處理, 這些事件可以發(fā)出新的事件(包括與 OCF post / response 類似的確認(rèn)事件)。事件處理器可以將事件發(fā)布到事件存儲中以保持狀態(tài)(類似于 Haystack 的寫操作)。

一個基于上層本體的數(shù)據(jù)地圖可以被一個事件處理器引用, 該處理器接收來自稀缺資源的傳感器數(shù)據(jù)。然后, 事件處理器可以用數(shù)據(jù)映射實(shí)例中包含的語義來注釋從傳感器接收到的語義, 以在公共事件格式中填充所有元數(shù)據(jù)(圖56)。

圖56 使用事件處理服務(wù)和上層本體來注釋時間序列語義

這個注釋可以包括將特定于聯(lián)營集團(tuán)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為通用事件格式(圖57)。例如, 一個溫度傳感器可以提交一個分隔的名稱 / 值對的集合, 這些名稱 / 值對提供了除了值之外的語義。這些數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為僅包含值側(cè)的網(wǎng)格, 因?yàn)榫W(wǎng)格列定位對應(yīng)于特定的數(shù)據(jù)元素。

圖57 使用事件處理服務(wù)將不同的事件格式轉(zhuǎn)換為通用格式

一個事件處理器可以參考系統(tǒng)屬性(圖58) , 該上層本體定義了讀 / 寫設(shè)置(類似 OCF 的只讀屬性)。基于這些設(shè)置, 事件處理器可以監(jiān)視(讀)和(寫)與控制器相連的組件設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖58 使用事件處理服務(wù)獲取 / 設(shè)置基于系統(tǒng)屬性實(shí)例的讀 / 寫設(shè)置的風(fēng)扇速度

例如, 如果一個系統(tǒng)屬性可以同時讀取和寫入風(fēng)扇的速度屬性, 那么事件處理器可以從風(fēng)扇中檢索當(dāng)前值(類似于 OCF get) , 并根據(jù)時間序列事件設(shè)置其值(類似于 OCF post)。

基于發(fā)布/訂閱的系統(tǒng)連接

事件存儲可以作為"服務(wù)注冊表", 存儲定義系統(tǒng)連接和連接系統(tǒng)屬性的事件。以上層本體為模型的系統(tǒng)連接可以表示實(shí)時數(shù)據(jù)訂閱(類似于 Haystack 的"watch")。當(dāng)一個設(shè)備用另一個設(shè)備啟動系統(tǒng)連接(EPP 會話)時, 該設(shè)備可以響應(yīng)其系統(tǒng)屬性。設(shè)備可以交換包含系統(tǒng)之間共同屬性的事件和查詢。這些屬性代表系統(tǒng)進(jìn)程的內(nèi)部輸入 / 輸出。

圖59 使用事件存儲(注冊表)的事件處理服務(wù), 向具有共同屬性的連接系統(tǒng)發(fā)布事件

例如, 控制器的 HVAC 系統(tǒng)可以連接到另一個控制器的氣流控制系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)都可以引用在一個公共本體中定義的"風(fēng)扇"設(shè)備的"速度"屬性。 HVAC系統(tǒng)的一個過程(域微服務(wù))可以產(chǎn)生一個時間序列事件, 當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(如氣溫變化)時, 可以改變風(fēng)扇速度。系統(tǒng)控制器的事件處理器可以將此事件發(fā)布到 Airflow 控制系統(tǒng)控制器, 該控制器調(diào)用其事件處理器來改變連接風(fēng)扇電機(jī)的速度。

數(shù)字雙胞胎的狀態(tài)管理

從設(shè)計(jì)到預(yù)測分析,"數(shù)字雙胞胎"的使用正變得越來越普遍。這個概念非常簡單——基本上, 雙胞胎指的是一個實(shí)際物理資產(chǎn)的動態(tài)軟件模型(數(shù)字實(shí)例化)。該模型能夠?qū)崟r公開設(shè)備及其連接系統(tǒng)的內(nèi)部工作, 并與其進(jìn)行實(shí)時交互。數(shù)字雙胞胎可以整合感官和上下文信息, 使各組織能夠從資產(chǎn)信息中受益。最終的結(jié)果是有可能創(chuàng)造更高的資產(chǎn)業(yè)績, 并使制造商能夠管理服務(wù)設(shè)備。

一個由對象管理服務(wù)組成的共同服務(wù)模型可以通過支持同步和發(fā)布狀態(tài)變化來管理數(shù)字雙胞胎的狀態(tài)(類似于 Eclipse Ditto)。

查詢處理服務(wù)

網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以表示查詢請求和響應(yīng)。查詢請求可以結(jié)構(gòu)化為一種通用格式, 使得應(yīng)用程序服務(wù)可以在控制器設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。

通用 API 網(wǎng)關(guān)，可以調(diào)用查詢處理服務(wù)來處理在公共查詢格式中的入站查詢請求(圖60)。查詢處理器可以從符合查詢條件的事件存儲中檢索相關(guān)對象的當(dāng)前狀態(tài), 并將出站查詢響應(yīng)返回到請求服務(wù)。

圖60 使用查詢處理服務(wù)和通用查詢格式從事件存儲中檢索對象狀態(tài)

查詢處理器可以在上層本體中引用詞匯條款(圖61) , 為全局應(yīng)用程序提供多國家語言支持。通用查詢格式可以包含一個元素, 該元素指定查詢響應(yīng)中所包含數(shù)據(jù)的人類語言。例如, 如果圖61中所示查詢指定了"西班牙語"語言, 則在響應(yīng)網(wǎng)格中返回的樓層名稱將以西班牙語而不是英文出現(xiàn)。

圖61 使用查詢處理服務(wù)和上層本體檢索請求語言中的詞匯項(xiàng)

用于標(biāo)識符轉(zhuǎn)換的服務(wù)

應(yīng)用程序服務(wù)可以在上層本體中引用屬性和單元(圖62) , 以轉(zhuǎn)換包含在時間序列事件中的備用標(biāo)識符。

圖62 使用應(yīng)用程序服務(wù)和上層本體在時間序列事件中轉(zhuǎn)換備用標(biāo)識符

例如, 事件處理器可以調(diào)用一個服務(wù)來轉(zhuǎn)換由屬性標(biāo)識符限定的替代單元標(biāo)識符(如 "degF")。該服務(wù)可以引用該單元對象, 該對象包含帶有交替標(biāo)識符("degF")的標(biāo)識屬性("ISO 代碼")。該服務(wù)可將事件中單位標(biāo)識符的值轉(zhuǎn)換為單元對象的主標(biāo)識符(例如 0 華氏度)。

另一個例子是, 轉(zhuǎn)換服務(wù)可以在 RFID 傳感器生成的時間序列事件中轉(zhuǎn)換用于識別"對象"和"值"元素的替代標(biāo)識符。圖63中的"價值"元素包含一個可交替的位置識別號("0123456789012") , 該標(biāo)識符符合 GS1的 EPCIS 標(biāo)準(zhǔn)(例如"urn: epc: id: sgln")。轉(zhuǎn)換服務(wù)可以引用位置對象, 其中包含帶有備用標(biāo)識符("012345...")的標(biāo)識屬性("GLN")。該服務(wù)可將事件中的"Value"元素轉(zhuǎn)換為 Location 對象的主標(biāo)識符("3100 Main...")。

圖63 將 GS1 EPCIS 事件與通用事件格式對齊并轉(zhuǎn)換 GS1鍵

單位轉(zhuǎn)換服務(wù)

應(yīng)用程序服務(wù)可以參考以上層本體為模型的測量單位, 以轉(zhuǎn)換包含在時間序列事件中的"Unit"和"Value"元素。

例如, 一個事件處理器可以通過引用相關(guān)單元對象的"轉(zhuǎn)換因子"和"偏移"屬性值, 從而將圖64中的溫度值("77.4")從華氏轉(zhuǎn)換為攝氏。

圖64 利用應(yīng)用服務(wù)和上層本體在時間序列事件中轉(zhuǎn)換測量值和單位

領(lǐng)域特定本體的領(lǐng)域微服務(wù)

雖然應(yīng)用程序服務(wù)的目的是穩(wěn)定和不變的, 但隨著流程和規(guī)則的演變, 可以動態(tài)地實(shí)現(xiàn)域微服務(wù), 以有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有者(當(dāng)事方)的目標(biāo)。

每個系統(tǒng)都可以包含一個微服務(wù)集合(過程和規(guī)則的封裝) , 其中引用了特定領(lǐng)域本體中的屬性(例如, 醫(yī)療、零售、智能建筑等)。這些狹義的、合作的微服務(wù)可以根據(jù)規(guī)則消耗時間序列事件, 并從它們的行動中產(chǎn)生時間序列事件。

事件處理器可以為復(fù)雜事件處理協(xié)調(diào)域微服務(wù)的執(zhí)行。

圖65提供了一個域微服務(wù)的例子, 該服務(wù)可以引用在特定領(lǐng)域本體中建模的場景定義, 以根據(jù)觸發(fā)事件(如時間變化)改變位置的"場景"。

圖65 使用域服務(wù)和本體來改變辦公室套件中的"場景"

另一個域微服務(wù)可以引用以公共業(yè)務(wù)本體為模型的業(yè)務(wù)信息對象, 以生成事件來定義基于故障設(shè)備觸發(fā)事件的替換順序(圖66)。同樣的控制器可以改變連接元件(圖論)設(shè)備(如傳感器和執(zhí)行器)的狀態(tài), 也可以用來改變信息對象(如訂單)與連接業(yè)務(wù)系統(tǒng)的狀態(tài)。