應用層提供互操作性的標準和開源計劃

這個由多部分組成的系列解決了對支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 以及建筑物、企業(yè)和消費者的數(shù)字化轉型的單一語義數(shù)據(jù)模型的需求。這樣的模型必須簡單且可擴展，以實現(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，我們確定了在應用層提供互操作性的現(xiàn)有行業(yè)標準和開源方法。

在此處導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)務與設備本體的交集

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

“標準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，你可以等待明年的模型。” ——安德魯·塔南鮑姆

社區(qū)驅動的元數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)方法

我們都已經(jīng)習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代——我們一直在等待的物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。

到目前為止，您可能認為我們已經(jīng)確定了物聯(lián)網(wǎng)設備的通用連接層，但有些技術因素對尋找通用的可互操作連接解決方案構成了相當大的挑戰(zhàn)。成本、無線電范圍、數(shù)據(jù)速率和功耗之間的權衡使得很難找到一個萬能的答案。

連接層中涉及的許多“物聯(lián)網(wǎng)標準”聯(lián)盟正在走向制高點（應用層，一切都是軟件，物理定律不適用［6］）。雖然應用層內的設備互操作性尚未成熟，但該層內的企業(yè)對企業(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)標準”和“業(yè)務標準”聯(lián)盟在應用層內的互操作性中心點匯聚。對于可管理性，本系列將重點關注九個聯(lián)盟的語義互操作性方法，它們共同：

跨越 OSI 模型的連接層和應用層（圖 12）

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

圖 12. OSI 層內的聯(lián)盟互操作性方法。

圖 13.按行業(yè)劃分的聯(lián)盟語義工作。

藍牙

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

藍牙網(wǎng)絡建立后，一個設備充當主設備，而所有其他設備充當從設備?；舅俾?增強數(shù)據(jù)速率 （BR/EDR） 版本，藍牙“經(jīng)典”，針對以節(jié)能方式發(fā)送穩(wěn)定的高質量數(shù)據(jù)流（即音樂）進行了優(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——為了使兩個藍牙設備能夠互操作，它們必須支持相同的配置文件。藍牙有自己的一套應用層配置文件，目前圍繞著傳統(tǒng)上由藍牙經(jīng)典實現(xiàn)的熟悉的“外圍”角色（即耳機、揚聲器、鼠標）。藍牙智能支持 GATT 配置文件，將角色和用例擴展到個人健身和醫(yī)療保健（例如，血壓、心率傳感器、溫度計、體重秤）。GATT 定義了一個分層數(shù)據(jù)結構，該結構暴露給連接的藍牙智能設備。每個配置文件都描述了基于 GATT 功能的用例、角色和一般行為。

雖然當今市場上有藍牙智能照明產品，但沒有標準化的應用層協(xié)議來提供多供應商互操作性。但藍牙 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)絡用例；隨之而來的肯定是一套擴展的 GATT 配置文件，從外圍設備到家庭和建筑用例，如照明、HVAC 等。

分配編號——藍牙將標識符分配給與供應（公司、設備）和語義（測量單位、數(shù)據(jù)類型）相關的各種對象。

GS1

GS1 （ GS1.org ） 是一個全球性組織，負責開發(fā)和維護世界上使用最廣泛的供應鏈標準體系。超過 100 萬用戶公司使用 GS1 標準在 150 個國家/地區(qū)每天執(zhí)行超過 60 億筆交易。

GS1 在應用層開發(fā)了幾個標準，支持關鍵業(yè)務信息的互操作交換，包括交易、產品和可見性事件數(shù)據(jù)。這些標準主要解決零售、醫(yī)療保健以及運輸和物流行業(yè)內的貿易伙伴之間的數(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。通過擴展其標準體系，GS1 可能在加快“事物”被有效識別、互連和互操作以成為行業(yè)全球業(yè)務、人員和事物語言的步伐方面發(fā)揮關鍵作用。

EPC 信息服務 （EPCIS），核心業(yè)務詞匯 （CBV） – EPCIS 是一項 GS1 標準，最初基于 RFID 技術，使不同的應用程序能夠創(chuàng)建和共享有關物理或數(shù)字對象的“可見性事件數(shù)據(jù)”。它的主要用例是供應鏈可追溯性，使貿易伙伴能夠在產品在整個供應鏈中移動時共享有關產品物理移動和狀態(tài)的信息。它有助于回答“什么、地點、時間和原因”的問題，以滿足消費者和監(jiān)管機構對準確和詳細的產品信息的需求。一個新興的用例是物聯(lián)網(wǎng)。

CBV 提供用于填充 EPCIS 數(shù)據(jù)方案的核心語義，以確保可互操作的數(shù)據(jù)交換，減少不同企業(yè)表達共同意圖的方式的差異。

全球產品分類 （GPC） 和 SmartSearch – GPC 根據(jù)產品的基本屬性及其與其他產品的關系對產品進行分類。從野營設備到鞋類、家用電器到玩具，所有東西都有 GPC 標準。

SmartSearch 是 GS1 對schema.org的外部擴展詞匯表，預計將提供更豐富的在線產品描述以用于網(wǎng)絡搜索。調和這兩個詞匯表之間的差異仍然是一個挑戰(zhàn)。

全球數(shù)據(jù)同步網(wǎng)絡 （GDSN） – GDSN 是一個基于 Internet 的可互操作網(wǎng)絡，使貿易伙伴能夠根據(jù)與貿易伙伴關系相關的數(shù)據(jù)存儲的全球注冊表同步符合 GPC 的產品數(shù)據(jù)。

EDI – GS1 EDI 為整個供應鏈中發(fā)生的業(yè)務交易（包括訂單、裝運和支付對象）的電子信息傳遞提供全球標準。GS1 具有三套免費標準：EANCOM、XML 和 UN/CEFACT XML。

識別碼——識別碼是 GS1 結構的全球唯一標識符，用于公司、貿易項目、位置、容器和資產。它們用于 GS1 條碼和 EPC/RFID，并用于識別 EPCIS 事件和 EDI 交易中的對象。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務組 （IETF）

IETF （ IETF.org ） 是一個由網(wǎng)絡設計者、運營商、供應商和研究人員組成的全球社區(qū)，關注互聯(lián)網(wǎng)的平穩(wěn)運行和架構演進。IETF 的征求意見 （RFC） 文檔系列包含有關 Internet 的技術和組織說明，并包括協(xié)議、程序和概念。

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

EPP 協(xié)議套件當前包含用于 Internet 域和主機對象類的基本協(xié)議規(guī)范和語義，以及與個人和組織相關聯(lián)的“聯(lián)系人”標識符。EPP 最初的開發(fā)目的是使銷售在線身份服務的互聯(lián)網(wǎng)注冊商能夠更有效地訪問中央域名注冊數(shù)據(jù)。當需要確定時，可以開發(fā)其他對象類別的規(guī)范。

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

對象管理組 （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準。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 （DDS），它是 IIC 連接框架內的“核心連接標準”。OMG 還管理用于建模應用程序、業(yè)務流程和數(shù)據(jù)結構的統(tǒng)一建模語言 （UML）。

OMG 的醫(yī)療保健領域工作組正在開發(fā)一套與健康七級 （HL7） 相一致的醫(yī)療保健互操作性標準，該標準提供了一個模型驅動的平臺，支持傳統(tǒng)接口協(xié)議，同時與當前的行業(yè)最佳實踐保持一致。

2017 年，OMG 承擔了美國零售聯(lián)合會技術標準 （ARTS） 的所有權和管理權，并創(chuàng)建了一個新的 ARTS 零售領域工作組。這些標準包括 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 是一種關系數(shù)據(jù)模型，它包含支持零售業(yè)務運營的數(shù)百個事務和主數(shù)據(jù)對象類。

UnifiedPOS （UPOS） – UPOS 是一項全球采用的互操作性標準，包括針對 30 多個銷售點 （POS） 外圍設備類（例如，收銀機、收據(jù)打印機等）的 UML 定義的數(shù)據(jù)模型。這些數(shù)據(jù)模型在 UPOS 控制和服務層內是可互操作的。

開放連接基金會 （OCF）

OCF（OpenConnectivity.org）已成為物聯(lián)網(wǎng)設備最大的工業(yè)連接和互操作性標準組織之一，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，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)范的開源參考實現(xiàn)。

模型 ——OCF 的點對點 （P2P） RESTful 架構基于創(chuàng)建、讀取、更新、刪除、通知 （CRUDN） 操作，使用簡單、開放的數(shù)據(jù)結構（模型）進行安全通信，這些數(shù)據(jù)結構描述了基本資源和設備由這些資源組成。oneIoTa 是一個開放工具，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備類開發(fā)了自己的模型，但它正在與個人互聯(lián)健康聯(lián)盟 （PCHA） 的醫(yī)療保健和 EEBus 能源合作。

干草堆項目

Project Haystack （ Project-Haystack.org ） 是一個開源社區(qū)，致力于解決應用層內樓宇自動化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)建模挑戰(zhàn)。它開發(fā)了數(shù)據(jù)建模方法、標記庫（分類法）、REST 通信協(xié)議和參考實現(xiàn)。

Project-Haystack 的愿景是通過創(chuàng)建一種標準化的方法來定義“數(shù)據(jù)語義”以及相關服務和 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。

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

Schema.org

Schema.org由搜索引擎運營商于 2011 年推出，旨在為網(wǎng)頁上的結構化數(shù)據(jù)標記創(chuàng)建和管理一組通用語義模式。標記使搜索引擎能夠按定義的實體、它們的屬性和關系來搜索和聚合 Web 內容。

本體 – Schema.org的本體最初是為基于頂級對象類的常見 Web 內容而開發(fā)的。越來越重視通過廣泛的社區(qū)合作網(wǎng)絡創(chuàng)建的本體擴展。與作為 schema.org 本身的一部分進行審查、版本控制和發(fā)布的托管擴展（例如bib.schema.org、 auto.schema.org等）不同，schema.org 的外部擴展（例如gs1.org/ voc/用于豐富的產品描述）是完全獨立的，并且有自己的工作流程、審查流程和基礎設施。

提議的iot.schema.org托管擴展旨在將 IoT 和非 IoT 語義詞匯合并到一個可持續(xù)且可擴展的本體中，從而強制將 IoT 數(shù)據(jù)結構與使用數(shù)據(jù)的工具、產品和應用程序分離。

公開組

The Open Group （ OpenGroup.org ） 管理企業(yè)架構框架的 The Open Group Architecture Framework （TOGAF） 標準，并為其 500 多個成員組織提供論壇，以促進基于開放標準和全球互操作性的企業(yè)集成。

開放團體醫(yī)療保健論壇旨在促進互操作性以交換關鍵的健康和醫(yī)療保健數(shù)據(jù)?？紤]到移動性、分析、云計算和物聯(lián)網(wǎng)的融合，開放平臺 3.0 論壇正在開發(fā)數(shù)字平臺的互操作性標準。

開放數(shù)據(jù)元素框架 （O-DEF） – O-DEF 是一個總體語義框架，可以將行業(yè)特定的語義標準作為“插件”來適應。它的“核心索引”包括頂級對象類、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)標準，支持可互操作的數(shù)據(jù)交換。對象標識符使得鏈接可能位于不同信息系統(tǒng)中的單個事物的數(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)絡堆棧相關聯(lián)，現(xiàn)在稱為“Zigbee PRO”。ZigBee 規(guī)范定義的技術旨在比藍牙或 Wi-Fi 等其他無線個人區(qū)域網(wǎng)絡 （WPAN） 更簡單、更便宜。2013年，針對智能電網(wǎng)市場增加了基于6LoWPAN的“Zigbee IP”。還有“Zigbee RF4CE”，它為消費者環(huán)境提供射頻控制。Zigbee 擁有 400 多家成員公司和 1，300 多種使用其技術的認證產品。

集群庫 – Zigbee 集群庫 （ZCL） 定義和分類大量設備將如何互操作并代表 10 多年的協(xié)作工作。該目錄提供了設備 屬性的細粒度分類，涵蓋了廣泛的設備類別（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 標準規(guī)范與連接層分離。Dotdot 的 ZCL 遺產使 Zigbee 在定義應用程序層內的對象和操作方面有了很大的領先優(yōu)勢。

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

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 的設備?？梢韵胂?，消費者可以在應用層，即使它們不使用相同的連接技術。在實踐中，實現(xiàn)這一點需要 TCP/IP 級別的某種網(wǎng)關設備，以使 Dotdot 適應正在使用的每個連接層。這種“TCP/IP 級別的協(xié)議收斂”模式是應用層的共同主題。

將應用層互操作性與連接層分離的一個有趣結果是“標識混淆”。例如，智能照明產品需要兩項認證：一項針對“Thread Certified Component”，另一項針對“Dotdot”。如果我們希望電燈開關直接與燈具通信，我們就必須尋找兩個標志來匹配。這種“雙標”的局面是否會擾亂市場還有待觀察。

圖 14.聯(lián)盟轉向可互換的連接層。

審核編輯：郭婷