可靠物联网网关的实验研究

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 4（2018）130-133www.elsevier.com/locate/icte一种可靠物联网网关Byungseok Kanga，Hyunseung Choob，a韩国首尔世宗大学数据科学系，邮编：05006b韩国水原成均馆大学计算机科学与工程系，邮编440-746。接收日期：2016年9月13日;接收日期：2017年3月6日;接受日期：2017年4月15日2017年4月27日在线发布摘要物联网（IoT）将包括专门为IoT兼容性而设计的新设备，以及目前已经存在并在IoT网络之外运行的系统。然而，创建互连设备的云网络的路径需要一种方法，用于非基于IP的设备连接，而不必承担带有附带协议栈的完整以太网或WiFi接口的成本。这可以通过使用物联网网关来实现，物联网网关将这些设备连接到现实应用环境中的互联网。在本文中，我们介绍了一个可靠的和可自配置的物联网网关的实验研究，在实验室测试平台上开发的IoTivity框架。c2017年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：物联网;物联网网关;智能网关;可靠性1. 介绍已 经开 展了 许多 工作 来推 进业 务领 域中 的物 联网（IoT）技术[1，2]，因为通过连接端点设备来实现系统可靠性，自动化和集中管理所获得的价值。虽然是为商业应用开发的，但其中许多进步适用于所有类型的智能系统，包括可穿戴设备、手机、医疗设备、安全设备以及云和深度学习系统[3，4]。对于工程师来说，设计物联网的最大挑战是可靠性[5，6]。实现对互联网或广域网的可靠和安全访问超出了他们的经验范围为了使设计变得更加困难，开发人员需要支持对多个处理能力有限的设备的访问。可靠性也必须以一种不会对整体成本效率产生不利影响的方式增加[7网关必须支持的端点的多样性也引起了设计问题[10，11]A的直接连接*通讯作者。电子邮件地址：bskang@sejong.ac.kr（B. Kang），choo@skku.edu（H.Choo）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责。将诸如湿度传感器之类的简单设备连接到互联网可能是复杂和昂贵的，特别是如果该设备没有自己的处理器的话。此外，不同类型的终端设备支持不同的接口。从一组不同的节点收集和聚合数据需要一种方法，用于以一致和可靠的方式将具有一系列处理能力和接口的设备桥接在一起[12，13]。网关提供了一种简化“事物”联网的优雅方式。它们通过支持不同的设备连接方法来实现这一点原始传感器，来自编码器的I2C数据流，或通过WiFi从设备定期更新。网关通过整合来自不同来源和接口的数据并将其桥接到Internet，有效地减少了设备的种类和多样性。其结果是，各个节点不需要承担高速互联网接口的复杂性或成本，以便连接。物联网网关是基于物联网平台的智能组件[14，15]。它通常在机器对机器（M2M）设备的网络和远程对等体（例如，客户端）通过互联网。网关的基本目标是解决不同端点网络与Internet之间的异构性，加强对端点网络的管理，并在传统Internet与http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.04.0022405-9595/c2017韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。B.康，H. Choo / ICT Express 4（2018）130-133131端点网络。由于最先进的物联网网关[16，17]旨在连接到移动和无线网络，因此它们强调在智能设备和用户云之间提供灵活的连接此外，它们可以灵活地配置不同的协议就绪模块，以与终端节点或I/O设备通信。然而，当前的物联网网关[14]被动或半自动地运行。这意味着，当用户购买新的IoT设备时，他/她使用设置手册手动安装设备。之后，物联网网关询问用户是否应该注册新设备为了解决这个问题，本文提出了一种适用于小规模物联网环境的可靠物联网网关当用户将新设备带入家中时，物联网网关会自动检测到该新设备并自行注册如果用户从家中丢弃旧设备，智能物联网网关会自动从设备列表中删除该设备。在我们的系统中，用户不必担心注册和安装新的物联网设备。在下面的部分中，我们将详细介绍我们提出的自配置物联网网关。第3节介绍了试验台的开发。最后，我们在第4节中总结了本文。2. 自配置物联网网关目前可用的物联网网关允许用户配置一些属性，例如电视频道，灯光，冰箱等。然而，未来的智能家居，特别是那些基于软件定义网络的智能家居，很可能会有非常丰富的配置控制。这项研究的目标是开发算法，使物联网网关能够自动配置自己。我们提出了一个初步的研究自动配置，考虑两个属性：动态发现和自动注册。我们使用IoTivity框架设计了物联网网关[18]。IoTivity的交互模型类似于HTTP的客户端/服务器模型，并使用CoAP协议进行设备到设备（D2 D）通信。我们使用选项和有效载荷字段来收集每个设备的属性信息。报头中的CoAP字段的详细信息在IETF RFC文档[19]中定义。然而，D2D交互通常导致IoTivity实现以客户端和服务器角色两者起IoTivity操作等同于HTTP的操作，并且由客户端发送以请求对服务器上的资源（由URI标识）然后服务器发送一个带有响应代码的响应;这个响应包括一个资源表示。IoTivity使用GET、PUT、POST、POST和OBSERVE操作，其方式类似于HTTP的语义。我们修改了现有的“OB-SERVE”操作并创建了一个新的操作“INIT”。各操作的详细说明如下：GET检索当前对应于请求URI所标识的资源的信息的表示。如果请求包含接受选项，则表示响应的首选内容格式。如果请求包含ETag选项，则此方法请求验证ETag并且只有在验证失败时才传输表示。POST请求处理请求中包含的表示。此方法执行的实际功能由源服务器确定，并取决于目标设备。它通常会导致创建新的IoT设备或更新目标设备PUT请求用所附的表示更新或创建由请求URI标识的资源。表示格式由内容格式选项中给出的媒体类型和内容编码（如果提供）指定。防毒墙网络版请求删除由请求URI标识的资源。一个2.02（删除）的响应代码应使用成功或在情况下，资源不存在之前的请求。OBSERVE获取并注册为IoT设备值的观察者观察配准的处理是特定于应用的。不应假定设备是可观察的，或者设备可以处理任何特定数量的观察者。如果主服务器以成功（2.12）代码响应，则注册被认为是成功的。INIT将设备及其属性信息带到主服务器。通常，此操作由传感器或IoT机器生成，并将此信息发送到IoT网关。如果IoT网关接收到该消息，则网关基于接收到的数据更新其在图1（a）中，当前系统通过使用OBSERVE操作来检测新的IoT设备，但是其不知道其详细属性和功能。因此，主服务器向从服务器发送“FAIL”消息。然而，在图1（b）中，IoT机器通过“INIT”操作发送其属性信息在接收到该INIT消息后，IoT网关自动将属性注册到设备和属性表。3. 测试床实施和测量在下面的部分中，我们将介绍一个家庭规模的测试平台的开发，用于实验和评估拟议的物联网网关。我们将测量集中在设备设置时间上。3.1. 试验台开发所提出的测试床包括三种主要类型的设备，它们是图2（a）中的主服务器、图2（b）中的两个从服务器（客户端设备）和用户拟议测试床中的三个服务器设备构建在标准Raspberry-Pi嵌入式机器上，并使用称为Raspbian的基于Linux内核的通用操作系统。因此，所有设备都可以很容易地重新配置，以评估各种网络环境。Raspberry Pi被广泛用于实现基于IoT的智能环境[20我们安装132B.康，H. Choo / ICT Express 4（2018）130(a) 当前IoT网关。（b）拟议的物联网网关。Fig. 1. 设备发现和自动注册。(a) 主服务器（b）从属服务器（客户端）。图二. 实验室规模的物联网测试平台。WiFi和LTE接口与用户的移动终端通信 图图3示出了IoT灯的属性注册的结果。在该图中，用户可以控制灯的属性功能（开/关）。3.2. 系统测量图三. IoT灯的设备控制示例。Android 6.0（代号Marshmallow）和IoTivity平台[18]，用于易于管理的无线物联网设备。IoTivity是一个开源软件框架，能够实现可靠的D2D通信，以满足物联网的新兴需求。在用户的移动终端上网络底层考虑主服务器和从服务器之间的互连，如图2所示。如果主服务器与IoTivity连接，则IoTivity会识别匹配的机器。如果IoTivity无法找到任何条目，则主服务器基于IoT通信策略向从服务器发送OBSERVE消息。对于测试 床 测量 ， 我 们 使用 最 近 发 布 的IoTivity 框 架 （版 本1.1.1，2016年7月我们还使用为了进行性能评估的建议网关，我们测量每个设备每次测量后，我们都增加了从设备的数量我们还将测量次数增加到100次。图 结果表明，该网关能够在2.4s内完成对每个设备的注册。如果在有线网络条件下执行该系统测量，则注册时间将进一步改善4. 结论在本文中，我们实现了一个网关，该网关被称为可靠和可自配置的物联网网关，旨在适用于家庭规模的环境。对于测试平台开发，我们使用最先进的IoTivity框架。我们有一个计划，通过检查所提出的网关的性能的系统测量。此外，我们未来的工作将把可靠的物联网网关扩展到大规模和节能的移动环境。B.康，H. Choo / ICT Express 4（2018）130-133133见图4。属性注册的平均响应时间。致谢这项工作得到了G-ITRC项目（Grant IITP-2015 R6812 -15-0001）、NRF研究员项目（Grant NRF-2016 R1 A6 A3A11934080）和NRF韩国项目（Grant 2010-0020210）的支持。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] S. Leminen，M. 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