基于数据网络的智能家居命名系统

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）130基于数据网络的智能家居命名系统Syed Hassan Ahmed，Dongkyun Kimwww.elsevier.com/locate/icte大韩民国大邱庆北国立大学计算机科学与工程学院接收日期：2016年7月28日;接受日期：2016年2016年9月7日摘要命名数据网络（NDN）通过给内容/数据一个“名字”来将其视为该内容目前的互联网），这取决于物理IP地址。与此同时，智能家居的概念已经得到学术界和工业界的关注;各种低成本的嵌入式设备被认为可以自主感知，处理，存储和通信数据。在本文中，我们研究NDN的背景下，智能家居通信，讨论了初步评估，并描述了未来的挑战，应用NDN在智能家居应用。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：命名数据网络;未来互联网;物联网;智能家居1. 介绍由于最近大量的连接设备，如智能手机，平板电脑，智能手表和笔记本电脑，互联网行业和设备制造商已经享受了指数级的经济增长。同样，物联网（IoT）在过去几年中因其广泛的应用而备受关注。根据目前对物联网的定义，嵌入各种设备中的低成本传感器和致动器的集合可以感知、处理、通信和反应到收集的数据。为了使物联网成为现实并使我们的日常生活受益，工业界和学术界都进行了各种研究和开发工作。例如，互联网工程任务组（IETF）小组已经执行了几个物联网项目，包括低功耗无线 个 域 网 （ 6LoWPAN ） 上 的 IPv6 、 受 限 REST 环 境（CoRE）、受限应用协议（CoAP）和低功耗和有损网络路由（ROLL）[1]。主要目标是在低功耗和有损网络（LLN）中支持IPv6，将HTTP服务扩展到LLN，并让这些设备同时做出决策*通讯作者。电子邮件地址：hassan@knu.ac.kr（S.H. Ahmed），dongkyun@knu.ac.kr（D.Kim）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《互联网中的ICT融合》特刊的一部分。由Yacine Ghamri-Doubang，Yeong Min Jang，Daeye-Kim，HossamHassanein和JaeSeung Song客座编辑。然而，所有这些努力都有一个共同点，即基于IP的通信，迫使数据与通信信道和设备到设备地址紧密耦合此外，IP寻址的有限表现力倾向于同时用作定位器和标识符，需要专用的解析系统、移动性支持、多播和物联网严格性能要求下的大量访问，因此带来了挑战。与此同时，各种异构网络设备之间的融合，同时保持信息遍历的鲁棒性和高效性的需求不断增加，促使研究界重新设计当前的互联网架构。在这方面，命名数据网络（NDN）已被提议作为内容中心网络（CCN）的扩展，作为未来的互联网架构[2]。NDN给出身份（即，一个此外，NDN在数据包生成时保护每个数据包，在每个节点上启用数据缓存（复制），同时在数据包的整个生命周期内保持数据的安全性在本文中，我们将“智能家居”作为物联网的用例，如图所示。 1，提出了一种基于NDN的智能家居体系结构。我们还引入了一个私有云（PC），作为一个数据库，用于存储来自家庭服务器（HS）的历史信息。当用户不在HS附近时，在智能家居中，我们认为http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.08.0072405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。S.H.艾哈迈德，D。Kim / ICT Express 2（2016）131Fig. 1. 基于NDN的智能家居用例。一组具有各种应用的传感器和执行器，包括能源管理、安全、医疗保健、用户护理和舒适性。通过我们提出的架构实现这些传感器之间的通信是这项工作的主要贡献。我们还验证了我们提出的架构，通过初步评估。2. 智能家居和NDN架构在本节中，我们将从网络和工业角度概述智能家居2014年，谷歌投资了一家名为Nest Labs的公司，该公司由iPod先驱Tony Fedell创立，专注于智能家电。在那一年的消费电子展（CES'14）上，展示了一些有趣的智能家居设备，包括SleepNumber智能床，Belkin智能炖锅和Kobibree智能牙刷。此外，思科许多智能家居应用程序涉及检索数据和通过致动器调用某些动作的简单操作。然而，这两个特点，这样的应用程序导致复杂的解决方案，即使是简单的IP通信，因为异构的通信技术和资源的限制。例如，诸如Zigbee、蓝牙、Wi-Fi、Wi-Fi直连和LAN之类的异构IoT通信技术提供连接的每个设备可能具有各种无线电、有线接口和串行链路，所有这些都具有自己的寻址方案、IP子网以及网络层数据包和应用层消息之间的映射[4]。提供对这些设备的访问涉及到一种集成，可以通过（a）本地应用程序级中间件来管理互操作性，或者（b）将所有数据推送到云服务来实现，如本文稍后所述。为了提供这样的服务，开发人员和制造工程师必须配置和维护从接口到设备的映射，以及进一步到与设备本身相关的预期命名数据和控制点的映射。基本上，覆盖层必须可以创建可以处理各种底层通信技术的网络，所有这些技术都使用TCP/IP协议套件或适合物联网资源限制的修改版本简单地管理IP和端口地址分配是不够的;在更复杂的情况下，必须并行创建第2层配置，以确保流量在异构以太网之间流动。通常，这种配置在中间件之外完成，并创建一组复杂的相互关联但独立管理的元素。安全要求使情况更加复杂。同时，NDN实现了一个简单的请求/响应架构，基于状态全转发平面，使用两种类型的数据包，称为兴趣和数据，都携带类似URI的名称。网络中的每个节点都充当NDN路由器，并维护三种类型的数据结构：转发信息库（FIB）、未决兴趣表（PIT）和内容存储（CS）。FIB记录特定名称前缀的匹配传出接口。为了获取内容，消费者向网络发送一个包含所需内容名称的Interest数据包。当NDN节点接收到兴趣消息时，它首先在其本地CS中查询匹配数据。 如果数据可用，则通过相同的接口将匹配的数据包发送回消费者。否则，节点用兴趣分组的名称和传入接口更新PIT表在没有找到现有PIT记录的情况下，节点通过FIB中记录的输出接口转发兴趣分组。当兴趣包到达潜在的数据提供者或在其缓存中具有匹配数据包的节点时，总是生成数据包并按照中间节点的链回复给消费者在转发过程中，每个节点将数据包复制到匹配的PIT表项中记录的所有传入接口，在本地CS中保留一份副本，然后删除相关的因此，NDN中的业务是自我调节的，因为它在每个链路中每一个兴趣分组维持至多一个数据分组。3. 智能家居在本节中，我们提出了一个基于NDN的智能家居架构。我们将智能家居定义为一个异构的地方，配备了几个能够相互连接的嵌入式设备（例如，传感器），从而支持各种应用程序（见图1）。 2）的情况。3.1. 家庭服务器与传统的智能家居HS类似，在我们的工作中，HS从安装在不同区域的各种传感器收集所有数据（例如，房间，存储区和后院）。为了获得最大的可用性和独特的用途，我们假设缓存的数据/反馈可以存储在PC中。在大多数现有的以设备为中心的智能家居通信设计中，存在一个HS，其与所有感测设备交互以获得所需的数据，并且倾向于使用蓝牙、WLAN（互联网）和安装在家中的显示单元向用户发送反馈。在任何通信错误的情况下，132S.H.艾哈迈德，D。Kim / ICT Express 2（2016）图二.性能测试：模拟设置概述。传感器/致动器和HS，预期恶意应用程序行为。因此，到目前为止，HS是智能家居通信系统的支柱并不雄心勃勃。通过应用NDN架构，我们将HS和传感器/致动器解耦，其中用户可以通过广播特定信息的兴趣分组直接从特定传感器或区域检索反馈，假定用户非常接近（即，在家中）的传感器/致动器。此外，我们还收集了HS和PC缓存和可用的数据。3.2. NDN和传感器/执行器NDN为传感器网络提供了可行的解决方案。事实上，它与可以在传感模块之上开发的大多数用例和应用相匹配，并且可以很好地应对潜在的约束。例如，分层命名方案通过改进的数据聚合促进了数据搜索和检索过程[5]。传感器网络是将来自多个传感器节点的任何数据广播到任何接收器或簇头（例如，HS在我们的情况下）。通过在本地CS缓存每个数据包，NDN消除了妥协的服务质量（QoS），特别是当传感器节点的数量增加。在我们的架构中，传感器可以同时与HS和用户进行通信。在前一种情况下，HS周期性地广播兴趣分组以获得感测到的信息并将其显示在附加的屏幕上。在后一种情况下，用户可以广播相同的兴趣数据包并从最近的可用源收集数据，而不是捎带HS的IP地址和从家庭的一部分一直到达HS或PC的数据包。因此，NDN可以更轻松地为家庭自动化提供本地和全局访问。3.3. 私有云由于目前还没有集成云和NDN的实际工作，我们只提出了一个架构概述，展示了PC服务器如何有利于基于NDN的智能家居。在我们的例子中，一个在PC上运行的应用程序可以通过Interest包从HS中检索数据。当用户不在家中时，PC应用程序可以通过基于推送的转发向用户发送关键数据，NDN [6]。通过PC数据收集，我们可以计算统计数据，预测关键事件，提醒用户，甚至在用户不在场的情况下也可以让HS为执行器做出决策。这些决策可能包括打开/关闭空调、灯光和自动门锁等操作。3.4. 命名如前所述，使用名称检索数据。 在此上下文中，用于IoT设备的NDN命名方案（例如，传感器）在智能家居中必须同时具有高度的表现力和可定制性人类可读和特定于应用程序的名称支持基于传感器和执行器的任务。最广泛使用的命名方案是分层命名和平面命名。平面名称通常通过应用于（已经存在的）内容的散列算法来获得，并且不容易分配给尚未感测/发布的动态感测数据内容。因此，我们认为在这项工作中的分层命名。我们的命名方案必须能够识别执行器执行的任务或传感器所需的信息类型。因此，我们确定了两个名称空间，可用于这些目的的HS。对于信息检索，示例名称/info/humi/room1/. 其中/info指示需要来自具有ID 1的房间的感测数据或湿度测量同样，HS也可以通过发送一个名为/info/humi/all/.的兴趣包来检索所有部署的传感器的湿度水平。，其中/all将从所有传感器收集所需数据，而不是针对特定位置。对于各种信息，可以可以有几个名称;例如，温度可以命名为/info/temp/all/. 在接收到该信息时，HS将该信息上传到PC，并且如果用户请求可以将其转发给用户。由于基于NDN的数据检索依赖于名称，并且与接口无关，因此设备可以缓存数据。当用户需要与他/她的智能设备上的智能家居应用相关的任何信息时，兴趣分组可以由用户的蜂窝、平板设备或最近的HS或传感器）。另一方面，对于执行器，我们识别/充当一个命名空间，用户或应用程序在其中做出决定，并让执行器执行任务，同时保持家庭舒适和节能。例如，如果房间1是空的一定时间，闪电和空调可以自动关闭。然而，这样的决定需要复杂的协议，超出了这项工作的范围。兴趣的一个示例名称可以是“/act/room 1/aircon/off/. “. 准确地说，通过名称组件的层次结构，可以部署一个简单的版本控制系统来管理生产者不断更新内容值的情况，比如房间里的温度。这将有助于管理某些应用程序的新鲜度要求。通过为多个内容/服务共享公共名称前缀，分层名称比平面名称更好地扩展，因为它们便于在FIB中定义名称聚合规则，这对大数据至关重要。同时，这也意味着在同一个域中运行并以全局方式处理信息/服务S.H.艾哈迈德，D。Kim / ICT Express 2（2016）133×作用域应该由开发人员使用公共（共享）名称前缀来设计3.5. 推拉支架通常，在基于NDN的智能家居中，预期可以触发事件并且发送信息，而不管兴趣分组到达。同时，当前版本的NDN支持基于拉的检索，而较少关注基于推的通信。我们将智能家居通信分为两种服务模式：简单的拉和推关键数据。我们提出的架构支持这两种模型，其中HS可以通过在基于拉取的模型中广播兴趣分组来检索感测数据同时，传感器还可以通过向消费者发送信标消息来推送数据，即，在我们的情况下，HS在接收到该信标消息时，HS可以创建虚拟PIT条目，使得传入的关键数据不被视为未经请求的数据，从而避免丢弃它。4. 绩效评估在本节中，我们将使用NS 2.34为我们提出的NDN架构提供初步的模拟结果例如，我们在如图2所示设计的家庭中以异构方式部署了20个节点。模拟区域设置为200 m ×200 m，其他参数与IEEE 802.11g相同，模拟时间为100s。我们为上层创建了三种数据结构，包括CS、PIT和FIB（NDN基础）。为了进行评估，我们改变了传感器的传输一个汇聚节点被放置在家庭的中间，执行HS的角色根据[7]，其余的物理和MAC本文所示的结果是20次模拟运行的平均值，置信区间为31%。为了进行比较，我们使用以下两个指标：利息满足率（ISR）：ISR被定义为生成的兴趣数据包的数量与接收的数据数据包的数量之间的差值。换句话说，它是满足兴趣包的比率。累积数据检索延迟：计算该度量以找到从兴趣分组生成开始直到数据分组到达的总延迟，并且可以将其称为兴趣-数据往返延迟。首先，我们比较了ISR对不同的传感器节点的传输范围。我们还测试了Interest数据包之间三种不同间隔的性能。兴趣包的传输间隔起着至关重要的作用在网络性能方面，从图3中可以明显看出。这里值得一提的是，我们有各种应用和类型的传感器，具有不同的推荐传输间隔。例如，与温度传感器相比，入侵者检测传感器应当具有更短的间隔。此外，我们注意到，传输范围（即，传感器类型）对ISR没有这种潜在影响，因此我们有图三.不同时间间隔的ISR评价。见图4。 数据往返延迟与时间间隔。性能稳定。例如，两个Interest数据包生成之间的15秒时间间隔与9秒和5秒时间间隔相比，输出效果好90%。因此，我们需要提出算法来优化兴趣包生成时间间隔。接下来，我们评估了不同传输范围和兴趣数据包间隔的数据包往返延迟。值得注意的是，当Inter-Interest分组间隔高时，ISR特别高，因为Interest或Data分组冲突的概率相当低。因此，网关可以成功地从多跳远的节点拉取数据。由于所有多跳无线传感器网络节点都能成功接收到数据，因此由于每一跳的数据包处理和路由计算，数据包往返延迟更大。这一现象在图中非常明显。 4表示Interest数据包间隔为15 s。因此，我们得出结论，兴趣分组间隔越高，ISR和延迟越高，信息新鲜度越低。5. 结论智能家居设备已经可用，并且正在考虑此类设备的通信设计。目前，物联网被认为是一种可行的解决方案，因为它支持异构设备。然而，基于IP的物联网仍然需要复杂的算法来映射设备的IP地址。因此，在本文中，我们提出了一种基于神经网络的智能家居架构，其中传感器/执行器··134S.H.艾哈迈德，D。Kim / ICT Express 2（2016）可以基于命名数据进行通信。此外，我们使用模拟评估的基本性能。致谢该研究得到了韩国科学、信息通信技术和未来规划部（ MSIP ） 的 支 持 ， 由 信 息 和 通 信 技 术 促 进 研 究 所（IITP）监督的引用[1] A. Betzler等人，物联网的CoAP拥塞控制，IEEE Commun. 54（7）（2016）154[2] W. Shang等人，物联网命名数据网络（邀请论文），在：第一届IEEE物联网设计与实现国际会议论文集，IoTDI，柏林，2016年，第100页。117比128[3] K. Xu等人，面向软件定义的智能家居，IEEE Commun。麦格 54（5）（2016）116-122。[4] M. Amadeo等人，以信息为中心的互联网联网《物联网：挑战与机遇》，IEEE Netw。30（2）（2016）92-100。[5] M.F. Majeed等人，PDF：车载NDN中基于推送的数据转发第14届国际移动系统、应用和服务年会论文集，ACM MIPSYS 54号[6] M. Amadeo等人，物联网场景中的以信息为中心的网络：智能家居的案例，在：IEEE国际通信会议，ICC，伦敦，2015年，第100页。648-653[7] RN-171 802.11 b/g 无 线 局 域 网 模 块 ， 划 船 网 络 ， 可 在http://www.microchip.com/在线获得。