【NDN IoT】Building an On-ramp for the Internet of Things 全文翻译

Building an On-ramp for the Internet of Things
为物联网构造驶进坡道（进入方法）

Scott Jenson, Roy Want, Bill N. Schilit

Google Inc.

1600 Amphitheatre Parkway

Mountain View, California, USA

 

Robin Kravets

University of Illinois, Urbana Champaign

Department of Computer Science

 

摘要

      物联网正处于婴儿期，与万维网使因特网成为一种必不可少的通讯、商业和娱乐工具之前因特网的状态相似。为使得物联网变得实际有用，我们需要一种相似的革新。这篇文章定义了今天物联网涉及发现和控制的一些重要的问题，并提出了一些基于我们叫做物理Web的概念的解决方案，即一个物联网网络技术的集成。

 

术语

      管理；设计；安全；人类因素；标准化

 

关键词

      物理网络；UriBeacon；发现；蓝牙低能源

 

1、     引言

      物联网正在快速进入我们每天的生活中，从连接到单个的智能设备，比如自动调温器，到全套家具设备，比如办公楼中的照明系统，我们可以和我们周围的环境进行交互。这些设备的可用性快速增长，到2020年估计会达到260亿设备。然而，使用当前模型下的移动应用程序和这么多各种各样的设备进行交互将很快变得难以处理。

      是否处理单个设备或者全套设备，需要一个容易使用的接口来呈现给用户。当前的与物联网设备交互的解决方案依赖于智能手机应用程序的使用。用例范围从允许一个人走进房间，打开电源，到控制建筑中的灯的集合，开发者能够设计并实现一个定制的APP并能够使用户控制。考虑到智能手机的普遍存在和广泛使用，构建这样的APP是在正确的方向的一个好的开始。

      然而，趋势是，智能设备和全套设备的数量在不断增长，随着这种增长，与他们交互的APP的多样性也在不断增长。此外，物联网的需求正在超越私有和合作的移动空间，进入公共世界。人们将在商店、飞机场和公共汽车站点与物联网设备交互。然而，用户可能愿意为他们家里或者工作场所安装相关的移动程序，他们用此进行日常交流，为每个他们遇到的物联网设备安装一个APP将很快阻止他们使用公共的物联网基础设施。取而代之，人们能够不安装任何APP，而仅仅使用设备的一个轻量级的解决方案克服难以使用的物联网体验障碍。

      在下面的部分中，我们描述物联网设备怎样与Web技术融合，并允许传统的Web浏览器变成用户在物联网上交互的单个点。我们描述每个物联网设备怎样与一个Web页面联系并使用标准RF协议广播URL。智能手机可以通过接收的多个URL以邻近度作为指导原则来产生附近物联网设备的页面排名。物联网状态模拟和控制通过直接与相应的Web服务器交互来获得。

 

2、     WEB浏览器，搜索和物联网

      为了理解怎样管理规模化的物联网应用程序和大量增长的物联网设备，我们可以回过头来看看在早期的因特网和万维网中怎样处理可扩展性。在20世纪90年代早期，万维网紧接着因特网出现。早期管理规模的解决方案并不有效，例如，尝试用单个页面分类整个因特网。人们很快认识到浏览器需要集成搜索机制，这产生了我们今天使用的熟悉的浏览器和搜索工具条。这个可扩展的范例被广泛使用，并成为了今天许多基于Web的因特网公司的基础。结果，Web浏览器加上搜索工具，对于任何使用网络计算机的人都很熟悉。

      物联网似乎将因特网的规模增加了100x，我们没有理由离开浏览器和搜索工具。然而，今天许多物联网产品需要申请专利，这带来了几个问题。首先，用户需要在移动设备上安装特定的应用程序。第二，移动应用的图形用户接口对用户来说可能并不熟悉，也并不能仅凭直觉使用（本地的移动应用通常更多样，例如，Web页面）。最后，在每个设备或整套设备上安装应用，对用户每天可能遇到的成千上万个设备不可扩展。为了使物联网可以凭直觉使用，并对每个人都可以访问，我们相信对于用户面对的单个移动应用解决方案，Web浏览器是一个强有力的竞争者。为了实现这个解决方案，设备必须能够广告一个URL、用户的智能手机或者全套可穿戴设备，必须能够管理几百个设备URL，并且这些URL能够在任何特定的环境中被发现。此外，Web是开放的，并不是任何一个公司的产品。Web是一种标准，URL能够被解析，没有一个公司单独控制网关（例如DNS），使得创新变得没有阻碍。

 

3、     近似发现

      有效解决物联网前进并使用问题的第一步是自动识别附近的设备或者物品，并使用这些识别码作为查询和控制设备的方式。在早期的研究中涌现出许多技术，但是所有这些技术都存在限制，使得这些技术变得不合适，例如，RFID（由于缺少移动阅读器），QR编码（劳动密集型，仅能一次识别一种设备），GPS（仅工作在室外，精确度不高）。然而，从2011年以来，相关的新的蓝牙低能源标准为每个设备提供了一种机制来周期性地发送可以被任何现代智能手机接收的具有识别码的RF包。该标准允许包中编码的信息拥有很大的灵活性，从设备iBeacons中的UUID到UriBeacon开放标准中的URL。在基于Web的物联网环境中，UriBeacon能够向智能手机提供附近拥有相关的Web页面和控制功能的物联网设备列表。我们叫做物理Web，这是拥有Web技术的物联网的集成。

      UriBeacons用信号通知附近10米远范围内的物联网设备的存在。因而，智能环境中的智能手机可能接收到大量的UriBeacon包。如果一个实际的系统能够使用RF测距估计每个设备的距离，那么该系统将能够过滤此列表。

      当使用智能手机工作时，一个最常用的方法是衰减接收到的信号强度，从最初的发射功率到路径丢失，然后将路径丢失转换到距离估计。在现实世界中，由于无线信号遵从已知的物理规则，这将是一个容易的转换。本质上，传输信号大约与距离成平方反比。不幸的是，我们不生活在真空中，传输天线不指向源，建筑中的无线信号经历多路径干扰，这使得直接由路径丢失转换到距离很困难。最后，对一个需要精确测距信息的移动应用，路径丢失的准确性有限。

      然而，尽管存在这些挑战，在路径丢失和测距之间存在一种趋势。假定传输功率大约0dBm，在路径丢失和测距之间强烈的相关性存在于0.5m的小距离之内。在0.5m到2m之间，相关性更大，在2m之外相关性特别大。给出这个发现，并且实验证实，一般说来，我们可以使用路径丢失参数来决定是否UriBeacons处于定义的四个区域之一：最近，靠近，中间，远处。为了实现物理Web浏览器应用程序的这个目的，这个差异已经足够了。

      尽管WiFi能够在一些场合被用来代替蓝牙LE，许多WiFi网络通过密码保护，并且不能访问穿越它们的移动设备。这是蓝牙LE广播如此重要的一个原因。它允许设备通过需要没有优先级相关或者结对的方式广播信息。本质上，广告是公共广播，可以被所有人接收。通过在这些传输中包括信号强度（Tx-Power），任何接收者可以估计一个远端设备的范围/区域。这个虚拟的识别码由URL和用路径丢失计算的测距数据生成，使得构造我们基于今天的智能手机和存在标准的物理Web解决方案变成可能。然而，我们注意到如果无线本地网可用并且可以访问，多播解决方案可以描述这里的额外发现机制。

 

4、     短暂的相互作用

      允许每个设备或者全套设备提供一个最合适的网页经常遭到怀疑，因为本地智能移动应用被认为优先级更高。然而，绝大多数这些智能设备有非常直接的需求，比如一个简单的开关，或者通过一个短的信息列表执行的能力。在这方面，Web特别好。另外，Web是极其轻量级的：走近一个设备，观察他的Web页面，与其交互或者离开。整个交互过程是短暂的。

      这样的交互使整个本地应用程序模型处于最高位置。本地移动应用使用功能性的有效缓存，能够被一次又一次地使用。通过使用这种交互时间短暂的方法，物理Web假设使用短暂的一次性基于Web的交互设备。当用户移动的时候，允许Web移动应用清理数据。当然，如果用户愿意，他们能够容易地保存网页，新的Web技术，比如服务工作者，能够使该功能变得更加强大。然而，即使一个用户和一个，例如路线上的公共汽车停车站每天去工作，该类似Web的操作仅需要动动手指，对用户体验并不是一个沉重的负担。

      此外，我们考虑从智能设备转换到通过网页的短暂交互，这具有很大影响。它重新定义了这对于智能设备意味着什么。如果每个设备能够有一个虚拟闪存卡，给用户更多的信息或提供更多的交互，它将改变这对于智能设备意味着什么。

      物理Web的主要价值是将设备放在用户的指尖，从一个小片的基于位置的信息到一个成熟的Web移动应用。

      结果，可能之前被认为愚蠢的设备或者对象，现在变成智能的。如果任何人能够偷看到这些对象的虚拟闪存卡，这使得它的丢失几乎是不可能的。例如，行李和宠物项圈能够提供电话号码，电影海报能够提供预告片和售票，多角度激光散射仪能够在这个空间中的任何地方提供公用电话亭形式的地图。这些设备本质上都不是智能的，但是他们都允许许多的智能交互。

      这些例子中的每一个，单独拿出来，都比较有用。然而，作为一个整体，任何东西可以提供信息和功用。

 

5、     物联网搜索

      实际上，结合搜索引擎的浏览器除了提供给我们更多的文本URL列表信息，他们也提供给我们一个拥有每个页面片段的有用的直觉的用户接口，过滤的内容，列表的排名顺序。在物理Web浏览器，我们期望的相似的特征扩展如下：

      片段：URL对于一个网页经常是一个文本晦涩的参考，用户很难翻译。实际上，从广告网站预获取数据，为了不仅仅给用户提供URL，而且提供一个参考网页的题目和片段，来指导用户需要的信息。对于物理Web，这将使用一个额外的代理服务。在物联网设备的情况下，片段可能包含可识别的设备信息，比如类型、名字、模型和状态。简单的图形控制能够提供片段来减少交互时间，例如，向上向下按钮来改变房间的温度设置。

      过滤：搜索引擎也保护我们，防止非法网站，减少用户暴露在垃圾邮件站点，这些站点设计用来吸引点击量而并不包含你正在寻找的信息。在这种情形下，他们作为Web的有用过滤器。物联网与此没有不同，将很快被恶意设备和服务污染，这对Web很常见。尽管物理Web浏览器是用户面对的UriBeacons接口，它显示的信息能够使用群体源的数据库被代理服务预处理，该数据库是恶意设备URL，并能够相应地过滤。

      排名：可能，用户面对的搜索引擎最重要的特征是基于搜索术语和用户相关度对搜索结果进行排序的能力。换句话说，作为启发式方法，最相关的术语在列表顶部。像之前陈述的，物联网从接近排序中获益，这能够大约被RF信号强度决定。然而，不仅仅是参数能够被考虑，其他参数包括相关信息也存在于Web上，例如，相关产品，公司提供的替代部分，优先物联网交互历史和物联网设备状态，例如，利用一氧化碳感知器检测关键阅读。公司总是竞争排序列表顶部的位置，因此排序算法总是有趣的，甚至是有争议的。因为物联网存在更多需要考虑的维度，排序算法将是一个未来研究的主题。

 

6、     语义学和物联网控制

      如果物理Web理解网页的内容，它可以创造丰富的片段，并为附近事物快速动作。丰富的片段是为用户提供特定需求的详细信息。例如，体育馆的训练机器的片段可能显示肌肉组织和使用难易水平。当一个事物和用户相关时，这些片段帮助用户理解。该事物下一个层次是快速动作，给出用户一个用物联网交互的路径。例如，跑步机的快速动作可能能够分享用户的体重、持续时间、运行蓝牙的机器的训练参数，或者一个连接的云服务。

      丰富的片段和快速的动作允许拥有网页内容结构化的数据。结构化的Web数据已经建立得很好，因此我们相信结构化的物理Web数据的使用应该与Web数据直接相关。在今天的Web中，主要的搜索引擎为搜索结果使用结构化的数据：显示食谱细节，音乐家的乐曲，餐馆等级（图1）。结构化的数据也被用在向RSVP邮寄一个日历邀请，飞机检票进站，或者观察包传送信息（图2）。

这些和其他机制使用schema.org定义。这一方案是一个网站管理员和邮件发送者添加信息到HTML页面的通用方式，该HTML页面能够通过搜索引擎和邮件程序被理解。

      物联网设备的网页中的结构化的数据也能够在机器-机器层次上使用用例。例如，当人离开房间时，通过将房间里的灯自动调暗。丰富的设备描述和它的接口都能够存储在网页中。在一些协议栈中，比如通用即插即用协议中，设备的描述，它们的控制点和事件被允许即插即用的设备直接提供。在我们的物理Web愿景中，定义Web作为物联网中介，拥有将这些设备连接到一个现存的基于Web的工具和服务的巨大阵列。

 

7、     结束语

      物联网需要具有人们行走的时候也可以控制设备的能力。当前的为每个可能的设备请求移动应用的模型并不是可扩展的。通过使用UriBeacon标准来发现，任何数量的设备能够在附近被容易地找到。这创造了一个传统Web的扩展，包括物理世界，我们叫做物理Web。因为Web是开放的，物理Web将有使得传统Web持续增长的所有特性。通过广播简单的URL，整个系统去中心化。没有中心服务器，没有看门人。这不像今天我们周围其他的商业智能设备系统。

      另外，我们开设了一个新类型的短暂交互，任何设备可以安装一个简单信息的虚拟闪存卡，或者如果需要，可以有更多复杂的交互。为使得虚拟闪存卡通用，每个设备都可以读取它，从智能手机到平板电脑到平视显示器，这意味着任何事物都有智能的潜能，几乎任何设备都可以提供一个虚拟的接口。

      但是到目前为止，物理Web方法最重要的方面是它能够容易地通过URL的灵活的格式被构建。此外，使用语义学工具，比如schema.org，物联网设备的控制和组织方式也能够继续演进。就像Web在过去的25年里成长和演进，我们期望在即将到来的几十年里物理Web能够适应物联网的可扩展性。

 

8、     参考文献

[1] Schilit, B. N., SenguptaU., Device Ensembles, IEEE Computer, vol. 37, no.12, (Dec 2004), pp. 56-64,doi:10.1109/MC.2004.241

[2] Gartner, Newsroom,Gartner Says the Internet of Things Installed Base Will Grow to 26 BillionUnits by 2020, (Dec 2013), http://www.gartner.com/newsroom/id/2636073

[3] Berners-Lee, T.,Cailliau, R., Luotonen, A., Nielsen, H.F., Secret, A., The World-Wide Web,CACM, 37(1994), pp. 76–82.

[4] Homes, D., The DynamicDomain Name System (DNS) Infrastructure, http://www.f5.com, (June 2012).

[5] Heydon, R., Bluetooth LowEnergy, Prentice Hall, 2013, ISBN-13: 978-0-13-288836-3.

[6] The UriBeacon OpenStandard, (Apr 2015) http://uribeacon.org

[7] Want, R., Schilit, B.N.,Jenson, S., Enabling the Internet of Things, IEEE Computer, vol. 48, no.1, (Jan2015), pp. 28-35.doi: 10.1109/MC.2015.12

[8] Antonini, M., Cirani, S.,Ferrari, G., Medagliani, P., Picone, M., Veltri, L., Lightweight multicastforwarding for service discovery in low-power IoT networks, IEEE Software,Telecoms. and Computer Networks (SoftCOM 2014), pp.133-138, (Sept. 2014), doi:10.1109/SOFTCOM.2014.7039103

[9] The World Wide WebConsortium, Service Worker, W3C Working Draft,http://www.w3.org/TR/service-workers/, (Feb 2025).

[10] Page, L., Brin, S.,Motwani, R., Winograd, T., The PageRank Citation Ranking: Bringing Order to theWeb, Stanford University, Technical Report, 1998.

[11] What is Schema.org? (March2015), http://schema.org.

[12] Universal Plug and Play(UPnP) Device Architecture 1.1, UPnP Forum, (Oct 15th 2008).