朱敏

摘要：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）旨在將所在物體聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些巨量數(shù)據(jù)可能會(huì)壓垮存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用程序。云計(jì)算能夠在基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)別上為物聯(lián)網(wǎng)提供可擴(kuò)展的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理服務(wù)。但是，在諸如強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，低延遲和移動(dòng)性等方面的應(yīng)用中暴露出其自身的局限性。為了克服這種限制，人們提出了霧計(jì)算。在霧計(jì)算中，云服務(wù)被擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣以減少延遲和網(wǎng)絡(luò)擁塞。該文對(duì)基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣添加了霧計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)證明，引入了霧計(jì)算后的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能得到改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);霧計(jì)算;云計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009- 3044（2019）34-0221-03

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的普及，使諸如智能家居，智能城市，智能工廠，智能電網(wǎng)和智能醫(yī)療等應(yīng)用日益走近人們的生活。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有各種傳感器、執(zhí)行器，日常運(yùn)行中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，但受制于自身有限的計(jì)算資源，沒有能力處理這些數(shù)據(jù)。而云計(jì)算系統(tǒng)提供了高等級(jí)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，在能源，帶寬，軟件，平臺(tái)和存儲(chǔ)等方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)常常通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算系統(tǒng)相結(jié)合[1-2]。但是云計(jì)算系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，最主要的問(wèn)題就是高延遲、高能量消耗等。為解決云計(jì)算的這些缺點(diǎn)，人們提出了霧計(jì)算。

2 相關(guān)研究

霧計(jì)算最初由思科提出，它是對(duì)云計(jì)算的一種擴(kuò)展，在云計(jì)算中心與客戶端系統(tǒng)之間提供計(jì)算、存儲(chǔ)、通信服務(wù)。它是一種分布式的基礎(chǔ)架構(gòu)，是對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備，例如服務(wù)器，部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣以支持IoT設(shè)備高復(fù)雜度的計(jì)算任務(wù)，以降低延遲，節(jié)省能源，增加運(yùn)營(yíng)時(shí)間。

OpenFog聯(lián)盟于2016年開始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的開放式霧計(jì)算框架[3]。這是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)，沿著云到物（ cloud-to-things）統(tǒng)一體在任何位置分配用于計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和聯(lián)網(wǎng)的資源和服務(wù)。它支持多個(gè)行業(yè)垂直和應(yīng)用領(lǐng)域，使服務(wù)和應(yīng)用能夠更接近數(shù)據(jù)生成來(lái)源，從事物、在網(wǎng)絡(luò)邊緣、通過(guò)云并跨多個(gè)協(xié)議層進(jìn)行擴(kuò)展。

文獻(xiàn)[4]中提出了另一種霧計(jì)算架構(gòu)，其中設(shè)計(jì)了一整套的應(yīng)用程序接口，以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)在霧節(jié)點(diǎn)收集信息。

Chin等人在文獻(xiàn)[5]中提出了一種霧框架，它基于上下文感知，支持多種不同的邊緣技術(shù)，如Wi-Fi，LTE和藍(lán)牙等，還支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和虛擬化工具。它還提出了空中的霧計(jì)算系統(tǒng)，使用無(wú)人機(jī)等空中設(shè)備作為霧節(jié)點(diǎn)，以開展各種方便終端用戶的應(yīng)用和服務(wù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

我們建構(gòu)一種基于云一霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，目的是更有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和處理。它包括3個(gè)層次，傳感器層、霧計(jì)算層、云計(jì)算層。

傳感器層：包括部署在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的各種傳感器以及各種執(zhí)行器。它們一方面收集各種原始數(shù)據(jù)，另一方面也可以執(zhí)行來(lái)自高級(jí)別系統(tǒng)的指令。

霧計(jì)算層：霧節(jié)點(diǎn)收集來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能化的數(shù)據(jù)處理，以減少網(wǎng)絡(luò)流量，節(jié)省能量開支。

云計(jì)算層：數(shù)據(jù)流向云計(jì)算中心，由云計(jì)算中心執(zhí)行強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

我們?cè)趥鞲衅魃霞尤牖A(chǔ)的霧計(jì)算功能，使其具備簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理能力，以減少生成的數(shù)據(jù)量?？紤]到傳感器的低功耗、低內(nèi)存要求，這一數(shù)據(jù)聚合算法必須盡可能簡(jiǎn)單。參考文獻(xiàn)[6]中的事件觸發(fā)數(shù)據(jù)處理程序，在本地霧計(jì)算層執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)聚合，對(duì)傳感器測(cè)量的原始數(shù)據(jù)做出判定，以確定是否需要將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)。

首先，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)某一閥值時(shí)，觸發(fā)事件E.：

算法偽代碼如下：

Input： Time-stamp，RData ll Time-stamp為時(shí)間戳，RData為原始測(cè)量數(shù)據(jù)

Output：PData

//PData為經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)

For each Time-stamp do

SrnsorWakeUP;

Read RData

If Q=true

//Q={ Ei. E2. E3}

Send RData;

End if

Update asi;

UpdateTl and T2;

SensorToSleep;

End for

4 實(shí)驗(yàn)

本文用仿真的方式對(duì)提出的系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行驗(yàn)證，所使用的仿真系統(tǒng)為iFogSim[7]系統(tǒng)。iFogSim是由墨爾本大學(xué)的云計(jì)算和分布式系統(tǒng)（CLOUDS）實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于Java的開源模擬器。

系統(tǒng)包括4個(gè)傳感器、1個(gè)網(wǎng)關(guān)和1個(gè)云平臺(tái)，功能是對(duì)工作場(chǎng)所中的能源使用狀況進(jìn)行監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在每個(gè)時(shí)間戳，傳感器被激活，對(duì)場(chǎng)所中的燃?xì)狻⒂秒娏康冗M(jìn)行測(cè)量，并發(fā)往本地網(wǎng)關(guān)，再由本地網(wǎng)關(guān)發(fā)往云平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)部分。在第一部分的實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行測(cè)試。我們使用在線數(shù)據(jù)庫(kù)[8]中的數(shù)據(jù)作為算法的輸入數(shù)據(jù)，這是勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室校園74號(hào)樓的15分鐘電力和5分鐘天然氣消耗數(shù)據(jù)。

圖2為傳感器1的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)聚合算法處理后的數(shù)據(jù)。

圖3為傳感器2的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)聚合算法處理后的數(shù)據(jù)。

可以看到，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)聚合算法處理后的數(shù)據(jù)量大大減少。對(duì)于傳感器1，處理后的數(shù)據(jù)減少了97.9%，對(duì)傳感器2，處理后的數(shù)據(jù)減少了98.1%。

在第二部分的實(shí)驗(yàn)中，我們把引入霧計(jì)算后的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行比較;在iFogSim系統(tǒng)中模擬的結(jié)果顯示，與后者相比，引入霧計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的占用減少了47.3%，總的能源消耗減少了14.7%。

5 總結(jié)

本文提出了一個(gè)三層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，即傳感器一霧計(jì)算一云計(jì)算三層架構(gòu)，在傳統(tǒng)的基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中引入霧計(jì)算，在傳感器級(jí)別上實(shí)現(xiàn)了一種本地?cái)?shù)據(jù)處理算法，并在iFogSim系統(tǒng)下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果證明，霧計(jì)算的引入，減少了發(fā)送到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)總量。通過(guò)減少數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性得到改善。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層面，其最大的能源消耗是在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，所以數(shù)據(jù)流量的減少，也降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能源消耗。

在今后的研究中，我們將進(jìn)一步完善霧計(jì)算層的數(shù)據(jù)處理算法，并嘗試將這一物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)運(yùn)用到實(shí)際的場(chǎng)景，諸如智能

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[8] https：//openei.org/datasets/dataset/lbnl-building-74.