CN104539587A - 一种用于物联网的物体接入和群组交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于物联网的物体接入和群组交互方法。使用本发明能够通过引入群组的概念，使得在进行安全传输、重传时能够实现重传的快速性和安全性，达到更好地适应物联网特点的目的。并且，采用基于物体接入与管理平台的可靠传输或采用基于分组的可靠传输进行重发，降低了接入与管理平台的负载，提高了接入与管理平台的负载。

Description

一种用于物联网的物体接入和群组交互方法

技术领域

本发明涉及群组接入协议领域，具体涉及一种用于物联网的物体接入和群组交互方法。

背景技术

物联网是信息技术发展的下一次浪潮。物联网接入技术是物联网研究的一个重要方向。物联网接入技术是研究如何将物联网设备接入网络并与之通信的技术。现有物联网接入协议如MQTT、ETSIM2M、CoAP等实现了物联网设备与物联网应用或物联网物体接入与管理平台之间的双向通信。物联网中有很多应用场景是在同一片区域中部署大量的同构的设备。这些设备在构造上相同或相似，在安全性需求上也类似。如果能够将这些设备当做一个群组进行处理，在进行安全传输、重传时能够实现重传的快速性和安全性，达到更好地适应物联网特点的目的。但上述协议并没有建立群组概念，在对这些设备进行处理时并无特殊之处，都是将这些设备看做一个独立的个体，分别进行通信。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于物联网的物体接入和群组交互方法，能够通过引入群组的概念，使得在进行安全传输、重传时能够实现重传的快速性和安全性，达到更好地适应物联网特点的目的。

一种用于物联网的物体接入和群组交互方法，包括：体包括设备模型(PE-Model)、网关(Gateway)、设备(PE)、接口、数据点、PE分组(PE-Group)六个模块；

其中，所述PE-Model是设备模型，用于描述一类设备具有的属性、接口等参数；

Gateway代表网关，用于将物体连接至物体接入与管理平台

PE用于描述一个真实的设备；

PE-Group用于对PE进行分组的核心；

物体接入与管理平台，用于物联网环境下物体接入物联网；

所述协议到的具体工作流程为：

步骤一：分组初始化

首先用户需要在物体接入与管理平台通过分组建立界面建立新分组，其中，所述分组一般根据相同的地理位置或者相同的设备类型进行分组选择；同时，在建立分组时会生成此分组唯一分组ID；

步骤二：注册PE并加入分组

通过填写PE对应的计算能力和能耗水平对PE进行注册，并且，在PE注册过程中，通过在注册界面填写步骤一中生成的分组ID对PE进行分组；

步骤三、设备信任关系建立

设备与物体接入与管理平台建立信任关系；

步骤四：分组首领决定

决定由物体接入与管理平台完成；可以通过首领选举算法决定分组内首领，或通过人工配置选择；

步骤五：建立分组信任关系

分组内所有设备、网关与平台建立信任关系，并在明确首领后，则认为分组已建立信任关系；

步骤六：命令或数据传输

在分组建立完成后，进行正常数据传输；并判断发送方即物体接入与管理是否接收到接收方的响应，若接收到，则完成群组协议工作流程；否则执行步骤七；

步骤七：命令或数据重传

由物体接入与管理平台将内容转交重新发送进行重传。

特别地，所述步骤三中设备信任关系建立的具体方法为：物体接入与管理平台用自己的私钥向设备发送一个加密随机数+当前时间，设备首先用物体接入与管理平台公钥对随机数解密，随后用自身私钥对随机数+当前时间进行加密发送到物体接入与管理平台；物体接入与管理平台用设备公钥解密随机数，若验证通过则信任关系建立；随后物体接入与管理物体接入与管理平台会向设备发布信任密钥用于通信加密。

特别地，所述步骤四中首领选举算法的具体步骤为：

第1步：物体接入与管理平台判断分组是否由人工选定了首领，若人工选定，则执行第2步；否则，执行第3步；

第2步：物体接入与管理平台按照人工设定决定首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定；

第3步：物体接入与管理平台检测是否有网关，若没有网关，则执行第5步，否则执行第4步；

第4步：物体接入与管理平台检测网关数量，若分组内有唯一网关，则物体接入与管理平台将选择该物体接入与管理平台为唯一网关首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定；否则，执行第5步，

第5步：物体接入与管理平台根据PE网络条件、PE承受能力和PE计算能力选定，一般的，选择PE网络条件最佳，PE承受能力强、PE计算能力强的为首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定。

特别地，其特征在于，所述在步骤五中建立分组信任关系的状态下，保证群组接入协议的安全过程为：

步骤1：物体接入与管理平台与设备进行信任关系的维护：

物体接入与管理平台会定期向设备发布新的通信密钥；

步骤2：物体接入与管理平台检查设备信任关系

若设备连续出现通信密钥错误即报文物体接入与管理平台无法理解或验证错误；则认为信息关系破裂；执行步骤3；若信任关系没有出现问题，则继续执行步骤1；

步骤3：物体接入与管理平台去分组信任关系

若一个设备被判定为不被信任时，则将设备分组所有设备，包括分组首领在内标记为不被信任；

步骤4：信任关系的恢复

需要对本分组内每一个设备内逐个重新建立信任关系，即重新执行步骤三至步骤五；重新恢复信任关系；步骤4完成后将重新进入步骤1。

特别地，所述步骤2中信任关系判断的标准为若设备连续出现3次验证错误或无法理解，则认为关系破裂。

特别地，所述步骤六中的数据传输中的接口方向采用Direction标识，且定义将上行报文的Direction标识由原有的up改为down，则物体接入与管理平台判断需转发此报文。

特别地，所述步骤七中重传包括基于物体接入与管理平台的可靠传输过程和基于分组的可靠传输。

特别地，所述基于物体接入与管理平台的可靠传输过程的重传由发送方即物体接入与管理平台直接进行重传。

特别地，所述基于分组的可靠传输由发送方即物体接入与管理平台将内容转交给接收方所在组首领，首领随后向发送方确认收到此内容，并将针对组内成员进行重发送；在接收方即组内成员确认收到消息后，将由首领代为回复给发送方，完成可靠传输过程。

特别地，所述组内成员离线，首领将对发送内容进行暂存，在组内成员上线后转发给组内成员；在接收方即组内成员确认收到消息后，将由首领代为回复给发送方，完成可靠传输过程。

有益效果：

1、在数据传输过程中，采用Direction携带双重信息，即：采用将上行报文的Direction标识由原有的up改为down，解决了是否需要报文转发的问题，节省了通信带宽。

2、采用基于物体接入与管理平台的可靠传输或采用基于分组的可靠传输进行重发，降低了接入与管理平台的负载，提高了接入与管理平台的负载。

3、通常情况下，一个设备出现信任问题，很有可能此区域其它设备也出现问题，采用基于群组的信任模型，并适应于物联网设备部署的特点分布，将整个分组设备都标记为不被信任，提高了安全性。

附图说明

图1为一种用于物联网的物体接入和群组交互结构图。

图2为一种用于物联网的物体接入和群组交互方法流程图。

图3为分组首领选举流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于物联网的物体接入和群组交互方法。其中，所述一种用于物联网的物体接入和群组交互方法用于将多个设备能够划分群组，并接入物体；如图1所示，该一种用于物联网的物体接入和群组交互方法所采用的系统具体包括设备模型(PE-Model)、网关、设备(PE)、接口、数据点、PE分组(PE-Group)六个模块；

其中，

PE-Model是设备模型，代表某个类型的设备，可对应具有多个PE的实例。PE-Model可使用物体自描述语言(PSDL)描述。PE-Model会描述一类设备具有的属性、接口等参数。

Gateway

Gateway代表网关，物体可以通过网关连接物体接入与管理平台，也可直接连接物体接入与管理平台。如果PE通过网关连接物体接入与管理平台，则网关成为该PE的连接代理，对应PE的连接地址都为该网关地址。

PE

PE代表具体设备，对应于某个PE-Model，PE具有所有者，PE-ID等属性。

接口

接口隶属于设备，一个接口具有一个特定功能，代表一个数据流。接口的描述一般存在于PE-Model中，但也可通过接口动态添加或删除。

数据点

数据点是接口的一次数据交互过程，数据点按照时间存储，记录了接口的完整操作与数据

PE-Group

PE-Group是用于对PE进行分组的核心。多个PE或网关可结成一个PE-Group，每个PE-Group共享相同的分组ID即Group-ID。每个Group需要有一个分组首领即Group-leader。

分组首领(Group-leader)的确定：

如果一个Group中有网关的存在，则一般由网关担任Group-leader。若有多个网关，则由计算能力较强，网络情况较好的网关担任。若没有网关，一般由能量带宽不受限或相对受限较小的PE节点担任。

物体接入与管理平台，用于物联网环境下物体接入物联网；

如图2所示，其协议的具体工作流程为：

步骤一：分组初始化

首先用户需要在物体接入与管理平台通过分组建立界面建立新分组，其中，所述分组一般根据相同的地理位置或者相同的设备类型进行分组选择。同时，在建立分组时会生成此分组唯一分组ID。

步骤二：注册PE并加入分组

在PE注册的过程中，需要选择PE所属的分组，并在PE的注册界面填写步骤一中生成的分组ID，选择加入对应分组。在PE注册时，需要填写PE对应的计算能力，能耗水平。

步骤三：设备信任关系建立

设备与物体接入与管理平台建立信任关系。其具体过程为：

信任关系的建立方式为：

物体接入与管理平台用自己的私钥向设备发送一个加密随机数+当前时间，设备首先用物体接入与管理平台公钥对随机数解密，随后用自身私钥对随机数+当前时间进行加密发送到物体接入与管理平台。物体接入与管理平台用设备公钥解密随机数，若验证通过则信任关系建立。随后物体接入与管理平台会向设备发布信任密钥用于通信加密。当信任关系建立后，可以进行通信。

步骤四：分组首领决定

如图3所示；分组首领决定由物体接入与管理平台完成。可以通过首领选举算法决定分组内首领，或通过人工配置选择。标识人工配置通过在物体接入与管理平台分组管理界面，通过人工选定完成。步骤三在每次有新PE加入分组时将重新进行。

首领选举选择算法：首领选举算法用于在PE-group中选出合适的首领。首领选举算法是一个结合角色、计算能力、能耗及网络状况的综合选举算法。

其具体算法为：首先，PE-group有网关和普通PE。若组内有且只有一个网关，则选择网关为首领。若有多个网关，则考虑网关计算能力和网络状况。计算能力使用BogoMIPS进行衡量，网络采用丢包率、延时、带宽进行衡量。计算能力与网络能力的加权乘积高的网关获得首领。

若分组内没有网关，则进一步进行判断。对于普通PE，能耗承受能力强、计算能力强、网络条件好的PE获得首领。

其具体步骤为：

第1步：物体接入与管理平台判断分组是否由人工选定了首领，若人工选定，则执行第2步；否则，执行第3步。

第2步：物体接入与管理平台按照人工设定决定首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定。

第3步：物体接入与管理平台检测是否有网关，若没有网关，则执行第5步，否则执行第4步；

第4步：物体接入与管理平台检测网关数量，若分组内有唯一网关，则物体接入与管理平台将选择该物体接入与管理平台为唯一网关首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定。否则，执行第5步，

第5步：物体接入与管理平台根据PE网络条件、PE承受能力和PE计算能力选定，一般的，选择PE网络条件最佳，PE承受能力强、PE计算能力强的为首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定。

步骤五：建立分组信任关系

分组内所有设备、网关与物体接入与管理平台建立信任关系，并在明确首领后，则认为分组已建立信任关系。

在物体接入与管理平台与设备/网关建立信任关系后，建立物体接入与管理平台与分组信任关系；

若分组内每个设备、网关都已建立信任关系，且首领已决定，则认为物体接入与管理平台与分组建立信任关系。

为了保证协议的安全性，如图3所示，其协议安全的具体过程如下：

步骤1：物体接入与管理平台与设备进行信任关系的维护：

物体接入与管理平台会定期向设备发布新的通信密钥。一般的，每10分种发布一次新的通信秘钥。

步骤2：物体接入与管理平台检查设备信任关系

若设备连续3次出现通信密钥错误即报文物体接入与管理平台无法理解或验证错误。则认为信息关系破裂。执行步骤3。基于对通信链路不稳定性的容错性考虑，1到2次通信错误可被接受，因此采用3次连续失误作为信任关系判断的标准。若信任关系没有出现问题，则继续执行步骤1。

步骤3：物体接入与管理平台去分组信任关系

若一个设备被判定为不被信任时，则将设备分组所有设备，包括分组首领在内标记为不被信任。基于一个设备分组是相关设备的考虑，即一个设备分组在逻辑上是部署在同一区域，具有类似功能的设备。一个设备出现信任问题，则很有可能此区域其它设备也出现问题，因此将整个分组设备都标记为不被信任。

步骤4：信任关系的恢复

需要对本分组内每一个设备内逐个建立信任关系，并重新进行首领决定过程才可重新恢复信任关系。步骤4完成后将重新进入步骤1过程。

步骤六：命令或数据传输

在分组建立完成后，可以正常进行命令或数据传输。数据传输过程主要为数据报传输协议的双向通信。传输双方为物体接入与管理平台与设备、网关与设备、设备与设备、网关与物体接入与管理平台四种。数据传输分为普通传输与可靠传输两种。若数据传输过程成功，则流程到此结束。其中，所述传输成功判断标准为发送方即物体接入与管理平台接收到接收方响应，传输错误为在超时时间内发送方没有接收到响应。

其中，所述命令或数据报文都使用Json串或XML格式进行封装。

命令由头部信息和Payload组成，头部包括：操作地址、操作方法、所属Group-ID和参数(包括版本、长度等)；Payload采用标签data标识。

数据由版本、长度、接口类型、接口方向、是否要求响应、加密、是否用加密方式传送后续数据、是否是响应、传输方式、响应结果和会话ID构成，其中：

接口类型用DataOrCtrl标识，接口是数据型或是控制型，对应可选值”Data”/”Control”；接口类型决定了接口通道所承载的协议，由于数据类型的传输带宽以及时延要求较高，故选取UDP协议；由于控制类型对可靠性要求较高，故选取TCP协议；

接口方向用Direction标识，发起方向是物体接入与管理平台发起还是非物体接入与管理平台发起，对应可选值”Down”/”Up”；通常情况下，若是上行报文，Direction标识为Up，若是下行报文，Direction标识为down。但出于节省带宽的方面考虑，将上行报文的Direction标识由原有的up改为down，则物体接入与管理平台判断需转发此报文；这样一来，可节省一个是否需要转发的字段；

实施例如下：

其中，传输报文如下：

下行接口调用

{

“address”:”/pe/pe-idxxxx/if/ifidxxxx”,//向传输对象表明操作对象为PEID是pe-idxxxx的PE的interface，其ID为ifidxxxx，用于明确操作对象；

“operation”:”post”,//操作方法是post，对于interface，post操作对应为调用，用于明确操作方法；

“group-id”：”100102”,//此PE所属group对应ID，用于明确操作对象的分组；

“version”:”1.0”,//该报文对应的版本，用于判断报文的版本；

“transmission”:”Normal”//不进行可靠传输，用于判断是否进行可靠传输；

“length”:”45”,//数据报文的长度，用于定义报文的长度；

“DataOrCtrl”:”Control”,//此接口为control类型接口，用于明确该接口是数据通道还是控制通道；

“Direction”:”Down”,//接口传输方向为下行，用于明确数据报文传输方向；

“Response”:”True”,//此接口不需要response，用于传输对象判断是否需要回应；

“Encryption”:”False”//此接口数据不需要加密，用于明确是否需要解密报文；

“data”:{//表明从此往下都为数据报文，

“name”:”adjust-temperature”,//数据标签名称，用于传递标签名称；

“temperature”:”+10”//数据标签值，用于传递标签相关数值；

}

}

普通传输

若进行普通传输，即普通点对点传输过程，则到此流程结束。

可靠传输

若进行可靠传输，查看报文的“transmission”字段，若其取值为“platform/head”则是可靠传输。在报文最后添加传输消息整体MD5消息摘要，若接受方校验正确，则回应正确消息。若可靠传输过程中出现错误，则进入步骤七。判断标准为：若回应不正确(MD5校验错误)或没有得到响应(超出TIMEOUT)，则发送方需重新对消息进行发送。

步骤七、命令或数据重传

若采用基于物体接入与管理平台的可靠传输过程，则直接由发送方进行重传。

若采用基于分组的可靠传输，过程如下：发送方即物体接入与管理平台将内容转交给接收方所在组首领，首领随后向发送方确认收到此内容。此时发生了责任转换，重发的责任迁移到了接收方组首领。首领将针对组内成员进行重发。若组内成员离线，首领将对发送内容进行暂存，在组内成员上线后转发给组内成员。在接收方即组内成员确认收到消息后，将由首领代为回复给发送方，完成可靠传输过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于物联网的物体接入和群组交互方法，其特征在于，包括：体包括设备模型(PE-Model)、网关(Gateway)、设备(PE)、接口、数据点、PE分组(PE-Group)六个模块；

其中，所述PE-Model是设备模型，用于描述一类设备具有的属性、接口等参数；

Gateway代表网关，用于将物体连接至物体接入与管理平台

PE用于描述一个真实的设备；

PE-Group用于对PE进行分组的核心；

物体接入与管理平台，用于物联网环境下物体接入物联网；

所述协议到的具体工作流程为：

步骤一：分组初始化

首先用户需要在物体接入与管理平台通过分组建立界面建立新分组，其中，所述分组一般根据相同的地理位置或者相同的设备类型进行分组选择；同时，在建立分组时会生成此分组唯一分组ID；

步骤二：注册PE并加入分组

通过填写PE对应的计算能力和能耗水平对PE进行注册，并且，在PE注册过程中，通过在注册界面填写步骤一中生成的分组ID对PE进行分组；

步骤三、设备信任关系建立

设备与物体接入与管理平台建立信任关系；

步骤四：分组首领决定

决定由物体接入与管理平台完成；可以通过首领选举算法决定分组内首领，或通过人工配置选择；

步骤五：建立分组信任关系

分组内所有设备、网关与平台建立信任关系，并在明确首领后，则认为分组已建立信任关系；

步骤六：命令或数据传输

在分组建立完成后，进行正常数据传输；并判断发送方即物体接入与管理是否接收到接收方的响应，若接收到，则完成群组协议工作流程；否则执行步骤七；

步骤七：命令或数据重传

由物体接入与管理平台将内容转交重新发送进行重传。

2.如权利要求1所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述步骤三中设备信任关系建立的具体方法为：物体接入与管理平台用自己的私钥向设备发送一个加密随机数+当前时间，设备首先用物体接入与管理平台公钥对随机数解密，随后用自身私钥对随机数+当前时间进行加密发送到物体接入与管理平台；物体接入与管理平台用设备公钥解密随机数，若验证通过则信任关系建立；随后物体接入与管理物体接入与管理平台会向设备发布信任密钥用于通信加密。

3.如权利要求1所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述步骤四中首领选举算法的具体步骤为：

第1步：物体接入与管理平台判断分组是否由人工选定了首领，若人工选定，则执行第2步；否则，执行第3步；

第2步：物体接入与管理平台按照人工设定决定首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定；

第3步：物体接入与管理平台检测是否有网关，若没有网关，则执行第5步，否则执行第4步；

第4步：物体接入与管理平台检测网关数量，若分组内有唯一网关，则物体接入与管理平台将选择该物体接入与管理平台为唯一网关首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定；否则，执行第5步，

第5步：物体接入与管理平台根据PE网络条件、PE承受能力和PE计算能力选定，一般的，选择PE网络条件最佳，PE承受能力强、PE计算能力强的为首领，并将首领结果发送到各组成员；完成首领选定。

4.如权利要求1所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述在步骤五中建立分组信任关系的状态下，保证群组接入协议的安全过程为：

步骤1：物体接入与管理平台与设备进行信任关系的维护：

物体接入与管理平台会定期向设备发布新的通信密钥；

步骤2：物体接入与管理平台检查设备信任关系

若设备连续出现通信密钥错误即报文物体接入与管理平台无法理解或验证错误；则认为信息关系破裂；执行步骤3；若信任关系没有出现问题，则继续执行步骤1；

步骤3：物体接入与管理平台去分组信任关系

若一个设备被判定为不被信任时，则将设备分组所有设备，包括分组首领在内标记为不被信任；

步骤4：信任关系的恢复

需要对本分组内每一个设备内逐个重新建立信任关系，即重新执行步骤三至步骤五；重新恢复信任关系；步骤4完成后将重新进入步骤1。

5.如权利要求4所述的群物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述步骤2中信任关系判断的标准为若设备连续出现3次验证错误或无法理解，则认为关系破裂。

6.如权利要求1所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述步骤六中的数据传输中的接口方向采用Direction标识，且定义将上行报文的Direction标识由原有的up改为down，则物体接入与管理平台判断需转发此报文。

7.如权利要求1所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述步骤七中重传包括基于物体接入与管理平台的可靠传输过程和基于分组的可靠传输。

8.如权利要求7所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述基于物体接入与管理平台的可靠传输过程的重传由发送方即物体接入与管理平台直接进行重传。

9.如权利要求7所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述基于分组的可靠传输由发送方即物体接入与管理平台将内容转交给接收方所在组首领，首领随后向发送方确认收到此内容，并将针对组内成员进行重发送；在接收方即组内成员确认收到消息后，将由首领代为回复给发送方，完成可靠传输过程。

10.如权利要求9所述的物体接入和群组交互方法，其特征在于，所述组内成员离线，首领将对发送内容进行暂存，在组内成员上线后转发给组内成员；在接收方即组内成员确认收到消息后，将由首领代为回复给发送方，完成可靠传输过程。