大規模泛在ＲＦＩＤ網絡的構造方法

摘要：依據RFID網絡特征和行為的形式化描述，基于發布/訂閱系統構建了RFID網絡模型。RFID網絡是構建在IP網絡層之上的重疊網，借助代理(broker)的消息存儲轉發、匹配和路由機制，實現閱讀事件的多對多異步通信，閱讀事件與應用之間無須預先確定相關關系。實驗驗證了這種網絡模型的有效性，可以滿足將來大規模泛在RFID應用的需求。

關鍵詞：視頻識別網絡;發布訂閱系統;消息中間件;通信

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)04－1218－04

RFID問世以來，其研究主要集中在RFID標簽和閱讀器硬件領域，包括低成本的RFID標簽和閱讀器、多標簽碰撞、閱讀器碰撞問題以及數據可靠性等。隨著RFID的應用普及，研究人員發現，RFID的成功應用不僅需要低價的標簽和閱讀器，也依賴于合適的網絡架構[1]。近年來，RFID網絡構架開始受到研究人員的重視[1~5]。大規模泛在應用的RFID網絡將各種閱讀器和應用連接在一起，通過網絡為應用提供需要的閱讀事件，統一規范閱讀事件語義，動態地建立應用與閱讀器(閱讀事件)間的映射關系，從而使應用可以動態共享網絡中的閱讀事件，實現全局范圍內的閱讀共享和傳播。這種需求改變了傳統的閱讀器和應用緊耦合、客戶端/服務器的計算模式，新型的RFID網絡應當在閱讀器與應用之間建立松耦合、異步、匿名和多對多的動態通信關系，構建面向應用和服務的網絡構架，以滿足大規模泛在RFID應用的需要。

1相關研究

RFID網絡的研究已經引起了學術界的關注[1~5]，EPCGlobal提出了具有三層結構的網絡模型[6]，包括標簽閱讀層、ALE層(application level event，應用層事件)和應用邏輯層。其中：ALE層旨在過濾來自不同數據源的數據，并將應用感興趣的事件路由到應用，它提供接口來定義標簽數據的控制和傳遞，而外部的應用可由此獲得感興趣的標簽數據。

UID(ubiquitous identification)是由日本學者提出的一種基于嵌入式操作系統的RFID網絡。其核心在于構建一種泛在網絡構架、各種設備和應用接入泛在網絡，在泛在計算環境下解決RFID各種應用問題。

文獻[6]提出了在EPC網絡中引入網格的概念。針對泛在RFID網絡產生的大量數據，提出了利用網格計算的強大能力處理大量的EPC數據。作者認為EPC網絡架構與網格計算服務架構在很多方面具有相似性，基于網格的RFID網格模型含有三個層次，即通信網格服務層、計算網格服務層以及信息網絡服務層。

微軟BizTalk[7]在.NET框架下實現了BizTalk系統，并且試圖與RFID應用相結合。BizTalk系統以發布/訂閱系統為基礎，可以用來構建面向統一閱讀語義的RFID網絡，提供面向應用的業務流程服務。本文的工作則以J2EE框架為基礎，側重于研究統一語義條件下的事件訂閱和發布服務，目的是為應用提供感興趣的閱讀事件。

2問題提出

為了進一步明確RFID網絡中閱讀器與應用之間的對應關系，假設：a)所有閱讀器所產生的閱讀均采用三元組形式表示，并具有統一的語義；b) RFID閱讀器不關心哪個應用需要其產生的閱讀，而應用也只關心其感興趣的RFID閱讀，任何應用不感興趣或不再感興趣的閱讀將被限制在網絡中傳播；c)為了保證系統的正常通信，要求閱讀器產生的事件最終要路由到感興趣的應用，且所有RFID閱讀在應用需要時只能進行一次路由。在此基礎上，給出RFID網絡的通信模式。

大規模泛在應用的RFID網絡通常具有定義3的通信模式。在邏輯上可以將RFID閱讀事件和應用分別看成是通信的發送方和接收方，兩者之間的關系具有動態性和不確定?；谑录耐ㄐ拍Ｊ讲捎媒邮辗綄μ囟ㄊ录挠嗛?，并在網絡中將與訂閱匹配的事件路由到訂閱事件的接收方。與其他分布式通信模式相比，其最大的優點是通信實體之間為一種松耦合關系。依賴這種松耦合關系可以實現分布式交互中各實體之間的異步獨立性，適用于多對多通信的場合。由于消除了通信方之間直接的相互依賴，大大增強了系統的可擴展性，同時也極大地減少了不同通信組件之間所需要的協調和同步。借助這種分布式透明性，應用系統的開發工作主要集中在應用邏輯和業務過程的集成上。

3閱讀與應用關系模型

3．1RFID網絡模型

如圖1所示，RFID網絡由三個部分組成，即閱讀器網絡(或閱讀器)、RFID閱讀分發網絡以及RFID應用。閱讀器網絡負責管理、控制、配置和發現閱讀器，并對原始RFID閱讀進行數據去噪、過濾(消除冗余)和平滑(消除錯誤閱讀)等處理，以獲得應用所需的高質量的、可靠的閱讀數據。在閱讀器網絡配置時，閱讀器網絡支持無線和有線的組網方式。閱讀器網絡控制器與閱讀器之間的通信協議可以采用reader protocol[8]以及SLRRP[9]。

RFID閱讀分發網絡用于建立RFID閱讀與應用之間的對應關系，并將RFID閱讀合理、有效地傳播給感興趣的應用。閱讀事件從事件的生產者以消息的形式傳播到消費者，即由網絡邊緣傳向網絡中心。這與傳統網絡中的數據傳播方向正好相反。

基于發布/訂閱的RFID網絡模型由三個主要的實體組成：a)應用，向系統訂閱它所感興趣的RFID閱讀；b)閱讀器網絡(閱讀器)，RFID網絡中的事件源通過閱讀器對標簽的識讀，以確定或隨機的方式產生RFID閱讀事件；c)事件服務網(可看成是代理broker網絡)是RFID網絡的核心，生產者將閱讀事件發送到事件服務網絡，事件分發網絡由代理在應用層構建用于閱讀事件發分的網絡，負責將與訂閱匹配的閱讀路由到感興趣的客戶。代理可以認為是面向消息中間件(message oriented middleware)或提供消息服務的agent。通常將應用(訂閱方)和閱讀器(發布方)統稱為基于發布訂閱系統的RFID網絡的客戶。

面向應用和服務的RFID網絡拓撲結構是由一系列節點V={B1，…，Bn}所構成的無向圖G=(V，L)。其中：集合V代表了RFID網絡中所有的代理；集合L{（Bi， Bj）｜1≤i，j≤n}代表了代理之間的互連。每個代理B均有與之相連的鄰居代理集合NB={H｜l(B，H)∈L; B， H∈V}，并且每個代理管理一個本地客戶集合LB。

3．2RFID事件及語義

閱讀事件是RFID網絡中基本數據單位，也是基本的數據通信對象。閱讀器在每個閱讀周期(兩個閱讀之間的時間間隔稱為閱讀周期(read cycle)開始和結束時，產生閱讀事件[9]。當標簽處于閱讀器的識讀范圍時，閱讀器會周期性地獲取標簽標志符數據，并產生閱讀消息。典型閱讀過程如圖2所示。

定義4閱讀語義。RFID閱讀采用三元組描述，即R=〈Reader_ID， Tag_ID， TimeStamp〉。其中：Reader_ID為獲取標簽的閱讀器；Tag_ID為標簽中惟一的標志符；TimeStamp為閱讀時間戳。

三元組描述了只讀標簽的閱讀信息。隨著標簽技術的發展，很多標簽實現了可讀寫的功能。針對這種類型的標簽，用四元組來描述RFID閱讀，即R=〈Reader_ID， Tag_ID， TimeStamp， Data〉。本文僅采用三元組來描述RFID閱讀。

由定義4可知，RFID系統中閱讀語義由每次閱讀的三元組惟一地確定，如果所有的閱讀器與標簽都遵守統一的標簽和閱讀器命名規則，則閱讀三元組將可以在應用中得到惟一的解釋，從而統一RFID網絡中所有閱讀的語義，實現不同應用對RFID閱讀共享。

應用利用訂閱向網絡請求感興趣的閱讀事件。為了區別于閱讀事件，本文稱之為應用事件。應用事件通常通過以下兩種方式訂閱感興趣的事件：

a)一元訂閱。根據三元組任何一個元素進行訂閱，如Tag_ID、Time以及Reader_ID。這些類型的訂閱在實際應用中均具有實際意義，如基于Tag_ID的訂閱，可以惟一地追蹤特定的對象；基于Time的訂閱可收集特定時間內的對象；對于Reader_ID的訂閱可以獲得某個位置的所有標簽信息等。

b)組合訂閱。定義兩種組合類型的訂閱，即二元素組合和三元素組合訂閱。二元素訂閱包括〈Tag_ID，Time〉，〈Tag_ID， Reader_ID〉， 〈Time，Reader_ID〉；三元素訂閱只有一種情況，即〈Tag_ID，Reader_ID，Time〉。這里不考慮元素組合順序不同有可能的差別。

定義5閱讀事件。事件是對已經發生的任何離散狀態改變的一種表示，并可以從一個實體傳送到其他實體。RFID閱讀也可以看成是事件(event)或消息(message)，包括閱讀器產生的原始事件以及閱讀器網絡控制器(reader network control， RNC)或消息中間件產生的經合并、過濾后的事件。

RFID閱讀事件的產生可以是確定性的，也可以是隨機性的。按屬性可以分為空間事件和時間事件。前者表示在某個空間發生的事件；后者則是指某個特定時間所發生的事件。按復雜度可分為簡單事件和復合事件。其中：閱讀事件和應用事件的復合事件可以認為是由多個單一屬性的簡單事件組合而成，如事件含有時間和空間信息。

3．3RFID網絡中的事件模型

事件模型為基于語義的事件、訂閱、廣告和通告內容的表示。事件模型通常有[10，11]屬性—值對的數據結構、XML(extensible markup language，可擴展標記語言)以及PML (physical markup language，物理標志語言)。無論采用何種表示方式，事件模型的一致性對于集成和開放的RFID網絡是極其重要的，并且直接影響著RFID網絡的性能。

RFID網絡的事件模型采用基于事件的通信模式，這種通信模式用事件通知服務的方式實現即為所謂的發布/訂閱系統。系統中的客戶具有兩種角色，即事件發布者和事件訂閱者。事件代理網絡負責對訂閱和閱讀事件的存儲、管理和轉發。由于采用發布訂閱機制，事件發布者無須明確知道事件訂閱者的具體位置。事件訂閱者也無須明確知道事件發布者的具體位置，事件發布者與事件訂閱者之間是一種松耦合關系，保證了通信過程的異步性和匿名性。

下面給出基于通告的RFID代理網絡特征描述：

假定某應用X擁有處于有效狀態的RFID閱讀的訂閱集SX，網絡中每個代理B會把事件通告傳送給所有擁有匹配訂閱的本地應用客戶，即滿足{X|X∈LB∧F∈SXAd∈N(F)}。F表示一個訂閱；N(F)表示匹配該訂閱的所有事件通告。此外，每個代理按照路由表把事件通告轉發給NB的一個子集，代理B的路由表TB是由路由記錄(F，U )所構成的集合，F表示訂閱，U表示代理B的鄰居節點。FFB(Ad)表示存在一條匹配特定事件通告Ad的路由記錄的代理B的鄰居集合，即{U|U∈NB∧(F，U)∈TBAd∈N(F)}。如果事件通告是由代理B的本地客戶(如閱讀器)所發布的，那么代理B就把這個事件通告轉發給在集合FFB(Ad)中的所有鄰居。如果代理B是從它的一個鄰居H處接收到事件通告Ad，那么代理B就轉發事件通告Ad給除了H外的所有其他鄰居。

此外，采用基于廣告或覆蓋路由可減少網絡負載。

4RFID網絡實驗研究

4．1實驗模型

本文在Narada Brokering(NB)系統[12]的基礎上構建面向泛在RFID應用的實驗環境。NB是一種基于發布訂閱系統的消息中間件。本文的實驗系統構建在NB開放源代碼的基礎上，采用分層體系結構，并基本保留了NB系統的消息匹配和路由算法。實驗用RFID網絡拓撲結構，如圖3所示。

為了滿足RFID應用的要求，定義并實現了RFID閱讀三元組，并統一了發布方和訂閱方的語義。發布信息格式設為三元組(ReaderID， TagID，TimeStamp)。其中：ReaderID為閱讀器標志；Tag_ID采用標準的EPC Global編碼，用96位編碼表示頭部(header)、制造商(manufacturer)、產品類別碼(product)以及產品序列號(serial number)。TimeStamp為特定閱讀器獲取特定標簽的一個時間戳。

實驗中系統模擬實現了隨機RFID事件閱讀發生器。隨機事件發生器的算法如下隨機地產生RFID事件，并對隨機RFID事件進行計數，隨機事件數量最多為1 000。

根據EPC網絡架構，在實驗系統中實現了ONS(object naming service)，用于Tag_ID與產品名稱之間的轉換。名字對象解析可以在發布方或訂閱方進行，并在發布方解析Tag_ID。ONS利用hash表結構表示，由ONS本地緩沖和遠程數據服務器組成。其中：ONS本地緩沖存在于發布方和訂閱方，用于存放了經常訪問以及最近被訪問過的Tag_ID，以減少訪問遠程數據服務器的次數。當需要對Tag_ID進行解析時，首先查詢ONS本地緩沖，如果所要查詢的值存在，那么直接獲取解析結果；否則向遠程數據服務器發送查詢請求。遠程數據服務器由ONS緩沖和綜合數據庫組成，其ONS緩沖實現類似于ONS本地緩沖，用來減少對于綜合數據庫的訪問次數，綜合數據庫采用SQL Server 2000。ONS 使用TCP連接協議，預設端口號為44444。

4．2結果分析

為了驗證多個應用與RFID閱讀之間的動態映射關系，實驗中隨機產生20個事件，訂閱方根據要求訂閱所需要的事件，采用等值匹配的方式過濾事件。多個訂閱方訂閱結果如圖4所示。根據對發布方所發布信息情況以及訂閱語義約定，經過50次重復實驗驗證，訂閱方均能按要求獲得正確的RFID閱讀事件。這表明基于NB的發布訂閱系統完全能滿足RFID網絡應用的要求。等值匹配的算法應用于一元訂閱和組合訂閱的情況，實驗結果均正確可靠。

為了進一步驗證系統的可用性，在改進后的NB系統上測試了事件路由的延時。發布方面隨機發布1 000個事件，并記錄了每個事件從發布到接收的延時。從事件發布到訂閱方接收到訂閱事件的延時，最大不超過600 ms，這可以滿足大多數RFID實際應用的要求。

5結束語

本文針對RFID閱讀事件與應用之間的動態映射關系，研究了基于發布/訂閱系統的RFID網絡模型，提出了事件與應用的動態映射關系以及采用三元組或四元組統一RFID事件的語義，以實現RFID網絡中應用對RFID閱讀事件的共享；并基于NB發布/訂閱系統，實現了這種具有統一語義RFID網絡模型。今后還將進一步研究應用訂閱語義的一致性表達以及保障RFID閱讀安全和訂閱安全性RFID網絡框架，以更好地滿足RFID實際應用的需求。

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