基于REST風格的混雜感知車載網信息服務設計

黃江龍 陸劍峰

摘要：實時可靠地獲得全面的車載感知服務信息是車載網絡發展的“瓶頸”問題。混雜感知車載網(HSVN)兼有無線傳感器網絡(WSN)和車載自組網(VANET)的特點，為車載用戶提供了大量車載信息，是車載網絡的發展趨勢。表述性狀態轉移(REST)架構統一了資源格式和交互形式，在服務器和客戶端間進行無狀態服務，有利于異構問題的解決。文章基于HSVN的信息服務特征，提出一種新型車載網絡框架和服務模型，能提高車載感知信息的服務交互能力；基于REST架構理念，采用HSVN中信息服務資源設計方法，為異構網絡下的信息交互系統提供一種輕量化的實現途徑。

關鍵詞：混雜感知車載網；表述性狀態轉移；車載感知服務；服務資源

Abstract: Obtaining vehicular sensor information reliably in real time has always been a bottleneck in vehicular networks. Hybrid sensor and vehicular networks (HSVN) incorporates the features of wireless sensor networks (WSN) and vehicular ad hoc networks (VANET) and provides users with a large amount of vehicular information. HSVN is becoming the trend in vehicular network development. REST architecture makes resources and interactive behavior more uniform and creates stateless services between server and client. These features are helpful for heterogeneous applications. In this paper, we propose a new vehicular network frame and service module for improving interaction. We propose a way of using the information service resources design method in HSVN to create a lightweight method for building aninteractive system in a heterogeneous network environment.

Key words: HSVN; REST; vehicular sensor service; service resource

隨著物聯網技術的不斷發展，以感知、互聯為特征的物聯網應用越來越得到重視，一個重要的應用領域就是車聯網。和傳統的物聯網一樣，車聯網的基礎也是無線傳感網(WSN)，它為車輛的感知、互聯提供基礎支持。由于車輛移動的特性，車輛之間通常形成以自組織為特點的車載自組網(VANET)。WSN和VANET的結合形成一種混雜感知車載網(HSVN)[1-2]。在VANET或HSVN中，車輛非靜態地與基礎網絡進行鏈接(與傳統的計算機網絡方式不同)，這使得車輛網絡必須考慮如何將車輛作為節點集成到基礎網絡當中，以便網絡能夠通過路由設施尋址獲得對車輛節點的交互服務。

由于VANET和HSVN的移動和自組織性，在物聯網的應用層，從信息資源類型、信息資源訪問方法、信息資源的交互方式等角度出發，對其所運行的信息系統也有不同的要求。在Web服務當中，表述性狀態轉移(REST)作為一種軟件架構約束或者設計原則，其目標在于避免服務器使用資源服務的應用狀態，通過確保服務當中的重要資源能夠以統一標識符(URI)的方式得以指示，進而使得客戶端的所有交互能夠從服務器上獲得所有必需的服務狀態信息，同時服務器端不用保存來自客戶端的資源會話狀態信息[3-4]。與傳統的基于狀態的應用相比，REST的這種工作方式大大提高了Web服務的可伸縮性、通用性和組件獨立性，這對于需要處理海量的不同信息類型的無線車輛網絡無疑具有一定的適用性。

本文結合HSVN信息服務的典型應用，給出一種基于REST設計思想的車載感知信息服務的設計框架，它能夠以較經濟的方式滿足車載感知信息服務需求。

1 混雜感知車載網信息服務

1.1 混雜感知車載網信息服務場景

車輛在道路上行駛，在經過道路交叉口臨時停靠和進入停車場后停靠情況下，車輛和外在單元的信息交互服務應用，可以看作是典型的具有WSN和VANET特征的HSVN應用。圖1表示了這種HSVN應用的一個典型場景。

圖1中，架設在道路邊上的道路終端，以及在停車場上的停車場終端，構成了一個“靜態”的無線傳感器網絡(WSN)，靜態WSN的主節點可以以有線的方式接入主干網(如Internet)。而車輛自身的感知服務加入到這個靜態WSN中，形成了“動態”的WSN

行駛在道路上的車輛之間構成一個自組織的VANET。車輛處在VANET和WSN兩個網絡之中。這兩個網絡能夠實現道路交通信息的共享以及進行快速的數據交換。車輛自發組成的VANET，并不是保持持續的狀態而是在可能的條件下以點對點的模式進行互聯，尤其是在兩輛車相互靠近的時候。車輛一方面能夠采集自身的狀態信息，另一方面當車輛經過道路終端時能夠下載存儲于網絡當中的道路信息，而車輛也能實時地將自身的信息上傳到WSN進行覆蓋更新。圖1給出的典型場景當中存在著3種交互子場景：

·VANET中車輛與WSN的交互，通過和道路終端的通信完成。

·同一方向上的車車交互。

·相反方向上以車群為單位的車車交互。

1.2 混雜感知車載網服務模型

通過對典型場景的分析，可以把一個HSVN內信息交互對象分成車載終端用戶、道路交通服務基站、交通安全服務中心和PC用戶四大類。其中，PC用戶是指通過高速接入(一般為有線網絡)方式接入到主干網的靜態終端用戶，這部分用戶的應用模式和傳統的PC應用模式相同，本文中不加專門討論。

HSVN應用目的之一是保障交通安全，為用戶提供“平安出行”的服務。交通安全服務中心作為整個服務系統的核心，維護了各項服務的獨立性和安全性。一般它具有專門的數據庫系統。數據庫系統和交通路況信息系統、地理信息系統(GIS)等進行互聯，結合HSVN中道路交通傳感器網絡，能夠存儲從各個節點收集來的各項數據，進行有效地數據分類規劃并對各分類服務進行有效地管理控制。典型的服務內容見表1。

圖2中的道路交通服務基站是由一系列道路終端、停車場終端等組成的傳感器網絡。根據交通安全設計的需要，這些基站(終端)可以是簡單的信息收發單元(類似于接入點(AP))，也可以是自帶系統的智能單元。從安全感知的需求出發，道路交通服務基站會被設計成為帶有數據庫的小型計算機系統，既可監測路況信息又可作為數據的接入點。它能夠從任何的車輛節點接收、存儲數據，也能夠為車輛提供一定的信息服務。其擁有屬于自己的資源控制規則。基于基站感知元件的感知能力不同，不同的道路交通服務基站有不同的覆蓋范圍。在移動應用中，車載終端用戶形成車載自組網(VANET)，網內車輛為點對點的通信模式。隨著車輛在道路上的行進，一般這個網絡會動態地進行改變。

車載終端和交通安全服務中心以及道路交通服務基站的通信會比較復雜一些。一方面，車輛通過道路終端或停車場終端等服務基站來獲取信息服務。如果車輛在行駛過程中，其和道路終端的關系動態地改變，服務會根據車輛行駛的路線分段進行。車載終端會進行網絡接入點的監測，選擇便于接入的道路交通服務基站。車輛終端用戶從中獲取路況信息。道路交通服務基站會定期與交通安全服務中心進行交互以更新信息。道路交通服務基站扮演著無線網絡和固定網絡的接口角色，其自身也相應搜集氣象等信息。圖2顯示了場景的服務結構。車載終端用戶所在的車輛節點擁有獨立的信息展示系統，沿其行駛路線進行數據收集，一方面接受服務基站和安全中心的各種服務，一方面將自身的數據與基站和中心進行共享。車輛節點與其所在的車載自組網同樣也會進行信息的共享。

對于沒有道路交通服務基站覆蓋的區域，車載終端可以通過移動網絡(2G/3G網絡)和主干網進行通信，直接從交通安全服務中心獲取服務。

1.3 混雜感知車載網信息服務的特點

根據上面分析，結合HSVN中車載終端的移動特性，可以得知HSVN中信息服務有如下特點：

(1)信息多路傳播，多路由。車載終端可以通過道路終端接入到主干網，獲取交通安全服務中心的服務，也可以通過移動網絡直接接入主干網獲取服務。數據傳輸路由的選擇則與道路終端的部署情況、車輛無線網絡的信號強度、服務的內容等因素有關系。

(2)客戶/服務角色的統一。一個節點(車載終端、道路終端等)在整個網絡中既可能是客戶(獲取服務)，也可以是服務者(提供信息服務)。每個終端都有一定的信息處理能力，需要對不同的信息進行融合分析處理。

(3)信息可以分成緊急和非緊急兩大類。對于緊急信息，需要實時傳播。例如，前面車輛的突發故障信息需要及時傳遞給后續車輛，發出警示。緊急信息一般可以被設計成短幀格式，便于傳送。而非緊急信息，如道路的實時路況視頻信息，一般需要更大的帶寬來進行傳輸。

(4)服務傳送信息越簡潔越好。由于移動過程中車輛和道路終端的連接會頻繁切換，因此一個服務最好是車輛在一個道路終端的覆蓋范圍內完成。服務信息涉及的字節數越少，完成服務的時間越短，其涉及的信息單元就越少。

2 表述性狀態轉移信息

交互設計

針對跨平臺、松耦合的客戶/服務體系，面向服務的架構(SOA)是一種普遍的解決方法。2000年Microsoft公司正式提出Web服務概念，并且隨后聯合其他公司共同制訂了簡單訪問對象協議(SOAP)，Intel、IBM、Microsoft等公司指定了Web服務描述語言(WSDL)和統一描述、發現和集成(UDDI)協議，形成了完整的SOAP Web服務體系架構[5]。在該模式下，超文本傳輸協議(HTTP)只是用來進行信息傳遞的協議。在這協議之上有SOAP協議對數據進行封裝[6]。一個Web服務通過WSDL來進行描述，一般包含了多個可以被調用的方法。調用方法可以使用多種數據類型，甚至是數組等復雜數據類型。

這種面向傳統計算機平臺的Web服務架構主要缺點是實現復雜，一個URI對應的Web服務包含很多方法，各個方法調用形式不同，參數類型不同，導致訪問的編程復雜。同時，由于信息傳遞是通過基于SOAP規范的可擴展標記語言(XML)文件實現，數據傳遞過程必須進行必要的打包操作，帶來了數據傳送量的增大。

2000年，Roy Thomas Fielding提出了REST風格的Web服務。服務在Web級規模交互上存在優勢，其具有以下特征[6-7]：

·帶有狀態的服務被抽象成資源。

·每個資源都對應唯一的資源標識(URI)。

·所有資源通過通用的連接器接口(HTTP)進行通信和操作，限制在CRUD(Create、Retrieve、Update和Delete)4種操作。

·所有REST交互都是無狀態的。

·采用Client-Server結構，用戶界面與數據存儲分開。

·架構是分層的。

·服務器端響應強制標志出是否可以緩存。

在SOAP式的Web服務架構中，關注點在于方法；在REST式的架構中，關注點在于資源。服務架構使用標準方法檢索并操作信息片段，同時需要制訂信息的表示方法[8]。REST利用簡單的HTTP、URI標準和XML語言構建起輕量級的Web服務，從而大幅度地提升了開發效率和程序性能，也為構建下一代高性能、高可伸縮性、簡單性、可移植性、可靠性的Web程序提供了一個架構風格上的準則。

3 混雜感知車載網信息

服務的表述性狀態轉移

風格的服務設計

REST風格的服務設計，可以被稱為面向資源的應用(ROA)風格的應用。在REST當中，資源的定義起到了基礎性的作用。資源設計可借鑒的方法有很多種，這里主要從上面提到的服務對象和服務過程來歸納。

3.1 感知信息數據規劃

在REST當中，進行數據規劃的真正作用在于提出系統想要提供或者說暴露的數據集，也就是系統的服務類。表2是HSVN場景下所定義的典型數據集，每一數據集擁有其根據實際需要而統一的數值類型和命名方式。

3.2 感知信息資源設計

REST的資源設計和命名是通過設計URI來體現的，同時URI也表明了資源的地址[9-10]。URI是客戶端與服務端之間接口的重要部分，保持其穩定性和永久性是相當重要的，為此設計時應該按照一定的規范來保障URI的一致性。本文按文獻[11]所提的慣例來設計。

首先對于整個服務來講，服務首頁也就是根資源，定義其URI為http://www.hsvn-service.com。接下來，可對每個子服務進行設計，其URI分別定義如下：

·車輛預警模塊——http://www.hsvn-service.com/vehicle-warning

·路況預警模塊——http://www.hsvn-service.com/road-warning

·氣象服務模塊——http://www.hsvn-service.com/weather-services

·定位服務模塊——http://www.hsvn-service.com/localization-services

·路徑規劃模塊——http://www.hsvn-service.com/path-plan

在此基礎上，以路況預警為例，進一步進行設計，具體如表3所示。

3.3 感知信息資源表述

確定資源并設計好URI以后，必須考慮當客戶端發送服務請求時，服務器應返回什么數據。在REST風格中，資源有多種表示形式，包括XML/JSON/ATOM等等。該資源格式應要能夠：傳達資源的當前狀態；鏈接到可能的下個應用狀態或資源狀態。

路況預警資源的組織形式，表現為層次結構，每一層次就是一項數據報告，以屬性名進行命名。同時為實現連通性，在路況預警資源的表示中將顯示其他資源的URI。由于JSON格式表示簡單，屬于純文本格式，有利于降低網絡的負載要求[12-13]，本文采用此格式。類似的表述格式如圖3所示。

從整體上考慮，資源的表示主要是設定HTTP的請求報頭和請求實體，并且實體的格式必須和連接類型聲明一致。

4 表述性狀態轉移式的混雜

感知車載網服務架構

建立針對HSVN的REST風格的服務，需要通過分析服務當中的邏輯實體，建立服務信息模型，從而規劃出滿足HSVN條件的REST風格的服務。圖4是根據HSVN信息服務特征及REST約束規則設計的HSVN軟件服務架構。架構以資源服務控制器為核心。

客戶端是各類需要服務的應用系統。客戶端包括移動終端以及靜態終端，其涉及的操作系統平臺也各不相同。

感知服務層提供各類服務。其中，資源服務控制器負責管理客戶端的服務請求(在其內部擁有一個路由設備)，根據URI將每個收到的請求路由到適合的服務節點(找到適合的HSVN網絡接入點)。各個服務節點通過規范化的REST接口去執行具體的信息服務請求。

服務節點運行在道路終端、車載終端或者服務中心的異構計算機平臺上。各類服務節點提供的服務能力不同。

資源服務層提供整個網絡服務共享的數據和資源服務，其運行于服務中心的計算機平臺上。

5 結束語

HSVN作為未來車載網絡的發展方向，其混合式的框架決定了其在處理車載感知信息時的復雜性和多樣性，對信息服務的數據融合、表示、存儲等各方面提出了較高要求。本文在分析HSVN應用場景和服務模型的基礎上，結合REST架構設計準則，給出了HSVN中車載感知信息服務的設計方法，可以生成具有良好可伸縮性、通用性和組件獨立性的車載網絡服務系統。

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收稿日期：2012-01-03

作者簡介

黃江龍，同濟大學CIMS研究中心在讀碩士研究生；主要研究方向為嵌入式應用。

陸劍峰，同濟大學CIMS研究中心副主任、博士、副教授；主要研究方向為系統工程、企業數字化應用；獲國家科技進步獎1次、省部級科技進步獎5次，已發表論文20余篇。