应用层提供互操作性的标准和开源计划

这个由多部分组成的系列解决了对支持物联网 （IoT） 以及建筑物、企业和消费者的数字化转型的单一语义数据模型的需求。这样的模型必须简单且可扩展，以实现即插即用互操作性和跨行业的普遍采用。

第一部分定义数据语义。在第二部分中，我们确定了在应用层提供互操作性的现有行业标准和开源方法。

在此处导航到该系列的其他部分：

跨行业语义互操作性：词汇表

跨行业语义互操作性，第一部分

跨行业语义互操作性，第三部分：顶层本体的作用

跨行业语义互操作，第四部分：业务与设备本体的交集

跨行业语义互操作性，第五部分：迈向通用数据格式和 API

“标准的好处是你有很多可供选择；而且，如果你不喜欢其中任何一个，你可以等待明年的模型。” ——安德鲁·塔南鲍姆

社区驱动的元数据挑战方法

我们都已经习惯了看似永无止境的新协议、倡议和联盟，所有这些都旨在迎来无处不在的传感和控制时代——我们一直在等待的物联网 （IoT）。

到目前为止，您可能认为我们已经确定了物联网设备的通用连接层，但有些技术因素对寻找通用的可互操作连接解决方案构成了相当大的挑战。成本、无线电范围、数据速率和功耗之间的权衡使得很难找到一个万能的答案。

连接层中涉及的许多“物联网标准”联盟正在走向制高点（应用层，一切都是软件，物理定律不适用［6］）。虽然应用层内的设备互操作性尚未成熟，但该层内的企业对企业 （B2B） 互操作性已在 20 多年前通过电子数据交换 （EDI） 得到解决，尽管不完善。

我们现在看到“物联网标准”和“业务标准”联盟在应用层内的互操作性中心点汇聚。对于可管理性，本系列将重点关注九个联盟的语义互操作性方法，它们共同：

跨越 OSI 模型的连接层和应用层（图 12）

解决五个相互关联的行业的大多数用例：住宅和建筑、能源、零售、医疗保健以及运输和物流（图 13）

图 12. OSI 层内的联盟互操作性方法。

图 13.按行业划分的联盟语义工作。

蓝牙

蓝牙 （ Bluetooth.com ） 是一种用于短距离交换数据的无线技术标准，由拥有 30，000 多家成员公司的蓝牙特别兴趣小组 （SIG） 管理。在消费者层面，支持蓝牙的设备是高度受限设备之间应用层互操作性的最普遍示例。

蓝牙网络建立后，一个设备充当主设备，而所有其他设备充当从设备。基本速率/增强数据速率 （BR/EDR） 版本，蓝牙“经典”，针对以节能方式发送稳定的高质量数据流（即音乐）进行了优化。较新的低能耗 （LE） 版本 Bluetooth Smart 更适合物联网和传感器，并建立在使用通用属性或 GATT的全新开发框架之上。

配置文件——为了使两个蓝牙设备能够互操作，它们必须支持相同的配置文件。蓝牙有自己的一套应用层配置文件，目前围绕着传统上由蓝牙经典实现的熟悉的“外围”角色（即耳机、扬声器、鼠标）。蓝牙智能支持 GATT 配置文件，将角色和用例扩展到个人健身和医疗保健（例如，血压、心率传感器、温度计、体重秤）。GATT 定义了一个分层数据结构，该结构暴露给连接的蓝牙智能设备。每个配置文件都描述了基于 GATT 功能的用例、角色和一般行为。

虽然当今市场上有蓝牙智能照明产品，但没有标准化的应用层协议来提供多供应商互操作性。但蓝牙 Mesh 将在任何一天推出，它正在寻找与 Thread 和 Zigbee 相同的物联网网络用例；随之而来的肯定是一套扩展的 GATT 配置文件，从外围设备到家庭和建筑用例，如照明、HVAC 等。

分配编号——蓝牙将标识符分配给与供应（公司、设备）和语义（测量单位、数据类型）相关的各种对象。

GS1

GS1 （ GS1.org ） 是一个全球性组织，负责开发和维护世界上使用最广泛的供应链标准体系。超过 100 万用户公司使用 GS1 标准在 150 个国家/地区每天执行超过 60 亿笔交易。

GS1 在应用层开发了几个标准，支持关键业务信息的互操作交换，包括交易、产品和可见性事件数据。这些标准主要解决零售、医疗保健以及运输和物流行业内的贸易伙伴之间的数据交换。

GS1 的“全球商业语言”连接了物理世界和数字世界，为物联网奠定了基础。通过扩展其标准体系，GS1 可能在加快“事物”被有效识别、互连和互操作以成为行业全球业务、人员和事物语言的步伐方面发挥关键作用。

EPC 信息服务 （EPCIS），核心业务词汇 （CBV） – EPCIS 是一项 GS1 标准，最初基于 RFID 技术，使不同的应用程序能够创建和共享有关物理或数字对象的“可见性事件数据”。它的主要用例是供应链可追溯性，使贸易伙伴能够在产品在整个供应链中移动时共享有关产品物理移动和状态的信息。它有助于回答“什么、地点、时间和原因”的问题，以满足消费者和监管机构对准确和详细的产品信息的需求。一个新兴的用例是物联网。

CBV 提供用于填充 EPCIS 数据方案的核心语义，以确保可互操作的数据交换，减少不同企业表达共同意图的方式的差异。

全球产品分类 （GPC） 和 SmartSearch – GPC 根据产品的基本属性及其与其他产品的关系对产品进行分类。从野营设备到鞋类、家用电器到玩具，所有东西都有 GPC 标准。

SmartSearch 是 GS1 对schema.org的外部扩展词汇表，预计将提供更丰富的在线产品描述以用于网络搜索。调和这两个词汇表之间的差异仍然是一个挑战。

全球数据同步网络 （GDSN） – GDSN 是一个基于 Internet 的可互操作网络，使贸易伙伴能够根据与贸易伙伴关系相关的数据存储的全球注册表同步符合 GPC 的产品数据。

EDI – GS1 EDI 为整个供应链中发生的业务交易（包括订单、装运和支付对象）的电子信息传递提供全球标准。GS1 具有三套免费标准：EANCOM、XML 和 UN/CEFACT XML。

识别码——识别码是 GS1 结构的全球唯一标识符，用于公司、贸易项目、位置、容器和资产。它们用于 GS1 条码和 EPC/RFID，并用于识别 EPCIS 事件和 EDI 交易中的对象。

互联网工程任务组 （IETF）

IETF （ IETF.org ） 是一个由网络设计者、运营商、供应商和研究人员组成的全球社区，关注互联网的平稳运行和架构演进。IETF 的征求意见 （RFC） 文档系列包含有关 Internet 的技术和组织说明，并包括协议、程序和概念。

可扩展供应协议 （EPP） – EPP （RFC 5730-RFC 5734） 是一种应用层、客户端-服务器协议，用于供应和管理存储在共享中央存储库中的对象。该协议在 XML 中指定，定义了通用对象管理操作和将协议操作映射到对象的可扩展框架。

EPP 协议套件当前包含用于 Internet 域和主机对象类的基本协议规范和语义，以及与个人和组织相关联的“联系人”标识符。EPP 最初的开发目的是使销售在线身份服务的互联网注册商能够更有效地访问中央域名注册数据。当需要确定时，可以开发其他对象类别的规范。

互联网架构委员会 （IAB） 为 IETF 提供架构监督。2016 年，IAB 组织了 IoT 语义互操作性 （IOTSI） 研讨会，以评估当前元数据模型中的差距。

对象管理组 （OMG）

OMG （ OMG.org ） 专注于支持软件互操作性的建模和基于模型的标准。OMG 管理工业互联网联盟 （IIC） 并开发了数据分发服务 （DDS），它是 IIC 连接框架内的“核心连接标准”。OMG 还管理用于建模应用程序、业务流程和数据结构的统一建模语言 （UML）。

OMG 的医疗保健领域工作组正在开发一套与健康七级 （HL7） 相一致的医疗保健互操作性标准，该标准提供了一个模型驱动的平台，支持传统接口协议，同时与当前的行业最佳实践保持一致。

2017 年，OMG 承担了美国零售联合会技术标准 （ARTS） 的所有权和管理权，并创建了一个新的 ARTS 零售领域工作组。这些标准包括 ARTS 数据模型、UnifiedPOS、POSlog、A2A 消息传递和 BPM。

ARTS 操作数据模型 （ODM） – ARTS ODM 是一种关系数据模型，它包含支持零售业务运营的数百个事务和主数据对象类。

UnifiedPOS （UPOS） – UPOS 是一项全球采用的互操作性标准，包括针对 30 多个销售点 （POS） 外围设备类（例如，收银机、收据打印机等）的 UML 定义的数据模型。这些数据模型在 UPOS 控制和服务层内是可互操作的。

开放连接基金会 （OCF）

OCF（OpenConnectivity.org）已成为物联网设备最大的工业连接和互操作性标准组织之一，拥有超过 300 家成员公司。OCF 由开放互连联盟 （OIC） 和 AllSeen 联盟于 2016 年合并而成。在合并之前，OIC 收购了 UPnP 论坛的资产，该论坛制定了 UPnP 管理和控制规范。

OCF 规范涉及与 Zigbee Dotdot 相同的互操作性层，并包括具有 RESTful 交互的通用资源和安全模型。IoTivity 是 OCF 规范的开源参考实现。

模型 ——OCF 的点对点 （P2P） RESTful 架构基于创建、读取、更新、删除、通知 （CRUDN） 操作，使用简单、开放的数据结构（模型）进行安全通信，这些数据结构描述了基本资源和设备由这些资源组成。oneIoTa 是一个开放工具，用于开发和管理 OCF 和其他组织的模型以及它们之间的映射。虽然 OCF 已经为支持家庭和建筑用例的设备类开发了自己的模型，但它正在与个人互联健康联盟 （PCHA） 的医疗保健和 EEBus 能源合作。

干草堆项目

Project Haystack （ Project-Haystack.org ） 是一个开源社区，致力于解决应用层内楼宇自动化系统和物联网设备的数据建模挑战。它开发了数据建模方法、标记库（分类法）、REST 通信协议和参考实现。

Project-Haystack 的愿景是通过创建一种标准化的方法来定义“数据语义”以及相关服务和 API 以使用和共享数据及其语义描述符，从而简化物联网数据的使用。

标签——Project Haystack 采用了一种简单、灵活的标签方法，可用于从 Excel 电子表格和 CSV 文本文件到嵌入式设备中的数据表、XML 表示、Web 服务等的媒体。

Schema.org

Schema.org由搜索引擎运营商于 2011 年推出，旨在为网页上的结构化数据标记创建和管理一组通用语义模式。标记使搜索引擎能够按定义的实体、它们的属性和关系来搜索和聚合 Web 内容。

本体 – Schema.org的本体最初是为基于顶级对象类的常见 Web 内容而开发的。越来越重视通过广泛的社区合作网络创建的本体扩展。与作为 schema.org 本身的一部分进行审查、版本控制和发布的托管扩展（例如bib.schema.org、 auto.schema.org等）不同，schema.org 的外部扩展（例如gs1.org/ voc/用于丰富的产品描述）是完全独立的，并且有自己的工作流程、审查流程和基础设施。

提议的iot.schema.org托管扩展旨在将 IoT 和非 IoT 语义词汇合并到一个可持续且可扩展的本体中，从而强制将 IoT 数据结构与使用数据的工具、产品和应用程序分离。

公开组

The Open Group （ OpenGroup.org ） 管理企业架构框架的 The Open Group Architecture Framework （TOGAF） 标准，并为其 500 多个成员组织提供论坛，以促进基于开放标准和全球互操作性的企业集成。

开放团体医疗保健论坛旨在促进互操作性以交换关键的健康和医疗保健数据。考虑到移动性、分析、云计算和物联网的融合，开放平台 3.0 论坛正在开发数字平台的互操作性标准。

开放数据元素框架 （O-DEF） – O-DEF 是一个总体语义框架，可以将行业特定的语义标准作为“插件”来适应。它的“核心索引”包括顶级对象类、属性（属性）和数据类型。Open Group 和其他组织开发的插件可以扩展“核心索引”以支持特定的用例和行业。

开放数据框架 （O-DF） – O-DF 是开放组物联网标准，支持可互操作的数据交换。对象标识符使得链接可能位于不同信息系统中的单个事物的数据成为可能。

Zigbee 联盟

Zigbee （ Zigbee.org ） 长期以来一直与其基于 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的网络堆栈相关联，现在称为“Zigbee PRO”。ZigBee 规范定义的技术旨在比蓝牙或 Wi-Fi 等其他无线个人区域网络 （WPAN） 更简单、更便宜。2013年，针对智能电网市场增加了基于6LoWPAN的“Zigbee IP”。还有“Zigbee RF4CE”，它为消费者环境提供射频控制。Zigbee 拥有 400 多家成员公司和 1，300 多种使用其技术的认证产品。

集群库 – Zigbee 集群库 （ZCL） 定义和分类大量设备将如何互操作并代表 10 多年的协作工作。该目录提供了设备 属性的细粒度分类，涵盖了广泛的设备类别（例如，HVAC、照明等）和行业（例如，家庭和建筑、零售、医疗保健、能源等）。

Dotdot – Zigbee 联盟最近宣布了一种名为 Dotdot 的新“物联网通用语言”，以将 ZCL 标准规范与连接层分离。Dotdot 的 ZCL 遗产使 Zigbee 在定义应用程序层内的对象和操作方面有了很大的领先优势。

这些应用层定义与网络和物理层连接的分离是很重要的。在此之前，拥有“Zigbee 认证产品”意味着它在应用层以及 Zigbee 网络和物理层都符合要求。现在，有可能拥有在应用层兼容但具有不同物理层的 Dotdot 兼容设备。

Zigbee 已开始展示 Dotdot 跨不同连接堆栈的互操作性（如图 14 所示），在 CES 2017 上使用 Dotdot 初步演示了基于 Thread 的设备。可以想象，消费者可以在应用层，即使它们不使用相同的连接技术。在实践中，实现这一点需要 TCP/IP 级别的某种网关设备，以使 Dotdot 适应正在使用的每个连接层。这种“TCP/IP 级别的协议收敛”模式是应用层的共同主题。

将应用层互操作性与连接层分离的一个有趣结果是“标识混淆”。例如，智能照明产品需要两项认证：一项针对“Thread Certified Component”，另一项针对“Dotdot”。如果我们希望电灯开关直接与灯具通信，我们就必须寻找两个标志来匹配。这种“双标”的局面是否会扰乱市场还有待观察。

图 14.联盟转向可互换的连接层。

审核编辑：郭婷