基于雾计算的物联网架构研究＊

李世超

（甘肃政法学院，兰州 730070）

基于雾计算的物联网架构研究＊

李世超

（甘肃政法学院，兰州 730070）

物联网是一种能将物体连接至互联网使其更加智能的技术。但是物联网设备产生的大数据难以处理，网络架构的可扩展性差，以及用户的安全隐私容易泄露等问题都限制了物联网的发展。为了解决这些问题，通过分析雾计算所具有的优势提出基于雾计算的物联网架构。基于该架构，同时考虑到用户的安全隐私问题，又提出分层的网络架构。最后对文章进行总结和展望。

雾计算；物联网；大数据；可扩展性；安全隐私

1 引言

近年来随着无线通信技术的发展，大量安装有传感器的智能设备可以与互联网相连接。这些具有计算、通信和感知能力的设备构成了IoT（Internet of Things，物联网)[1]。 目前很多互联网公司都已经在物联网的基础上提出了智能家庭、智能城市、智能医疗、智能交通等概念[2]。虽然物联网在很大程度上能够使我们的生活更加便利，但是目前仍有一些问题需要解决。

第一，物联网设备所产生的数据量十分巨大，并且增长十分迅速。据欧洲通信委员会预测，到2020年，互联网的接入设备将达到500～1000亿[3]。美国思科公司也预测到2019年，由互联网的接入设备所产生的数据量每年将达到507.5ZB[4]。第二，目前的网络架构的可扩展性较差，使海量设备接入互联网需要提出新的网络架构。第三，用户间的安全及隐私是一个不容忽视的问题。在物联网中为了获得更好的服务，用户通常会将自己的信息传输至物联网的服务器中，而这些信息通常是包括了用户的隐私。因此，需要设计一种在能够保障用户服务质量的前提下，保护用户隐私安全的物联网架构。

2 雾计算在物联网中的优势

云计算作为一种信息集中处理技术受到了越来越多的关注。由于云计算允许用户共享云端的计算资源，物联网设备产生的大数据可以得到有效的处理。但是在物联网中仅仅使用云计算会带来两个问题。第一，用户将大量的数据传输至云端会消耗大量的能量，时间以及带宽资源，并且会对前向回传链路造成较大的压力。第二，由于云服务器所覆盖的范围可以达到15 km×15 km[5]，用户至云端的距离较远，这样就会产生较大的传输时延。为了解决以上的问题，雾计算应运而生。雾计算的思想就是将原来部署在云处理中心的虚拟机部署在网络的边缘。通过无线接入网络使得控制层和数据层的功能可以在本地的中央处理器中完成。因此，雾计算可以有效的减少计算负担以及资源的浪费。另外，由于雾节点与物联网的距离更近，因此能够有效的减少端到端的时延。

3 基于雾计算的物联网架构

目前的移动网络中存在大量的基站或路由等设备来保障用户的无缝覆盖，这些分布式的基站或路由等设备同样也可以为物联网设备提供服务。由于物联网设备多种多样，为了支持物联网设备的多种不同的传输要求，每一个基站或路由等设备都应该具有多种接入制式，如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee和LTE等，如图1所示。这种具有多种接入制式的基站或路由等设备可以认为是一种收集初始数据的无线网关。将雾节点与这些基站或路由等设备相连接，可以有效的处理收集到的数据。

由于雾计算具有很多优点，可以将其应用在物联网架构中[6]。图2为提出的基于雾计算的物联网架构。在该架构中，雾节点通过高容量的光纤与基站或路由等设备相连接，可以减少端到端的传输时延。另外，雾节点可以部署在小区网络的边缘，从而可以使得不同的基站或路由等设备可以使用同一个雾节点来处理数据。传统的核心网数据处理效率低，可扩展性较差，可以采用软件定义网络（SDN）来设计雾节点核心网[7]。SDN将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而通过集中的控制器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。SDN中的所有交换机采用Openflow协议由控制平面所管理，除此之外，控制平面还可以进行数据转发平面的流量监控、用户间的会话建立、用户的移动性管理、用户鉴权以及网络功能虚拟化。

图1 具有多种接入制式的基站或路由示意图

网络中的雾节点都可以与云端相连接，这样可以充分利用云端的计算能力来提高网络部署的灵活性。当网络中有大量的数据需要处理，而雾节点又没有足够的计算能力时，雾节点可以将数据上传至云端，由云端进行处理，但这样做的缺点就是会造成较大的通信时延。

4 分层的网络架构

图2 基于雾计算的物联网架构

在物联网中，用户产生的很多数据可能都会包含有个人信息，比如智能手机所拍摄的照片和视频，智能车辆中的GPS信息，可穿戴设备感知到的健康信息以及智能家居中的房屋状态。对这些大数据进行分析不仅对个人有益，对整个社会也有很大的益处[8]。比如，分析物联网设备拍摄到的照片/视频可以识别和跟踪恐怖分子。当一个物联网设备将恐怖分子的照片传送至雾节点时，每一个雾节点都会将该照片与本地所存储的照片相比对。如果比对成功，雾节点会将照片传输至云端进行进一步的处理。但是这样做的前提是需要用户共享自己的数据，因此，保护用户的隐私就成为了一个亟待解决的问题。

为了解决这个问题，我们提出了一种分层的雾计算架构。如图3所示，每一类用户（这里的用户是指拥有私有物联网设备的一类用户，如在一个公司/企业内部部署的物联网设备，这些设备之间是可以相互分享信息的，不存在安全隐私问题）与一个代理虚拟处理器（VM）相连接，代理虚拟处理器具有信息计算及存储的能力。每一类用户的物联网设备通过多种接入制式的基站或路由等设备与一个代理虚拟处理器相连接，代理虚拟服务器将接收到的原始数据按照不同的类型进行分类，经过分析处理后将数据传输至对应的应用虚拟处理器中。需要注意的是经过代理虚拟处理器处理后的数据去掉了个人的隐私。比如，在恐怖分子监测的应用中，只有照片/视频的位置信息和时间信息上传至应用服务器，而不是将照片/视频直接上传。应用虚拟处理器对数据经过分类，并为每一个代理虚拟处理器提供语义模型（如提供恐怖分子监测应用算法）来获取自己想要的信息。

图3 分层网络架构

代理虚拟处理器的部署可以是动态的，如果物联网设备是静态的，（如智能家居中的传感器）则代理虚拟处理器可以部署在雾节点附近。如果物联网设备是动态的，（如智能手机和可穿戴设备从家庭移动到公司）代理虚拟处理器可以分成两部分，一部分仍然是静态部署，另一部分可以随着物联网设备的移动而移动。这样做的目的是能够有效的减少网络的负载，降低端到端的时延。

对于应用虚拟处理器的部署通常也有两种方案，一种是本地应用虚拟处理器部署，另一种是远端应用虚拟处理器部署。本地应用虚拟处理器部署是指将应用虚拟处理器部署在雾节点中，处理和分析本地代理虚拟服务器所接收到的数据。比如，在停车应用中，本地代理虚拟服务器可以接收到智能车辆感知的周围车辆信息，并将其传输至本地应用虚拟处理器进行处理，从而可以帮助用户找到合适的停车地点。远端应用虚拟处理器部署是将应用虚拟处理器部署在远端的云节点中，来处理不同雾节点的代理虚拟处理器所传输的数据。当应用虚拟处理器需要知道大范围的信息时，这种部署方式就变得十分必要。比如，在智能交通中，应用虚拟处理器只有获得大范围的交通信息才可以为用户提供道路的拥塞信息，从而规划处最优的行使路径。

5 结论及展望

物联网作为一种新兴的技术可以使得各种物体相互通信并与互联网相连[9]。在本文中，我们考虑了物联网存在的3个主要问题、大数据处理、网络扩展性以及用户隐私安全。通过分析雾计算的优势，提出了基于雾计算的物联网架构，从而有效的解决了大数据处理以及网络扩展性的问题。在此基础上有提出了分层的网络架构来解决用户的隐私安全问题。

随着科技的发展，传感器的费用将会越来越低，物联网的应用将会越来越普及。雾计算凭借着自身的优势将会为物联网的发展提供有力的支撑。

[1] L. Atzori， A. Iera， G. Morabito， The Internet of things： A survey [J].Computer networks， 2010，54(15)：2787-2805.

[2] 孔晓波. 物联网概念和演进路径[J]. 电信工程技术与标准化，2009，22(12)：12-14.

[3] H. Sundmaeker， P. Guillemin， P. Friess， et al. Vision and challenges for realising the Internet of things[R]. Cluster of European Research Projects on the Internet of Things， European Commision， 2010.

[4] C. V. Networking， Cisco global cloud index： Forecast and methodology 2014-2019 (white paper)[R]. 2013.

[5] M. Peng， Y. Sun， X. Li， et al. Recent advances in cloud radio access networks： System architectures， key techniques， and open issues[J]. IEEE Communications Surveys Tutorials， 2016，18(3).

[6] F. Bonomi， et al. Fog Computing and Its Role in the Internet of Things[C]. Proc. 1st Ed. MCC Wksp. Mobile Cloud Computing， 2012：13-16.

[7] A. Lara， A. Kolasani， B. Ramamurthy. Network Innovation using OpenFlow： A Survey[J].IEEE Commun. Surveys & Tutorials， 2014，16(1)：483 512.

[8] X. Jin， et al. Softcell： Scalable and Flexible Cellular Core Network Architecture[C]. Proc. 9th ACM Conf. Emerging Networking Experiments and Technologies， 2013：163-74.

[9] 段为. 物联网能力开放平台研究与设计[J]. 电信工程技术与标准化， 2016，29(01)：40-43.

Research on internet of things architecture based on fog computing

LI Shi-chao
(Gansu Insitute of Political Science and Law, Lanzhou 730070, China)

The Internet of things (IoT) is a technology that connects objects to the Internet and makes them more intelligent. However, the big data generated by the IoT devices is difficult to handle, the scalability of the network architecture is poor, the user's security and privacy is easy to disclose, which issues have limited the development of IoT. In order to solve these problems, by analyzing the advantages of fog computing,the framework of IoT based on fog computing is proposed. Based on this architecture, a hierarchical network architecture is proposed when considering the security and privacy of users. Finally, the article is summarized and prospected.

fog computing; internet of things; big data; scalability; security and privacy

TN915

A

1008-5599（2017）11-0063-04

2017-08-21

甘肃省教育厅高等学校科研项目（2017B-33）。