P2P技术在物联网中的应用

曹铂潇 黄煜峰 赵荣飞 孙俊华 程慧楠 丁奕 飞?

摘 要：视频传输应用场景是物联网中的一环，该文研究音视频传输在物联网中的应用。将WebRTC部署至树莓派中，调用树莓派的音视频硬件扩展模拟物联网中的音视频采集与传输。通过以树莓派为模拟对象可将模式拓展至其他应用中或者利用树莓派的高扩展性实现多种场景音视频信息交互。

关键词：物联网;P2P;树莓派;WebRTC;高扩展性;信息交互

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

在现今的生活中，物联网的应用越来越多，智能化的物联网产物越来越深入人们的生活。而在应用的过程中，传输的安全、传输的方式也得到了发展。物联网（IoT）的概念是美国麻省理工学院（MIT）在1999年提出，而在2008年底，在IBM向美国政府提出“智慧地球”战略后，物联网很快引起了许多国家的高度关注[1]。这种旨在使万事万物皆可互联互通的概念让世界信息产业获得了又一次浪潮。

P2P（Peer-to-Peer）网络结构是一种端到端的网络互联结构，这种去中心化的网络架构在现今物联网应用中的优势十分明显。以即时通信为例：利用P2P网络架构在物联网中使用视频与语音通信的方式，延时小、可靠性高、安全性高。

将这两种技术特点综合到一起应用至树莓派中以音视频传输场景为原型形成人与物之间的通信交流。物联网作为互联网中的延伸可以应用在多种设备中实现数据的传输与交换，P2P技术旨在实现端到端的网络通信，后者应用在前者中可以实现更好的应用功能。

1 物联网的概念与特点

根据物联网的概念，大家可以把它想象成万物之间沟通的桥梁。物联网是建立在互联网基础上并不断延伸和扩展的网络，即用户端延伸和扩展到了任何现实和可能的物品与物品之间，能进行实时的、准确的信息交换和通信。一些学者按照物联网的服务流程及各子系统所实现的主要功能将整个系统分为感知、传输、处理三个主要环节，据此将物联网网络架构分为感知层、网络层和应用层[2]。国际电信联盟（ITU-T）定义了IoT通用参考模型，该模型由设备层、网络层、应用层及与之相关的管理和安全构成。设备层用以识别、采集、捕获，网络层依赖各类网络的相关控制与传送，连接业务支持和应用支持层。图1为物联网参考构架图[3]。

本文把物联网的应用过程总结为两个字—随时。为什么说是“随时”呢？从概念上看，物联网主要实现物与物、人与物之间的关系。从结构上看物联网的三种层次都围绕采集、识别和捕获。这些都需要随时使用，实现物与物、人与物的随时交流。

2 P2P网络的概念与特点

点对点网络或称对等计算机网络，是一种分布式应用程序体系结构，用于在点之间分配任务和工作负载，它是应用层中对等计算模型形成的网络或网络形式。通过这个概念可以建立起如图2所示的网络拓扑图[4]。

图中，把每一个用户（peer）当作一个节点，每一个节点在这个网络架构中都是地位相等的，每一个节点都是服务器（server）和用户（user），每一个节点都是在网络架构中提供服务和内容。两个节点之间的消息或资源联系不需要经过中心服务器或其他节点，保证了即时和安全。这么做首先避免了在传统网络架构中可能出现的性能或网络带宽瓶颈;其次，在整个网络体系结构中，不仅会有用户对服务的需求增加，在总体上，系统资源和服务能力也在同步扩展，总是很容易满足用户的需求。所以理论上，它的扩展性几乎可以认为是无限的。那么在整个网络架构中由于没有中心节点的存在，当出现攻击者攻击其中一个节点时，其他节点不会因为其中一个节点的攻破而全部暴露在攻击者面前，保证了整个网络架构的安全性[4]。在网络中，当对用户提供Web服务时，一定会遇到在访问量高峰时段的高并发的时候，用户请求数较多但一台服务器（server）无法同时处理这么多请求时，一定会搭建部署负载均衡以平分大批量请求数的状态下，用多台服务器平分处理巨大的数据量压力。结合P2P网络拓扑结构和定义可以形成一个网络的负载均衡。

3 在现今网络应用环境中所需解决的通信问题

现今的网络通信协议中，首先要研究两种協议：UDP协议和TCP/IP协议中的通信过程和特点。其中，UDP协议中的UDT协议使安全性和可靠性大大增强;TCP/IP协议的可靠性优势与UDP协议对传输要求较高的应用场景十分有优势。因其各有特点，所以它们被应用于不同的网络协议中。P2P网络结构应用在物联网中需要TCP/IP的可靠性和UDP在传输上的优势，以音视频使用P2P架构传输在物联网中应用为例，音视频传输需要的传输性能较高，在人与物、物与物之间传输也需要较好的安全性。所以两种协议各有用处。

其次，在IPv4中为缓解ip地址短缺的问题而出现了NAT网络地址转换技术，但私网地址，如192等网段无法在公网上使用，需要做NAT穿透。

在P2P网络中可以通过公共节点的方式获取在内网中的设备，在外网的IP及端口，内网节点通过公共节点连接至其他节点或网络（其他节点或网路连接至内网节点）实现内网穿透。

4 以利用WebRTC技术在树莓派上应用为例

WebRTC技术是一种基于浏览器的多媒体实时通信技术[5]。这种技术最大的特点是可在不安装任何扩展和插件的前提下实现点对点的实时通信，十分适合在实时的物联网视频监控中应用。将WebRTC技术总体的3个部分以不同端口运行的方法部署在一台树莓派中进行连接测试应用。

在树莓派上安装支持ARM指令集的Raspbian系统，远程桌面截图如图3所示。

安装nginx，并设置端口为8080，如图4所示。

配置文件nginx.conf时，在HTML内添加如图5所示的代码用以解析https。

修改WebRTC信令服务器配置文件如图6所示。重新编译信令服务器并开启https如图7所示。

树莓派上测试的摄像头开启标识为video0：/dec/video0 open。

视频流上传模块位于树莓派上，將获得的视频流进行处理并每5 s保存为一个视频文件。在两端连接后形成音视频交换。在传输的过程中，为了保证传输和通信质量，还需要做对音频的降噪处理。这样在整个网络中形成如图8所示的结构。

5 结 语

音视频传播在P2P网络结构中有着十分显著的优势，而在物联网中也能得到良好应用，比如在温室大棚监控、无人机植保等应用中有着显著效果;无人机植保中，需要大量人力操作无人机，如把无人机当作物联网中的一个节点的话，连接至一树莓派，飞手可通过Web端或客户端同时协助多个无人机同时作业，既可以缓解现今无人机飞手较少，需求却较大的问题，也可以加快物联网在现今的推广和普及。

参 考 文 献

[1]葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014（7）：222-230.

[2]林乐虎.我国物联网产业发展现状分析及政策措施[J].宏观经济研究，2013（11）：81-86.

[3]闫亚旗，周桂英，盛明哲，等.物联网产业现状与技术发展[J].信息通信技术，2018，12（4）：19-25.

[4]邱宜干. P2P网络的特点及运行环境分析[J]. 中国管理信息化，2018（9）：153-154.

[5]梁艳.基于HTML5的WebRTC技术浅析[J]. 信息通信技术，2014，8（2）：52-56 .

[6]王玥.基于WebRTC的实时智能视频监控平台的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2018.

[7]左聪.基于HTML5的点对点流媒体系统研究与设计[D].北京：北京邮电大学，2018.

[8]张燕，汪晓红，王晴.基于树莓派云视频流媒体的远程监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（11）：45-47.

[9]曹阳.关于P2P对等网络差异数据通信优化的研究[J].电脑知识与技术，2016，12（16）：38-39.

[10]孙卫喜，席少龙.P2P中NAT穿越问题的研究[J].计算机技术与发展，2014，24（2）：242-245.