IOT语义互操作性之语义

这个系列文章描述了一个单一的语义数据模型来支持物联网和建筑、企业和消费者的数据转换。 这种模型必须简单可扩展, 以便能够在各行业领域之间实现插件化和互操作性。 对于一个目前从事智能硬件的老码农，觉得这些文字具有积极的参考意义。这一部分定义了数据语义。

物联网抽象层和互操作性程度

互操作性, 或计算机系统或软件交换或使用资讯的能力[1] , 是参与如今信息经济所有设备的一项要求。 传统上, 互操作性主要是在网络通信背景下定义的。 但随着从智能家居、智能建筑到智能能源、零售以及医疗保健和交通等行业, 数以百万计的设备正在连接, 因此现在需要一个更广泛的定义, 来考虑互操作性对系统以及系统性能的跨领域影响。

著名的网络互操作性框架是OSI模型。 OSI 模型通过七个不同的抽象层提供了一个互操作性的框架, 这些抽象层通过分享软件中的应用程序数据(第7层)从物理媒体中的底层传输(第1层)。 这些图层及作用的简要描述见图1。

图1 | OSI 模型概述了电信和计算网络互操作性的七个抽象层

虽然 OSI 模型的每一个抽象层都有助于整个网络的互操作性, 但每个抽象层都是弗吉尼亚建模分析和模拟中心（VMASC）定义的互操作性模型(LCIM)[2]中的三类互操作性之一。 这就是技术互操作性、句法互操作性和语义互操作性[3] ：

技术互操作性是网络交换任何形式原始信息的基本能力。 技术互操作性由 OSI 栈(层1-4)的较低层级管理, 这些层次定义了网络上各点之间可靠传输和接收数据的基础设施。

句法互操作性是在两台或多台机器之间交换结构化数据的能力, 通常由 OSI 模型的第5层和第6层处理。 在这里, XML 和 JSON 等标准数据格式提供了语法, 使系统能够识别正在传输或接收的数据类型。

语义互操作性使系统能够以上下文的方式从结构化数据中解释意义，并在 OSI 栈的第7层中实现。

在 OSI 框架中, 每个抽象层的正确实现都有助于实现互操作性, 技术上的互操作性使得句法互操作性得以实现, 进而又可以实现语义互操作性。 技术互操作性目前在多领域通信网络中得到很好的理解和标准化, 这使得句法和语义层成为了真正可互操作的M2M数据通信的关键因素。

从句法到语义互操作性的转变

在 OSI 模型的第1至第4层提供了一套基于协议的网络基础设施技术, 而句法和语义互操作性通常依赖于针对特定行业的格式和协议, 并根据现有的系统和数据类型进行优化。 这一事实导致了对现有网络基础设施进行了数十亿美元的投资, 以支持在这些垂直市场上的 M2M 通信[4]。

为了在这些情况下促进广泛的句法互操作性, 工业互联网联盟（IIC）最近发布了"工业互联网连接框架"或 IICF [3]。 IICF 重新定义了传统的 OSI 模型, 将表示层和会话层(第5层和第6层)结合起来, 提供所有必要的机制, 以便"促进数据如何由端点无歧义地结构化和解析"(图2)。 跨行业领域的句法互操作性得到了一套"核心连接标准"(目前为数据分配服务(DDS)、 opc-unify 架构(OPC-UA) , oneM2M, 以及 web services) , 这些标准通过一套拟议的标准化网关进行通信。

图2 | IIC的连接框架层为不同系统和领域的句法互操作性提供了基础

IICF 框架层允许在不同服务质量(QoS)级别上在应用程序之间传输的状态、事件和流。 这样的架构足以满足句法互操作性的要求。

除了 IICF 的句法互操作层之外, 还有信息层(OSI 模型中的应用层) , 这个层面的语义互操作性尚未确定。 在这里发生的分布式数据管理和互操作性依赖于两台或多台机器之间的指定本体, 可以自动而准确地解释交换数据的含义(上下文) , 并将其应用到一个有价值的目标。 正如 IICF 对于句法互操作性的方法所建议的, 本体必须考虑到在不同的系统和环境之间交换的元数据。 它代表了连接系统之间最高级别的互操作性。

一些行业组织努力实施涵盖尽可能广泛的行业和系统的语义数据模型(信息模型)。 它们包括 Object Management Group (OMG)、 IPSO 联盟、开放连接基金会(OCF)、开放组织、 zigbee、 Global Standards 1(GS1)、 Schema.org、 Project Haystack 等。 然而, 它们在实现适用于基础广泛的跨行业用例语义数据方案方面基本上没有成功, 因为它们的经验往往基于一系列狭窄的技术或行业细分。

下面描述了如何利用每种方法的最佳属性来实现跨多个行业和环境的可伸缩语义互操作性。

描述数据-数据语义的含义

从传感器到执行器的数据