衛(wèi)力，王玉峰

　?。暇┼]電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

　　摘要：隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，鄰近區(qū)域服務(wù)（Proximity Service，ProSe）成為近年來(lái)研究的新熱門(mén)領(lǐng)域，鄰近區(qū)域服務(wù)不僅需要解決移動(dòng)設(shè)備分布式通信問(wèn)題，還需要滿(mǎn)足服務(wù)發(fā)現(xiàn)、有效信息挖掘、隱私安全、節(jié)能等高層次的要求。當(dāng)前的研究缺少對(duì)各個(gè)層次具體需求的完整分析。文章嘗試將鄰近區(qū)域服務(wù)的需求分層次討論，同時(shí)嘗試總結(jié)對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)框架需要具備的特性，最后介紹了目前典型的開(kāi)發(fā)框架。

　　關(guān)鍵詞：鄰近區(qū)域服務(wù)；分布式通信；開(kāi)發(fā)框架

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN92；TP3

　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

　　DOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.11.003

　　引用格式：衛(wèi)力，王玉峰.鄰近區(qū)域服務(wù)及開(kāi)發(fā)框架的需求分析［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（11）：811,14.

　　0引言

　　當(dāng)今，現(xiàn)代的移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦等，都配備了藍(lán)牙、WiFi、WiFi直連等最先進(jìn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)，同時(shí)還配備了各類(lèi)先進(jìn)的傳感器，使得移動(dòng)設(shè)備能夠?yàn)橛脩?hù)提供多樣化的鄰近區(qū)域服務(wù)（Proximity Service, ProSe）。

　　雖然已經(jīng)有很多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或公司著手鄰近區(qū)域服務(wù)的研究，但是已有的各類(lèi)方案都還沒(méi)有完全解決鄰近區(qū)域服務(wù)的所有問(wèn)題。本文認(rèn)為其主要原因是業(yè)界缺少對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)所有要素進(jìn)行綜合的、整體的評(píng)估和分析，使得研究者各自為政，難以把握研究的重心。此外，本文認(rèn)為，鄰近區(qū)域服務(wù)在發(fā)展后期，需要將不同類(lèi)型的鄰近區(qū)域服務(wù)中的通用要素整合成可重用的框架，例如設(shè)備地址分配、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)等。這能讓后來(lái)的研究者以最小的知識(shí)需求，快速加入到這一領(lǐng)域不同類(lèi)型場(chǎng)景下高層次問(wèn)題的研究。

　　基于上述目的，本文首先簡(jiǎn)要介紹了鄰近區(qū)域服務(wù)，接著提出鄰近區(qū)域服務(wù)的分層結(jié)構(gòu)并討論實(shí)現(xiàn)各層的主要挑戰(zhàn)要素。指出在研究中引入一個(gè)開(kāi)發(fā)框架的重要性，并分析了這種框架應(yīng)具備的特性。最后，簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)前典型的一些框架。

1鄰近區(qū)域服務(wù)概述

　　所謂鄰近區(qū)域服務(wù)，指的是設(shè)備之間，彼此發(fā)現(xiàn)鄰近區(qū)域的其他設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用，從而交換信息以提供或獲得服務(wù)的過(guò)程。在鄰近區(qū)域服務(wù)中，用戶(hù)之間的網(wǎng)絡(luò)交流緊緊地聯(lián)系著他們物理上周?chē)沫h(huán)境，從而與所處的位置息息相關(guān)。這種“此時(shí)此刻”的服務(wù)，拓展了空間和時(shí)間，更有針對(duì)性地吸引用戶(hù)和提供服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)鄰近區(qū)域移動(dòng)社交（Mobile Social Network in Proximity, MSNP）之類(lèi)獨(dú)特的服務(wù)\[1\]。

　　典型的鄰近區(qū)域服務(wù)主要有兩類(lèi)：公共通信與商業(yè)服務(wù)。公共通信包括緊急救災(zāi)、傳輸機(jī)密信息等。

　　商業(yè)服務(wù)則發(fā)展出鄰近社交、多人游戲、多媒體分享、電子教育等新穎的形式。其中，鄰近區(qū)域移動(dòng)社交是這一領(lǐng)域當(dāng)前非?；馃岬囊粋€(gè)場(chǎng)景。

2鄰近區(qū)域服務(wù)各層要素分析

　　本文將鄰近區(qū)域服務(wù)主要分為三層：物理層、上下文層、應(yīng)用層。如圖1所示。

　　最底層是物理層，主要包含無(wú)線(xiàn)連接和各類(lèi)傳感器，這一層主要負(fù)責(zé)設(shè)備間連接的建立與斷開(kāi)，同時(shí)收集傳感器的信息,并將收集的傳感器信息連同無(wú)線(xiàn)通信接收的信息（例如發(fā)現(xiàn)用戶(hù)、消息交換等）提供給上一層。

　　上下文層提取底層信息的語(yǔ)義，獲取關(guān)于其他設(shè)備的高層次的信息，例如用戶(hù)的興趣愛(ài)好、用戶(hù)之間的關(guān)系等。這些信息對(duì)于MSNP等服務(wù)來(lái)說(shuō)，能夠幫助用戶(hù)發(fā)現(xiàn)周?chē)邢嗤d趣或者匹配度高的用戶(hù)，從而提高社交精準(zhǔn)率。

　　最后，利用下兩層提供的信息，應(yīng)用層為用戶(hù)提供獨(dú)特的鄰近區(qū)域服務(wù)應(yīng)用。

　　這三層分別有各自需要解決的主要挑戰(zhàn)。此外，還有一些跨層的要素需要考慮。

　　2.1物理層

　?。?）設(shè)備/服務(wù)發(fā)現(xiàn)：設(shè)備發(fā)現(xiàn)指的是發(fā)現(xiàn)周?chē)脑O(shè)備，服務(wù)發(fā)現(xiàn)指的是通過(guò)傳輸元數(shù)據(jù)，了解對(duì)端設(shè)備上可以獲取的內(nèi)容（或服務(wù)）\[2\]。進(jìn)行發(fā)現(xiàn)的目的是篩選周?chē)?jié)點(diǎn)，只選擇值得連接的節(jié)點(diǎn)，可以說(shuō)是鄰近區(qū)域服務(wù)的基礎(chǔ)功能。

　?。?）路由和消息轉(zhuǎn)發(fā)：對(duì)等通信的設(shè)備之間組成的分布式網(wǎng)絡(luò)，需要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備通信，主要工作就是路由和消息的轉(zhuǎn)發(fā)\[3\]。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)等通信技術(shù)是單跳通信的，因此需要引入多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來(lái)擴(kuò)展通信范圍，這一點(diǎn)是鄰近區(qū)域服務(wù)實(shí)現(xiàn)的核心。當(dāng)前這一方面的主要工作，主要集中在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DelayTolerant Networking，DTN）和無(wú)線(xiàn)散射網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Networking，WMN）。

　?。?）數(shù)據(jù)可達(dá)性：在鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)，但是他們的資料最好是保存在其他在線(xiàn)節(jié)點(diǎn)上，以保持可以獲得的狀態(tài)。這是鄰近區(qū)域服務(wù)的一個(gè)重要要素，鄰近區(qū)域服務(wù)必須提供機(jī)制來(lái)保證用戶(hù)的基本資料能以中繼的方式維持在網(wǎng)絡(luò)中\(zhòng)[45\]。

　　2.2上下文層

　?。?）數(shù)據(jù)挖掘：移動(dòng)設(shè)備配備各類(lèi)傳感器，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)與設(shè)備通信時(shí)接受的信息普遍是贅余且無(wú)直接意義的。因此對(duì)數(shù)據(jù)的聚合和挖掘有助于提高服務(wù)質(zhì)量，提供有意義的內(nèi)容給用戶(hù)。鄰近區(qū)域場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)挖掘，主要致力于分析設(shè)備獲取的上下文信息，以及感知用戶(hù)之間在不同環(huán)境下的不同操作。例如分析通信錄、用戶(hù)位置記錄等\[6\]。

　　（2）用戶(hù)匹配：MSNP這類(lèi)典型的鄰近區(qū)域社交應(yīng)用可以打造面對(duì)面的真實(shí)社交場(chǎng)景。然而，從長(zhǎng)長(zhǎng)的名單中選擇與誰(shuí)進(jìn)行交流對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)困難的選擇，除非我們幫助用戶(hù)去匹配最適合的人。通常來(lái)說(shuō)，用戶(hù)愿意與有相同興趣、相同背景的人交流。這種替用戶(hù)做出交流對(duì)象篩選和匹配的過(guò)程，稱(chēng)為用戶(hù)匹配\[7\]。

　　2.3應(yīng)用層

　　（1）豐富的特性和功能：解決了底層問(wèn)題后，鄰近區(qū)域服務(wù)需要能夠?yàn)榻K端用戶(hù)設(shè)計(jì)多樣的特性和功能，才能擴(kuò)展鄰近區(qū)域服務(wù)在未來(lái)的地位。鄰近區(qū)域服務(wù)的時(shí)空特性，帶來(lái)了很多關(guān)于新型應(yīng)用的設(shè)想和機(jī)會(huì)。

　　（2）用戶(hù)永久身份識(shí)別：鄰近區(qū)域服務(wù)一般都采用分布式架構(gòu)，需要考慮將傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)中的用戶(hù)識(shí)別身份體系引入到鄰近區(qū)域服務(wù)中，保障用戶(hù)不管在什么環(huán)境中加入，都能保持身份的統(tǒng)一\[4\]。

　　2.4跨層問(wèn)題

　?。?）節(jié)能：由于組網(wǎng)、尋路、數(shù)據(jù)分析等工作都是分治式地在設(shè)備本機(jī)上運(yùn)行，因此鄰近區(qū)域通信必須考慮電量的損耗。鄰近區(qū)域服務(wù)需要提供用戶(hù)體驗(yàn)和節(jié)能之間的平衡，或者努力降低鄰近區(qū)域服務(wù)工作的復(fù)雜性，降低對(duì)設(shè)備造成的負(fù)荷\[8\]。

　?。?）隱私與安全性：鄰近區(qū)域服務(wù)的用戶(hù)資料中，常常包含著諸多的個(gè)人隱私敏感信息，例如性別、興趣、政治傾向、健康情況等\[7\]。這些信息原本是用來(lái)匹配相似用戶(hù)的，卻也因此有暴露用戶(hù)隱私的風(fēng)險(xiǎn)?？梢?jiàn)保護(hù)用戶(hù)通信過(guò)程中的隱私安全非常重要，這包括兩個(gè)方面。一方面鄰近區(qū)域服務(wù)需要引入加密機(jī)制，確保用戶(hù)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩涣硪环矫?，還需要對(duì)用戶(hù)的敏感信息設(shè)定訪問(wèn)限制，由用戶(hù)選擇可以向哪些人開(kāi)放指定的隱私信息\[9\]。

　　（3）激勵(lì)機(jī)制：鄰近區(qū)域服務(wù)通常是不使用基站等基礎(chǔ)設(shè)施的分布式網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)常需要用戶(hù)設(shè)備承擔(dān)中繼節(jié)點(diǎn)的作用。這種網(wǎng)絡(luò)通常被稱(chēng)為用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)（User Provided Network，UPN）。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)需要有一定的激勵(lì)來(lái)促進(jìn)用戶(hù)為網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。顯然，UPN需要一個(gè)可靠的、公正的激勵(lì)機(jī)制來(lái)保證用戶(hù)之間的平等。例如根據(jù)不同用戶(hù)的電量、帶寬的情況，分配各個(gè)用戶(hù)需要向UPN提供資源的多少\[10\]。

3 鄰近區(qū)域開(kāi)發(fā)框架的需求分析

　　上一節(jié)討論了很多鄰近區(qū)域服務(wù)需要考慮并具備的通用特性。而這些特性一旦有成熟方案，可以整合在一起并提供一個(gè)功能全面的開(kāi)發(fā)框架，讓研究者、開(kāi)發(fā)者可以不用再次獨(dú)自實(shí)現(xiàn)上一節(jié)討論的諸多難點(diǎn)，直接利用這一框架的優(yōu)勢(shì)去研究鄰近區(qū)域服務(wù)在不同特性領(lǐng)域的特殊問(wèn)題，這是非常重要的。

　　本文認(rèn)為，優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該具備如圖2所示的作用。顯而易見(jiàn)的是，引入這樣的框架后，開(kāi)發(fā)者不再需要自己去解決眾多底層但復(fù)雜的問(wèn)題。這樣的框架提供的便利主要在于幫助開(kāi)發(fā)者去擴(kuò)展鄰近區(qū)域通信的距離和技術(shù)方式。擴(kuò)展距離指的是框架幫助開(kāi)發(fā)者去實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連接、通信機(jī)制，利用多跳、延遲網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，拓展設(shè)備可通信的距離；擴(kuò)展技術(shù)方式指的是，框架提供多種底層通信接入技術(shù)（WiFi直連、藍(lán)牙等），并將它們整合封閉成向上透明的統(tǒng)一接口。

　　上述這些優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為，開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該具備易于開(kāi)發(fā)和配置輕便兩個(gè)特性。本節(jié)將討論實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性主要應(yīng)解決的問(wèn)題。

　　3.1易于開(kāi)發(fā)

　　一個(gè)優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該幫助開(kāi)發(fā)者簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。目前最簡(jiǎn)單的方式是提供一系列的高層次抽象化的接口（API），這些接口將鄰近區(qū)域服務(wù)底層通用的特性封裝，并只提供必要的接口給開(kāi)發(fā)者，保障底層穩(wěn)定的同時(shí)給予開(kāi)發(fā)者便利。例如，可以將鄰近設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、連接、斷開(kāi)等工作的處理，以及消息的傳輸封裝成簡(jiǎn)單的接口，卻把具體的對(duì)等通信技術(shù)的細(xì)節(jié)過(guò)程、復(fù)雜的管理機(jī)制掩蓋在接口下自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　提供一系列接口是必要的，但僅僅這樣還不夠，優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)框架還應(yīng)是模塊化的、易添加新功能的。例如實(shí)現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，可以選擇的底層技術(shù)有很多，那么就需要考慮將具體通信技術(shù)與多跳網(wǎng)絡(luò)的連接管理解耦合，彼此只用規(guī)定的接口交互。如此，框架在未來(lái)演進(jìn)時(shí)，可以在現(xiàn)有框架下輕松地拓展新模塊新功能\[8,11\]。

　　3.2配置輕便

　　鄰近區(qū)域服務(wù)的使用，有很多需要用戶(hù)設(shè)置的配置，例如加入、離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置用戶(hù)個(gè)人信息等。開(kāi)發(fā)框架應(yīng)該幫助開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)簡(jiǎn)單地進(jìn)行這些設(shè)置。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人信息的零配置\[12\]（zero configuration）或接近零配置。這包含了地址分配、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、命名解析等工作的自動(dòng)完成。同時(shí)，由于鄰近區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)設(shè)備位置不斷變化的特性，經(jīng)常需要切換網(wǎng)絡(luò)以保持連接。開(kāi)發(fā)框架也應(yīng)該能夠自動(dòng)地幫助完成這一工作以保持連接的穩(wěn)定\[13\]。

4已有開(kāi)發(fā)框架的介紹與比較

　　目前，已經(jīng)有一些關(guān)于鄰近區(qū)域服務(wù)開(kāi)發(fā)框架的工作，這些工作嘗試按照各自的觀點(diǎn)，將鄰近區(qū)域服務(wù)的核心特性整合到自己的框架中。這些框架如表1所示，并按照本文第三節(jié)提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

　?。?）Serval Project: Serval Project支持使用Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文本傳輸和在線(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)，同時(shí)使用DiffieHellman共享密鑰協(xié)議來(lái)加密用戶(hù)間信息，保障安全\[14\]。

　?。?）Prixima: 是一個(gè)Android平臺(tái)上，支持分布式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)下建立adhoc連接和先驗(yàn)式路由的框架。它提供了完全異步的、線(xiàn)程安全的API。同時(shí)提供了接近零配置的接口，能夠自行管理消息傳輸以及設(shè)備選項(xiàng)配置\[16\]。

　　（3）USABle: 是一個(gè)致力于連接各類(lèi)系統(tǒng)的通信框架。其定義了一系列與具體通信技術(shù)無(wú)關(guān)的接口，以處理與通信相關(guān)的事務(wù)。借助模塊化、可拓展的層次架構(gòu)，USABle支持開(kāi)發(fā)者在已有框架下，按照規(guī)定的接口加入新的通信技術(shù)或消息分發(fā)策略。這讓該框架可以輕易地?cái)U(kuò)展通信距離和通信技術(shù)兩個(gè)維度\[11\]。

5結(jié)論

　　鄰近區(qū)域服務(wù)隨著移動(dòng)通信的不斷發(fā)展，逐漸成為一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。考慮到當(dāng)前缺少對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)的全面分析，本文嘗試對(duì)鄰近區(qū)域服務(wù)進(jìn)行分層并分析各層主要挑戰(zhàn)。同時(shí)提煉不同類(lèi)型鄰近區(qū)域服務(wù)的通用問(wèn)題，提出通用的開(kāi)發(fā)框架需要具備的要素，最后介紹了已有的一些框架?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)在鄰近區(qū)域服務(wù)領(lǐng)域，各類(lèi)研究成果將逐漸整合，統(tǒng)一的規(guī)范和開(kāi)發(fā)流程將逐漸出現(xiàn)，并進(jìn)一步促進(jìn)鄰近區(qū)域服務(wù)的發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ WANG Y, WEI L, VASILAKOS A V, et al. DevicetoDevice based mobile social networking in proximity (MSNP) on smartphones: Framework, challenges and prototype\[EB/OL\]. (2015-11-12)\[2016-12-10\]. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167739X15003337.

　?。?］ CHANG C. Serviceoriented mobile social network in proximity\[D\]. Monash University. Faculty of Information Technology. Caulfield School of Information Technology, 2013.

　?。?］ GABLER J, KLAUCK R, PINK M, et al. uBeeMe—a platform to enable mobile collaborative applications\[C\].Collaborative Computing: Networking, Applications and Worksharing (Collaboratecom), 2013 9th International Conference on. IEEE, 2013: 188-196.

　?。?］ TRIEU Q L, PHAM T V. STARS: Adhoc peertopeer online social network\[C\].International Conference on Computational Collective Intelligence, Springer Berlin Heidelberg, 2012: 385-394.

　　［5］ OLTEANU A, PIERRE G. Towards robust and scalable peertopeer social networks\[C\].Proceedings of the Fifth Workshop on Social Network Systems, ACM, 2012: 10.

　?。?］ HU X, CHU T H S, LEUNG V C M, et al. A survey on mobile social networks: applications, platforms, system architectures, and future research directions\[J\]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2015, 17(3): 1557-1581.

　　［7］ ZHANG R, ZHANG J, ZHANG Y, et al. Privacypreserving profile matching for proximitybased mobile social networking\[J\]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2013, 31(9): 656-668.

　?。?］ LUIZ M M A, NUNES M A S N, RIBEIRO A D R L. A middleware architecture for mobile social networking with intelligent energy saving\[C\]. Annals of Computer Science and Information Systems, 2013: 57-62.

　?。?］ BROOKER D, CAREY T, WARREN I. Middleware for social networking on mobile devices\[C\]. In Proceedings of 21st Australian Software Engineering Conference, Auckland, New Zealand, 2010: 202-211.

　　\[10\] IOSIFIDIS G, GAO L, HUANG J, et al. Incentive mechanisms for userprovided networks\[J\]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(9): 20-27.

　　\[11\] MAIA M E F, ANDRADE R M C, de QUEIROZ F C A B, et al. USABle—a communication framework for ubiquitous systems\[C\].2014 IEEE 28th International Conference on Advanced Information Networking and Applications. IEEE, 2014: 81-88.

　　\[12\] SIDDIQUI F, ZEADALLY S, KACEM T, et al. Zero configuration networking: implementation, performance, and security\[J\]. Computers & electrical engineering, 2012, 38(5): 1129-1145.

　　\[13\] YU Z, LIANG Y, XU B, et al. Towards a smart campus with mobile social networking\[C\].Internet of Things (iThings/CPSCom), 2011 International Conference on and 4th International Conference on Cyber, Physical and Social Computing. IEEE, 2011: 162169.

　　\[14\] GARDNERSTEPHEN P, CHALLANS R, LAKEMAN J, et al. The serval mesh: a platform for resilient communications in disaster & crisis\[C\].Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), 2013 IEEE. IEEE, 2013: 162-166.