[论文解读] Using JSON-LD to Compose Different IoT and Cloud Services

Darko Andročec|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2018

Service-Oriented Architecture and Web Services被引用 2

一句话总结

本文提出了一种基于JSON-LD与HTN规划的框架，通过使用开放的物联网本体对设备和服务进行语义注释，实现物联网与云服务的半自动组合。该方法通过人工智能规划（JSHOP2）实现互操作性，原型验证了温度传感器与LED执行器在包含安全与协议元数据情况下的组合可行性。

ABSTRACT

Internet of things and cloud computing are in the widespread use today, and often work together to accomplish complex business task and use cases. This paper propose the framework and its practical implementation to compose different things as services and cloud services. The ontology based approach and JSON-LD was used to semantically annotate both types of services, and enable the mechanism to semi-automatically compose these services. The use case and proof-of-concept application that use the proposed theoretical approach is also described in this work.

研究动机与目标

• 解决复杂业务用例中异构物联网设备与云服务之间的互操作性挑战。
• 通过结合语义注释与人工智能规划技术，实现半自动服务组合。
• 通过标准化的语义描述，将“服务即设备”模型扩展至云服务。
• 在服务组合过程中支持非功能性属性（如安全、协议）的检查。
• 通过集成GSN中间件、JSON-LD与JSHOP2规划的原型，验证可行性。

提出的方法

• 使用JSON-LD和自定义开放物联网本体（ThingAsAServiceOntology.owl）对物联网与云服务进行语义注释。
• 将设备与服务元数据（如协议、安全问题、功能）映射为包含@context与@type声明的结构化JSON-LD格式。
• 通过GSN中间件集成基于传感器的设备，通过直接RESTful Web服务集成基于执行器的设备，两者均暴露JSON以供JSON-LD增强。
• 将JSON-LD注释的服务描述转换为JSHOP2规划领域与问题文件，以支持自动组合推理。
• 通过JSHOP2使用分层任务网络（HTN）规划，验证并生成有效的服务组合工作流。
• 通过程序化转换，将使用SAWSDL描述的云服务转换为等效的JSHOP2兼容规划表示。

实验结果

研究问题

• RQ1 JSON-LD与语义本体能否实现异构物联网设备与云服务之间的互操作性？
• RQ2 人工智能规划（HTN）在多大程度上能够支持基于语义元数据的物联网与云服务的半自动组合？
• RQ3 在服务组合过程中，如何建模并评估非功能性属性（如安全、通信协议）？
• RQ4 能否通过相同的规划机制统一组合物联网设备与云服务？
• RQ5 使用GSN中间件与RESTful Web服务作为语义注释设备的集成层，其可行性如何？

主要发现

• 该框架成功使用JSON-LD与自定义物联网本体对物联网设备（如搭载DS18B20传感器的Arduino Yun）和执行器（如带LED的小型Bits cloudBit）进行了语义注释。
• 原型验证表明，可通过从JSON-LD注释的服务生成有效的JSHOP2规划文件，实现对协议与安全问题的支持。
• 系统在组合过程中支持对非功能性属性（如'NetworkServicesVulnerabletoDenialOfService'与'InsecureSoftwareFirmware'）的检查。
• GSN中间件的集成使得原本不原生支持HTTP或JSON的设备也能实现语义注释，扩展了框架的设备覆盖范围。
• 使用SAWSDL注释的云服务被成功转换为JSHOP2兼容的规划表示，实现了物联网与云服务的统一组合。
• 概念验证应用证实，所提出方法可支持通过传感器与执行器服务实现温度监控与告警系统的半自动组合。