衛力，王玉峰

　　（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

　　摘要：隨著移動網絡的發展，鄰近區域服務（Proximity Service，ProSe）成為近年來研究的新熱門領域，鄰近區域服務不僅需要解決移動設備分布式通信問題，還需要滿足服務發現、有效信息挖掘、隱私安全、節能等高層次的要求。當前的研究缺少對各個層次具體需求的完整分析。文章嘗試將鄰近區域服務的需求分層次討論，同時嘗試總結對應的開發框架需要具備的特性，最后介紹了目前典型的開發框架。

　　關鍵詞：鄰近區域服務；分布式通信；開發框架

　　中圖分類號：TN92；TP3

　　文獻標識碼：A

　　DOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.11.003

　　引用格式：衛力，王玉峰.鄰近區域服務及開發框架的需求分析［J］.微型機與應用，2017,36（11）：811,14.

　　0引言

　　當今，現代的移動設備，如手機、平板電腦等，都配備了藍牙、WiFi、WiFi直連等最先進的點對點通信技術，同時還配備了各類先進的傳感器，使得移動設備能夠為用戶提供多樣化的鄰近區域服務（Proximity Service, ProSe）。

　　雖然已經有很多學術機構或公司著手鄰近區域服務的研究，但是已有的各類方案都還沒有完全解決鄰近區域服務的所有問題。本文認為其主要原因是業界缺少對鄰近區域服務所有要素進行綜合的、整體的評估和分析，使得研究者各自為政，難以把握研究的重心。此外，本文認為，鄰近區域服務在發展后期，需要將不同類型的鄰近區域服務中的通用要素整合成可重用的框架，例如設備地址分配、設備發現、服務發現等。這能讓后來的研究者以最小的知識需求，快速加入到這一領域不同類型場景下高層次問題的研究。

　　基于上述目的，本文首先簡要介紹了鄰近區域服務，接著提出鄰近區域服務的分層結構并討論實現各層的主要挑戰要素。指出在研究中引入一個開發框架的重要性，并分析了這種框架應具備的特性。最后，簡單介紹了當前典型的一些框架。

1鄰近區域服務概述

　　所謂鄰近區域服務，指的是設備之間，彼此發現鄰近區域的其他設備上運行的應用，從而交換信息以提供或獲得服務的過程。在鄰近區域服務中，用戶之間的網絡交流緊緊地聯系著他們物理上周圍的環境，從而與所處的位置息息相關。這種“此時此刻”的服務，拓展了空間和時間，更有針對性地吸引用戶和提供服務，從而實現鄰近區域移動社交（Mobile Social Network in Proximity, MSNP）之類獨特的服務\[1\]。

　　典型的鄰近區域服務主要有兩類：公共通信與商業服務。公共通信包括緊急救災、傳輸機密信息等。

　　商業服務則發展出鄰近社交、多人游戲、多媒體分享、電子教育等新穎的形式。其中，鄰近區域移動社交是這一領域當前非常火熱的一個場景。

2鄰近區域服務各層要素分析

　　本文將鄰近區域服務主要分為三層：物理層、上下文層、應用層。如圖1所示。

　　最底層是物理層，主要包含無線連接和各類傳感器，這一層主要負責設備間連接的建立與斷開，同時收集傳感器的信息,并將收集的傳感器信息連同無線通信接收的信息（例如發現用戶、消息交換等）提供給上一層。

　　上下文層提取底層信息的語義，獲取關于其他設備的高層次的信息，例如用戶的興趣愛好、用戶之間的關系等。這些信息對于MSNP等服務來說，能夠幫助用戶發現周圍有相同興趣或者匹配度高的用戶，從而提高社交精準率。

　　最后，利用下兩層提供的信息，應用層為用戶提供獨特的鄰近區域服務應用。

　　這三層分別有各自需要解決的主要挑戰。此外，還有一些跨層的要素需要考慮。

　　2.1物理層

　　（1）設備/服務發現：設備發現指的是發現周圍的設備，服務發現指的是通過傳輸元數據，了解對端設備上可以獲取的內容（或服務）\[2\]。進行發現的目的是篩選周圍節點，只選擇值得連接的節點，可以說是鄰近區域服務的基礎功能。

　　（2）路由和消息轉發：對等通信的設備之間組成的分布式網絡，需要有一個網絡模塊負責鄰近區域網絡的設備通信，主要工作就是路由和消息的轉發\[3\]。通常來說，對等通信技術是單跳通信的，因此需要引入多跳轉發機制來擴展通信范圍，這一點是鄰近區域服務實現的核心。當前這一方面的主要工作，主要集中在延遲容忍網絡（DelayTolerant Networking，DTN）和無線散射網絡（Wireless Mesh Networking，WMN）。

　　（3）數據可達性：在鄰近區域網絡中，用戶可以隨時加入或離開，但是他們的資料最好是保存在其他在線節點上，以保持可以獲得的狀態。這是鄰近區域服務的一個重要要素，鄰近區域服務必須提供機制來保證用戶的基本資料能以中繼的方式維持在網絡中\[45\]。

　　2.2上下文層

　　（1）數據挖掘：移動設備配備各類傳感器，這些傳感器收集到的數據與設備通信時接受的信息普遍是贅余且無直接意義的。因此對數據的聚合和挖掘有助于提高服務質量，提供有意義的內容給用戶。鄰近區域場景中的數據挖掘，主要致力于分析設備獲取的上下文信息，以及感知用戶之間在不同環境下的不同操作。例如分析通信錄、用戶位置記錄等\[6\]。

　　（2）用戶匹配：MSNP這類典型的鄰近區域社交應用可以打造面對面的真實社交場景。然而，從長長的名單中選擇與誰進行交流對用戶來說是一個困難的選擇，除非我們幫助用戶去匹配最適合的人。通常來說，用戶愿意與有相同興趣、相同背景的人交流。這種替用戶做出交流對象篩選和匹配的過程，稱為用戶匹配\[7\]。

　　2.3應用層

　　（1）豐富的特性和功能：解決了底層問題后，鄰近區域服務需要能夠為終端用戶設計多樣的特性和功能，才能擴展鄰近區域服務在未來的地位。鄰近區域服務的時空特性，帶來了很多關于新型應用的設想和機會。

　　（2）用戶永久身份識別：鄰近區域服務一般都采用分布式架構，需要考慮將傳統的C/S架構中的用戶識別身份體系引入到鄰近區域服務中，保障用戶不管在什么環境中加入，都能保持身份的統一\[4\]。

　　2.4跨層問題

　　（1）節能：由于組網、尋路、數據分析等工作都是分治式地在設備本機上運行，因此鄰近區域通信必須考慮電量的損耗。鄰近區域服務需要提供用戶體驗和節能之間的平衡，或者努力降低鄰近區域服務工作的復雜性，降低對設備造成的負荷\[8\]。

　　（2）隱私與安全性：鄰近區域服務的用戶資料中，常常包含著諸多的個人隱私敏感信息，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匹配相似用戶的，卻也因此有暴露用戶隱私的風險。可見保護用戶通信過程中的隱私安全非常重要，這包括兩個方面。一方面鄰近區域服務需要引入加密機制，確保用戶之間數據傳輸的安全；另一方面，還需要對用戶的敏感信息設定訪問限制，由用戶選擇可以向哪些人開放指定的隱私信息\[9\]。

　　（3）激勵機制：鄰近區域服務通常是不使用基站等基礎設施的分布式網絡，經常需要用戶設備承擔中繼節點的作用。這種網絡通常被稱為用戶提供網絡（User Provided Network，UPN）。這類網絡需要有一定的激勵來促進用戶為網絡的運行做出貢獻。顯然，UPN需要一個可靠的、公正的激勵機制來保證用戶之間的平等。例如根據不同用戶的電量、帶寬的情況，分配各個用戶需要向UPN提供資源的多少\[10\]。

3 鄰近區域開發框架的需求分析

　　上一節討論了很多鄰近區域服務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功能全面的開發框架，讓研究者、開發者可以不用再次獨自實現上一節討論的諸多難點，直接利用這一框架的優勢去研究鄰近區域服務在不同特性領域的特殊問題，這是非常重要的。

　　本文認為，優秀的開發框架應該具備如圖2所示的作用。顯而易見的是，引入這樣的框架后，開發者不再需要自己去解決眾多底層但復雜的問題。這樣的框架提供的便利主要在于幫助開發者去擴展鄰近區域通信的距離和技術方式。擴展距離指的是框架幫助開發者去實現設備間的連接、通信機制，利用多跳、延遲網絡等技術，拓展設備可通信的距離；擴展技術方式指的是，框架提供多種底層通信接入技術（WiFi直連、藍牙等），并將它們整合封閉成向上透明的統一接口。

　　上述這些優點可以總結為，開發框架應該具備易于開發和配置輕便兩個特性。本節將討論實現這兩個特性主要應解決的問題。

　　3.1易于開發

　　一個優秀的開發框架應該幫助開發者簡化開發流程。目前最簡單的方式是提供一系列的高層次抽象化的接口（API），這些接口將鄰近區域服務底層通用的特性封裝，并只提供必要的接口給開發者，保障底層穩定的同時給予開發者便利。例如，可以將鄰近設備的發現、連接、斷開等工作的處理，以及消息的傳輸封裝成簡單的接口，卻把具體的對等通信技術的細節過程、復雜的管理機制掩蓋在接口下自行運轉。

　　提供一系列接口是必要的，但僅僅這樣還不夠，優秀的開發框架還應是模塊化的、易添加新功能的。例如實現多跳網絡，可以選擇的底層技術有很多，那么就需要考慮將具體通信技術與多跳網絡的連接管理解耦合，彼此只用規定的接口交互。如此，框架在未來演進時，可以在現有框架下輕松地拓展新模塊新功能\[8,11\]。

　　3.2配置輕便

　　鄰近區域服務的使用，有很多需要用戶設置的配置，例如加入、離開網絡，設置用戶個人信息等。開發框架應該幫助開發者和用戶簡單地進行這些設置。實現網絡和個人信息的零配置\[12\]（zero configuration）或接近零配置。這包含了地址分配、服務發現、命名解析等工作的自動完成。同時，由于鄰近區域網絡中，移動設備位置不斷變化的特性，經常需要切換網絡以保持連接。開發框架也應該能夠自動地幫助完成這一工作以保持連接的穩定\[13\]。

4已有開發框架的介紹與比較

　　目前，已經有一些關于鄰近區域服務開發框架的工作，這些工作嘗試按照各自的觀點，將鄰近區域服務的核心特性整合到自己的框架中。這些框架如表1所示，并按照本文第三節提出的標準進行比較。

　　（1）Serval Project: Serval Project支持使用Mesh網絡進行文本傳輸和在線語音通話，同時使用DiffieHellman共享密鑰協議來加密用戶間信息，保障安全\[14\]。

　　（2）Prixima: 是一個Android平臺上，支持分布式拓撲網絡下建立adhoc連接和先驗式路由的框架。它提供了完全異步的、線程安全的API。同時提供了接近零配置的接口，能夠自行管理消息傳輸以及設備選項配置\[16\]。

　　（3）USABle: 是一個致力于連接各類系統的通信框架。其定義了一系列與具體通信技術無關的接口，以處理與通信相關的事務。借助模塊化、可拓展的層次架構，USABle支持開發者在已有框架下，按照規定的接口加入新的通信技術或消息分發策略。這讓該框架可以輕易地擴展通信距離和通信技術兩個維度\[11\]。

5結論

　　鄰近區域服務隨著移動通信的不斷發展，逐漸成為一個熱門話題。考慮到當前缺少對鄰近區域服務的全面分析，本文嘗試對鄰近區域服務進行分層并分析各層主要挑戰。同時提煉不同類型鄰近區域服務的通用問題，提出通用的開發框架需要具備的要素，最后介紹了已有的一些框架。可以預見的是，未來在鄰近區域服務領域，各類研究成果將逐漸整合，統一的規范和開發流程將逐漸出現，并進一步促進鄰近區域服務的發展。

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