邻近区域服务及开发框架的需求分析

卫 力，王玉峰

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)



邻近区域服务及开发框架的需求分析

卫 力，王玉峰

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

随着移动网络的发展，邻近区域服务(Proximity Service，ProSe)成为近年来研究的新热门领域，邻近区域服务不仅需要解决移动设备分布式通信问题，还需要满足服务发现、有效信息挖掘、隐私安全、节能等高层次的要求。当前的研究缺少对各个层次具体需求的完整分析。文章尝试将邻近区域服务的需求分层次讨论，同时尝试总结对应的开发框架需要具备的特性，最后介绍了目前典型的开发框架。

邻近区域服务；分布式通信；开发框架

0 引言

当今，现代的移动设备，如手机、平板电脑等，都配备了蓝牙、WiFi、WiFi直连等最先进的点对点通信技术，同时还配备了各类先进的传感器，使得移动设备能够为用户提供多样化的邻近区域服务(Proximity Service, ProSe)。

虽然已经有很多学术机构或公司着手邻近区域服务的研究，但是已有的各类方案都还没有完全解决邻近区域服务的所有问题。本文认为其主要原因是业界缺少对邻近区域服务所有要素进行综合的、整体的评估和分析，使得研究者各自为政，难以把握研究的重心。此外，本文认为，邻近区域服务在发展后期，需要将不同类型的邻近区域服务中的通用要素整合成可重用的框架，例如设备地址分配、设备发现、服务发现等。这能让后来的研究者以最小的知识需求，快速加入到这一领域不同类型场景下高层次问题的研究。

基于上述目的，本文首先简要介绍了邻近区域服务，接着提出邻近区域服务的分层结构并讨论实现各层的主要挑战要素。指出在研究中引入一个开发框架的重要性，并分析了这种框架应具备的特性。最后，简单介绍了当前典型的一些框架。

1 邻近区域服务概述

所谓邻近区域服务，指的是设备之间，彼此发现邻近区域的其他设备上运行的应用，从而交换信息以提供或获得服务的过程。在邻近区域服务中，用户之间的网络交流紧紧地联系着他们物理上周围的环境，从而与所处的位置息息相关。这种“此时此刻”的服务，拓展了空间和时间，更有针对性地吸引用户和提供服务，从而实现邻近区域移动社交(Mobile Social Network in Proximity, MSNP)之类独特的服务[1]。

典型的邻近区域服务主要有两类：公共通信与商业服务。公共通信包括紧急救灾、传输机密信息等。商业服务则发展出邻近社交、多人游戏、多媒体分享、电子教育等新颖的形式。其中，邻近区域移动社交是这一领域当前非常火热的一个场景。

2 邻近区域服务各层要素分析

本文将邻近区域服务主要分为三层：物理层、上下文层、应用层。如图1所示。

图1 邻近区域服务分层及各层要素

最底层是物理层，主要包含无线连接和各类传感器，这一层主要负责设备间连接的建立与断开，同时收集传感器的信息,并将收集的传感器信息连同无线通信接收的信息(例如发现用户、消息交换等)提供给上一层。

上下文层提取底层信息的语义，获取关于其他设备的高层次的信息，例如用户的兴趣爱好、用户之间的关系等。这些信息对于MSNP等服务来说，能够帮助用户发现周围有相同兴趣或者匹配度高的用户，从而提高社交精准率。

最后，利用下两层提供的信息，应用层为用户提供独特的邻近区域服务应用。

这三层分别有各自需要解决的主要挑战。此外，还有一些跨层的要素需要考虑。

2.1 物理层

(1)设备/服务发现：设备发现指的是发现周围的设备，服务发现指的是通过传输元数据，了解对端设备上可以获取的内容(或服务)[2]。进行发现的目的是筛选周围节点，只选择值得连接的节点，可以说是邻近区域服务的基础功能。

(2)路由和消息转发：对等通信的设备之间组成的分布式网络，需要有一个网络模块负责邻近区域网络的设备通信，主要工作就是路由和消息的转发[3]。通常来说，对等通信技术是单跳通信的，因此需要引入多跳转发机制来扩展通信范围，这一点是邻近区域服务实现的核心。当前这一方面的主要工作，主要集中在延迟容忍网络(Delay-Tolerant Networking，DTN)和无线散射网络(Wireless Mesh Networking，WMN)。

(3)数据可达性：在邻近区域网络中，用户可以随时加入或离开，但是他们的资料最好是保存在其他在线节点上，以保持可以获得的状态。这是邻近区域服务的一个重要要素，邻近区域服务必须提供机制来保证用户的基本资料能以中继的方式维持在网络中[4-5]。

2.2 上下文层

(1)数据挖掘：移动设备配备各类传感器，这些传感器收集到的数据与设备通信时接受的信息普遍是赘余且无直接意义的。因此对数据的聚合和挖掘有助于提高服务质量，提供有意义的内容给用户。邻近区域场景中的数据挖掘，主要致力于分析设备获取的上下文信息，以及感知用户之间在不同环境下的不同操作。例如分析通信录、用户位置记录等[6]。

(2)用户匹配：MSNP这类典型的邻近区域社交应用可以打造面对面的真实社交场景。然而，从长长的名单中选择与谁进行交流对用户来说是一个困难的选择，除非我们帮助用户去匹配最适合的人。通常来说，用户愿意与有相同兴趣、相同背景的人交流。这种替用户做出交流对象筛选和匹配的过程，称为用户匹配[7]。

2.3 应用层

(1)丰富的特性和功能：解决了底层问题后，邻近区域服务需要能够为终端用户设计多样的特性和功能，才能扩展邻近区域服务在未来的地位。邻近区域服务的时空特性，带来了很多关于新型应用的设想和机会。

(2)用户永久身份识别：邻近区域服务一般都采用分布式架构，需要考虑将传统的C/S架构中的用户识别身份体系引入到邻近区域服务中，保障用户不管在什么环境中加入，都能保持身份的统一[4]。

2.4 跨层问题

(1)节能：由于组网、寻路、数据分析等工作都是分治式地在设备本机上运行，因此邻近区域通信必须考虑电量的损耗。邻近区域服务需要提供用户体验和节能之间的平衡，或者努力降低邻近区域服务工作的复杂性，降低对设备造成的负荷[8]。

(2)隐私与安全性：邻近区域服务的用户资料中，常常包含着诸多的个人隐私敏感信息，例如性别、兴趣、政治倾向、健康情况等[7]。这些信息原本是用来匹配相似用户的，却也因此有暴露用户隐私的风险。可见保护用户通信过程中的隐私安全非常重要，这包括两个方面。一方面邻近区域服务需要引入加密机制，确保用户之间数据传输的安全；另一方面，还需要对用户的敏感信息设定访问限制，由用户选择可以向哪些人开放指定的隐私信息[9]。

(3)激励机制：邻近区域服务通常是不使用基站等基础设施的分布式网络，经常需要用户设备承担中继节点的作用。这种网络通常被称为用户提供网络(User Provided Network，UPN)。这类网络需要有一定的激励来促进用户为网络的运行做出贡献。显然，UPN需要一个可靠的、公正的激励机制来保证用户之间的平等。例如根据不同用户的电量、带宽的情况，分配各个用户需要向UPN提供资源的多少[10]。

3 邻近区域开发框架的需求分析

上一节讨论了很多邻近区域服务需要考虑并具备的通用特性。而这些特性一旦有成熟方案，可以整合在一起并提供一个功能全面的开发框架，让研究者、开发者可以不用再次独自实现上一节讨论的诸多难点，直接利用这一框架的优势去研究邻近区域服务在不同特性领域的特殊问题，这是非常重要的。

本文认为，优秀的开发框架应该具备如图2所示的作用。显而易见的是，引入这样的框架后，开发者不再需要自己去解决众多底层但复杂的问题。这样的框架提供的便利主要在于帮助开发者去扩展邻近区域通信的距离和技术方式。扩展距离指的是框架帮助开发者去实现设备间的连接、通信机制，利用多跳、延迟网络等技术，拓展设备可通信的距离；扩展技术方式指的是，框架提供多种底层通信接入技术(WiFi直连、蓝牙等)，并将它们整合封闭成向上透明的统一接口。

上述这些优点可以总结为，开发框架应该具备易于开发和配置轻便两个特性。本节将讨论实现这两个特性主要应解决的问题。

3.1 易于开发

一个优秀的开发框架应该帮助开发者简化开发流程。目前最简单的方式是提供一系列的高层次抽象化的接口(API)，这些接口将邻近区域服务底层通用的特性封装，并只提供必要的接口给开发者，保障底层稳定的同时给予开发者便利。例如，可以将邻近设备的发现、连接、断开等工作的处理，以及消息的传输封装成简单的接口，却把具体的对等通信技术的细节过程、复杂的管理机制掩盖在接口下自行运转。

提供一系列接口是必要的，但仅仅这样还不够，优秀的开发框架还应是模块化的、易添加新功能的。例如实现多跳网络，可以选择的底层技术有很多，那么就需要考虑将具体通信技术与多跳网络的连接管理解耦合，彼此只用规定的接口交互。如此，框架在未来演进时，可以在现有框架下轻松地拓展新模块新功能[8,11]。

3.2 配置轻便

邻近区域服务的使用，有很多需要用户设置的配置，例如加入、离开网络，设置用户个人信息等。开发框架应该帮助开发者和用户简单地进行这些设置。实现网络和个人信息的零配置[12](zero configuration)或接近零配置。这包含了地址分配、服务发现、命名解析等工作的自动完成。同时，由于邻近区域网络中，移动设备位置不断变化的特性，经常需要切换网络以保持连接。开发框架也应该能够自动地帮助完成这一工作以保持连接的稳定[13]。

4 已有开发框架的介绍与比较

目前，已经有一些关于邻近区域服务开发框架的工作，这些工作尝试按照各自的观点，将邻近区域服务的核心特性整合到自己的框架中。这些框架如表1所示，并按照本文第三节提出的标准进行比较。

(1)Serval Project: Serval Project支持使用Mesh网络进行文本传输和在线语音通话，同时使用Diffie-Hellman共享密钥协议来加密用户间信息，保障安全[14]。

(2)Prixima: 是一个Android平台上，支持分布式拓扑网络下建立ad-hoc连接和先验式路由的框架。它提供了完全异步的、线程安全的API。同时提供了接近零配置的接口，能够自行管理消息传输以及设备选项配置[16]。

(3)USABle: 是一个致力于连接各类系统的通信框架。其定义了一系列与具体通信技术无关的接口，以处理与通信相关的事务。借助模块化、可拓展的层次架构，USABle支持开发者在已有框架下，按照规定的接口加入新的通信技术或消息分发策略。这让该框架可以轻易地扩展通信距离和通信技术两个维度[11]。

5 结论

邻近区域服务随着移动通信的不断发展，逐渐成为一个热门话题。考虑到当前缺少对邻近区域服务的全面分析，本文尝试对邻近区域服务进行分层并分析各层主要挑战。同时提炼不同类型邻近区域服务的通用问题，提出通用的开发框架需要具备的要素，最后介绍了已有的一些框架。可以预见的是，未来在邻近区域服务领域，各类研究成果将逐渐整合，统一的规范和开发流程将逐渐出现，并进一步促进邻近区域服务的发展。

[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.

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Requirements analysis of Proximity Service and its development framework

Wei Li, Wang Yufeng

(College of Communication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

With the development of mobile network, now Proximity Service (ProSe) has become a new hot research topic. Except robustness on distributed communication for mobile devices, ProSe also needs to consider higher level problems such as service discovery, data mining, privacy security and energy efficiency. However, there haven’t been a complete analysis on each layer of ProSe. This paper attempts to discuss specific requirements of ProSe by dividing it into different layers. Then, it tries to summarize the characteristics of the corresponding development frameworks. Finally end with introduction of some typical frameworks.

ProSe (Proximity Service); distributed communication; development framework

TN92；TP3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.003

卫力，王玉峰.邻近区域服务及开发框架的需求分析[J].微型机与应用，2017,36(11)：8-11,14.

2017-01-11)

卫力(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：邻近区域服务、D2D通信。

王玉峰(1974-)，通信作者，男，工学博士，主要研究方向：多学科启发的网络和系统的研究与应用，包括宽带信息网络、无线P2P、移动社交网络等。 E-mail:wfwang@njupt.edu.cn。