【摘 要】
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数字化时代,支持边缘计算的物联网能够不断产生并传输数据,为用户提供各种服务。由于资源限制和异构性约束,服务提供商到消费者的端到端的服务协调,是边缘物联网可持续发展的关键问题。边缘计算通过将资源带到网络“边缘”,进而为资源有限性提供了一种可行的解决方案;然而在这种分布式环境下,资源的最优分配、安全和隐私都是亟待解决的挑战。此外,硬件和通信协议的异构性,则给分布式物联网应用开发带来新的挑战。目前界内较
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数字化时代,支持边缘计算的物联网能够不断产生并传输数据,为用户提供各种服务。由于资源限制和异构性约束,服务提供商到消费者的端到端的服务协调,是边缘物联网可持续发展的关键问题。边缘计算通过将资源带到网络“边缘”,进而为资源有限性提供了一种可行的解决方案;然而在这种分布式环境下,资源的最优分配、安全和隐私都是亟待解决的挑战。此外,硬件和通信协议的异构性,则给分布式物联网应用开发带来新的挑战。目前界内较少有针对端到端全生命周期的服务编排研究,因此,需要一个高效的框架,在考虑海量物联网流量的情况下,进行资源的优化分配,为分布式物联网应用开发提供应用平台,并确保服务的安全和隐私。模型驱动的物联网软件平台能够提供上述基本功能,在访问物联网的数据流和开发物联网控制应用之间实现高效的服务协调。鉴于地理位置分散且资源受限的设备可能会成为攻击者攻击网络基础设施的软目标,从而带来巨大的安全和隐私挑战。导致支持边缘计算的物联网,在海量数据生成、异构基础设施环境下,面临各种安全和隐私等方面的应用问题,从而导致物联网的服务协调成为一项非常具有挑战性的任务。针对支持边缘计算的物联网服务协同面临的挑战,本文提出了一种分层支持边缘的物联网服务协调（EISO）框架,并对其应用开发、安全和隐私等关键技术进行了针对性研究,以保证框架的无缝部署。所研究的内容,能够保证EISO框架,对数据捕获到服务交付各种端到端物联网服务的有效编排和协同。具体而言,本文的主要贡献有以下几个方面:（1）为了实现支持边缘的物联网服务的无缝交付,提出了一种新的EISO资源优化分配框架,解决了基于延迟和服务交付速率约束的资源需求挑战。EISO是一个层次化的框架,可在感知层、雾层、边缘层、云层、应用层的持续交互下运行。使用EISO这一综合分析框架,将服务提供表示为基于不同延迟应用的服务递送率和延迟的优化问题。为了验证系统的有效性,我们使对真实场景下的参数进行了应用评估,结果表明,所提出的框架能够优化资源分配,降低系统延迟,并最小化大规模服务编排的整体能耗。（2）针对物联网设备在异构性方面的挑战,本文提出了一种面向定制和用户特定服务编排的应用开发技术,该技术采用模型驱动开发（MDD）和属性驱动设计相结合的方式来开发物联网应用。该技术在不同抽象层次上进行模型设计,同时为异构平台提供软件实现工具。该技术由两个主要步骤组成,属性驱动设计的迭代体系结构开发方法,以及基于MDD元模型对功能组件进行分层转换的软件构造技术。通过为真实系统生成可执行代码来评估所提出的技术。实验表明,与传统方法相比,该技术实现了更高的应用开发精度,为物联网应用提供了全生命周期的技术支持。（3）在支持边缘计算的物联网服务协调模式中,资源访问方面的安全性需求很高。本文基于所提出的的协同应用框架,对EISO框架在应用方面的安全挑战,设计了一种新的安全防御机制。该防御机制利用基于网络的流量测量技术,以保护支持边缘计算的物联网服务免受安全威胁。我们使用开源的mininet网络仿真器和floodlight控制器进行了严格的评估,以模拟攻击范例,并演示了所提出的解决方案的有效性。实验结果表明,该方案降低了丢包率,均衡了关键链路上的流量,达到了较高的攻击检测和缓解准确率。（4）为了解决端到端服务交付过程中的隐私问题,确保服务的无缝编排,本文提出了一种针对EISO框架的隐私保护技术。传统的隐私管理技术利用集中管理的策略,该策略会导致单点失效从而引发信任缺失并导致包括状态修改、信息泄露和身份被盗的隐私提升问题。为了应对这些挑战,我们提出了一种使用部署在EISO框架边缘层的分布式身份验证策略来强制实施隐私的解决方案。在所提方案中,可信边缘节点实现了一种使用公钥/私钥匹配来认证物联网交易的认证算法。实验评估表明,该方案在时延、带宽消耗、部署时间、可扩展性和准确性等方面均优于传统的区块链方案。因此,可以利用它来保护支持边缘的物联网免受隐私攻击,并确保端到端物联网服务协调。本文通过设计一个端到端物联网服务编排的EISO框架,以及用于定制服务协调、安全和隐私的应用开发关键技术,为解决物联网服务全生命周期的协同应用,提供了一套系统的解决方法。
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