CC BY
81
ШИШИН1 Олег Игоревич ЕГОРОВ2 Алексей Дмитриевич БАДРУТДИНОВ3 Айрат Дамирович ПОТАПКИНА4 Татьяна Сергеевна
ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ УСТРОЙСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
В данной работе рассматривается, новый вид распределенных систем, хранения, данных под названием D-RFID. Модель таких систем, состоит, из нескольких радиочастотных меток и считывателей, где все составляющие системы, могут независимо перемещаться, с течением, времени. Главным, преимуществом. D-RFID по сравнению с «традиционными» системами с центральным, сервером,, является возможность хранить информацию об объектах, расположенных рядом, с ними. Диапазон. реальных и теоретических применений D-RFID очень широк: от. применения на складах до интернет-коммуникаций. Ключевые слова: распределенные системы, хранения, данных, радиочастотная, идентификация, D-RFID.
The article proposes the new kind of distributed, data storage systems called D-RFID. The model of such, systems consists of a number of RFID tags and readers, where all the parts of the system, can independently move in the course of time. The main advantage of D-RFID in comparison, with, "traditional" systems with, a central server is the ability to store information, about the objects locally near them.. In different applications the data of each. D-RFID point could, be associated, with, its site directly or take a local view of a system's memory in whole. The range of real and theoretical applications of D-RFID is very wide and. runs from, warehousing to Internet communications.
Keywords: distributed, data storage systems, radio frequency identification, D-RFID.
Технология радиочастотной идентификации (ЯРГО) получила в последние годы широкое распространение и используется в различных областях науки, техники и промышленности. Достижениям в сфере радиочастотной идентификации посвящены многие научные труды, в том числе [1 — 7]. Отметим, что новейшие разработки в ЯРГО-области делают возможным физическое построение распределенных систем хранения данных, а теоретические изыскания последних лет обосновывают защищенное хранение информации в таких системах с точки зрения целостности данных и защиты от несанкционированного доступа [8]. В данной статье доказывается жизнеспособность распределенных систем
хранения информации, строящихся на базе радиочастотной идентификации. К настоящему времени ЯРГО-техно-логии сделали шаг в своем развитии от простейших однобитных меток до многобитных. Причем, если ранее под многобитностью подразумевалась возможность хранить в единичной метке длинный уникальный идентификатор (порядка 100 бит), то сейчас уже существуют миниатюрные устройства, обладающие собственной памятью, объем которой приближается к мегабайту. Применение таких «интеллектуальных меток» при построении распределенных ЯРГО-си-стем позволяет уменьшить количество используемых меток и увеличить их объем.
1 - НИЯУ МИФИ, аспирант;2-3 - НИЯУ МИФИ, студенты;
4 - НИЯУ МИФИ, инженер.
Как правило, системы, использующие метки-идентификаторы, строятся так называемым псевдораспределенным образом. При этом все физические объекты, составляющие систему, снабжаются меткой с уникальным номером, а информация об объекте хранится в удаленной базе данных. При необходимости получить данные, связанные с объектом, пользователь считывает идентификатор и отправляет содержащий его запрос к базе. Сама по себе удаленная база данных может быть и реплицированной, но механизмы доступа к базе в любом случае остаются традиционными. Сохраняются также и все недостатки, связанные с такой архитектурой систем хранения — прежде всего, это
необходимость в большом числе транзакций, приводящая к тому, что канал связи с базой данных становится наиболее узким местом в системе. Представим себе распределенную систему, построенную по совершенно иному принципу. Данные о любой структурной единице, составляющей рассматриваемую систему, физически связаны с ней и полностью располагаются в памяти RFID-метки. Такая сущность, как уникальный идентификатор объекта, автоматически исчезает, вместе с ней пропадает и необходимость в централизованной базе данных. Подобная распределенная система наследует свое предназначение — хранить пользовательскую информацию об определенном наборе разрозненных структурных единиц. Классический пример создания подобных систем — организация складского учета, при которой описание и данные о состоянии продукта хранятся вместе и подвергаются анализу лишь при использовании/перемещении последнего. Также распространена модель, в которой RFID-метки совмещены с датчиками температуры, движения и т.д. Такие системы часто именуются «база данных датчиков». Иногда к классу этих систем причисляют и так называемую «умную пыль» (smartdust) [9, 10]. При полном сохранении функций псевдораспределенных систем исключаются лишние операции пересылки данных, хотя существуют и свои недостатки — гораздо проще обеспечить защиту централизованной базы данных, чем разрозненных носителей. Посмотрим на распределенную RFID-систему хранения данных под новым углом, а именно как на совокупность множества универсальных меток, содержащих память, и множества считывателей, способных к чтению и перезаписи этих меток. Предположим также, что положения всех компонентов системы в пространстве могут независимо изменяться с течением времени. Такая модель системы именуется распределенной - D-RFID (Distributed RFID).
Архитектура хранилища данных D-RFID создает новые проблемы в прежних методах. RFID-метки, будучи пассивными устройствами, не могут производить обмен данными друг с другом
напрямую [11]. Все операции производятся только при помощи считывателя (ридера), который должен быть физически помещен в зону обнаружения метки.
Таким образом, каждая метка может быть представлена как кортеж базы данных с атрибутами текущего местоположения pt(t) и текущих данных d(t). Используя декларативный язык наподобие SQL, пользователь может, например, вычислить местонахождение метки с нужной информацией в момент времени t. Предполагается, что с учетом задания начальных условий при помощи сложных запросов можно будет осуществлять полноценное манипулирование данными, расположенными в метках.
Когда принимается во внимание взаиморасположение RFID-меток и считывателей при построении модели данных, становится очевидным, что хранилище D-RFID находится в постоянно изменяющемся состоянии. Это можно использовать, когда вместо поиска по всей информации пользователи могут сосредоточиться на рассмотрении изменений, происходящих в определенной локации.
Архитектура систем D-RFID может базироваться на принципе «публикация — подписка», в котором каждое приложение, использующее распределенное хранилище, может выступать в качестве подписчика лишь специфически отобранной информации — например, данных, появившихся за последние сутки на метках, доступных в определенной зоне. Когда тот или иной ридер системы обнаруживает метку в заданной зоне и с нужным содержимым, формируется событие, уведомление о котором отправляется всем приложениям-подписчикам [12].
Достижение эффективного считывания и обновления информации в хранилище D-RFID является значимой проблемой и требует специального приспособления механизмов считывания, например, оптимизации энергии, расходуемой считывателями системы на совершение операций. Знания о существующих подписках и взаиморасположении ридеров на данный момент времени позволяет системе производить опрос только тех меток, на которые распространяется хотя бы
одна подписка. Интерпретация хранилища D-RFID как обыкновенной базы данных, опрашиваемой при помощи декларативных языков, позволяет абстрагироваться от хранения информации специфичным для отдельного приложения образом.
Помимо прочего, концепции D-RFID удовлетворяют такие математические модели, как синхронизация данных методом логических векторных часов. Основной идеей метода является то, что каждая метка и считыватель имеют свое локальное представление распределенной памяти. С каждым таким представлением ассоциируются свои векторные часы. Когда считыватель начинает взаимодействие с меткой (или другим считывателем напрямую), оба элемента D-FRID синхронизируют свои локальные представления посредством сравнения значений векторных часов. Таким образом, оба они получают преимущественно более свежую информацию, способствуя обновлению системы в целом [13].
Логично предположить, что клиентским средством доступа к системам D-RFID чаще всего выступает мобильное устройство (планшет, КПК или телефон, снабженный модулем RFID-связи, например, NFC (Near Field Communication)), что и позволяет пользователям системы осуществлять доступ к ней из любой точки внутри системы. Поэтому одной из наиболее популярных областей применения систем D-RFID являются ситуации, в которых вся информационная структура локализована на сравнительно небольшой территории. Это может быть круизное судно, развлекательный комплекс или лесопарковая зона, на территории которой реализована навигационная система для туристов и любителей спортивного ориентирования. Конкурентными преимуществами D-RFID в этих приложениях являются дешевизна подобного решения и, что особенно важно, скорость развертывания хранилища данных в экстремальных условиях и при отсутствии сложных технических средств. Таким образом, D-RFID могут оказать существенную помощь при организации информационных систем для штабов спасательных операций при стихийных бедствиях, терактах и т.д.
Другим практически значимым приложением Б-ЯРГО может стать обеспечение средствами связи регионов, географически удаленных от крупных населенных пунктов и слаборазвитых в экономическом плане. Суть данной идеи состоит в том, что населению предоставляются уже упомянутые мобильные считыватели, а элементы хранилища данных — метки — размещаются на
муниципальном транспорте (рейсовые автобусы, почтовая служба), а также на специальных киосках связи, расположенных вдоль постоянных маршрутов их следования в непосредственной близости к населенным пунктам. Местные пользователи оставляют в метках киосков свои запросы к информационным ресурсам «большой земли», а постоянно проезжающий мимо транспорт
копирует их на свои носители и оставляет пакеты информации, полученные по предыдущим запросам. При кажущейся простоте подобные решения в некоторых ситуациях способны обеспечить значительную пропускную способность при стоимости внедрения, гораздо меньшей, чем стоимость спутникового Интернет-канала
Литература
1. Po Yang, Wenyan Wu, Moniri M, Chibelushi C.C. Efficient Object Localization Using Sparsely Distributed Passive RFID Tags. / IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013. - Volume 60. - Issue: 12. - Pages 5914 - 5924.
2. Minho Jo, Hee Yong Youn, Si-Ho Cha, Hyunseung Choo. Mobile RFID Tag Detection Influence Factors and Prediction of Tag Detectability. /IEEE Sensors Journal, 2009. - Volume 9. - Issue 2. - Pages 112 - 119.
3. Jadhav G.N., Hamedi-Hagh S. UHF class-4 active two-way RFID tag for a hybrid. RFID-based system.. / IEEE International RF and Microwave Conference (RFM), 2011. - Pages 337 - 342.
4. Ming-Hsien Lee, Chia-Yu Yao, Hsin-Chin Liu. Passive Tag for Multi-carrier RFID Systems. /IEEE 17th International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS), 2011. - Pages 872 - 876.
5. Rajagopalan H., Rahmat-Samii Y. Ingestible RFID bio-capsule tag design for medical monitoring. /IEEE Antennas and. Propagation. Society International Symposium. (APSURSI), 2010. - Pages 1 - 4.
6. Se Won Oh, Hyochan Bang, Jae Gak Hwang. Light-weight RFID device interface for controlling RFID tag memory access. /The 12th International Conference on Advanced. Communication. Technology (ICACT), 2010. - Volume 2. - Pages 1516 - 1521.
7. Nakamori E., Tsukuda D., Fujimoto M., Oda Y., Wada T., Okada H., Mutsuura K. A new indoor position estimation, method, of RFID tags for continuous moving navigation, systems./ International Conference on Indoor Positioning and. Indoor Navigation. (IPIN), 2012. - Pages 1 - 8.
8. V. Wu, M. Montanari, N. Vaidya, R. Campbell. Distributed RFID Tag Storage Infrastructures./ University of Illinois at Urbana-Champaign, IL. - USA, 2007.
9. Pam Frost Gorder. Sizing up smartdust. /Computing in Science & Engineering, Nov.-Dec. 2003. - Volume 5. - Issue 6. - Pages 6 - 9.
10. Yuwen Sun, Shimeng Huang, Oresko J.J., Cheng, A.C. Programmable Neural Processing on a Smartdust for Brain-Computer Interfaces. /IEEE Transactions on Biomedical Circuits and. Systems, 2010. - Volume 4. - Issue 5. - Pages 265 - 273.
11. Сандип Лахири. RFID. Руководство по внедрению - The RFID Sourcebook./ Дудников С. - М.: Кудиц-Пресс, 2007. - 312 с.
12. M. Simatic. RFID-based. Distributed Memory for Mobile Applications. Institut Télécom, Télécom & Management SudParis, 9 rue Charles Fourier, 91011 Evry Cedex. - France, 2007.
13. J. Bohn. Prototypical Implementation, of Location-Aware Services based, on a Middleware Architecture for Super-Distributed. RFID Tag Infrastructures. /Institute for Pervasive Computing ETHZurich. - Switzerland, 2006.
