Особенности архитектуры распределенных систем хранения данных устройств радиочастотной идентификации

Т ехнология радиочастотной идентификации (RFID) 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 RFID-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 RFID-технологии 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 RFID-систем позволяет уменьшить количество используемых меток и увеличить их объем.

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 DRFID 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 p i (t) и текущих данных d i (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 DRFID 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 D-RFID 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 ■