物联网的体系结构与相关技术研究Word文档格式.docx
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在总结物联网特征基础上,对物联网的研究提出了建议。
关键词:
物联网;
网络化物理系统;
下一代网;
产品电子标签;
网络体系结构
中图分类号:
TP393 文献标识码:
A 文章编号:
167325439（2009）0620001211
1 物联网研究背景
随着政府对于物联网研究和开发的高度重视,物联网已经引起国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视,物联网研究和技术的报道已经十分普及。
2009年10月,通过谷歌查询“物联网”关键词,获得了约500多万条结果,如表1所示。
可以看出,对于物联网的关注程度相当于对“商品房价格”和“传感器网络”的关注程度,远小于对“软件”（2亿多条）、“互联网”（1亿多条）、“奥运会”（约3千万条）的关注程度;
大于对“物价指数”（约300万条）的关注程度,远大于对“第三代移动通信”（约71万条）的关注程度。
通过与物联网相关技术的搜索可以看出,虽然物联网的被关注程度远小于“网络安全”、“RFID（RadioFrequencyIDentification）”、“下一代网络”和“嵌入式系统”（超过或者接近1千万条）技术的被关注程度,但是,与“传感器网络”的关注程度十分
接近,而传感器网络发展历史远长于物联网。
从以上搜索结果可以看出,物联网已经迅速成为当前具有影响力的技术。
社会各界在较短时间内对于物联网产生了极大的关注,说明许多人相信物联网可能对人类社会、人们日常生活产生巨大的影响。
无论国内还是国外,物联网的研究和开发才处于起步阶段,有关物联网的定位和特征还存在一些混乱的概念,物联网的系统模型和结构尚没有形成标准,物联网的研究和开发在国内还存在一定程度的盲目性。
从科学研究的角度看,物联网的研究和开发存在一些值得思考的问题。
例如,物联网是否就是传感器网络?
什么是物联网研究和开发的核心技术?
什么是物联网的创新技术?
物联网与互联网存在哪些本质的区别?
如何开展对我国经济和社会发展有价值的物联网研究和开发?
本文在分析物联网相关的技术和应用的基础上,试图回答以上有关物联网的问题;
在分析和研究已有物联网技术方案的基础上,尝试提出一种物联网互连体系结构,用于指导物联网的理论研究;
在分析和研究物联网应用实例的基础上,试图提出一种物联网系统模型,用于指导物联网技术标准的研究和应用系统的开发。
在以上研究基础上,试图得出物联网不同于互联网的特征,从中推导出科学地开展物联网研究和开发的基本原则,为我国的物联网研究和开发提供有科学依据的参考。
2 物联网的基本概念
2.1 物联网的基本定义
按照国际电信联盟（ITU）的定义[1],物联网主要解决物品到物品（ThingtoThing,T2T）,人到物品
（HumantoThing,H2T）,人到人（HumantoHuman,H2H）之间的互连。
这里与传统互联网不同的是,H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,H2H是指人之间不依赖于个人电脑而进行的互连。
需要利用物联网才能解决的是传统意义上的互联网没有考虑的、对于任何物品连接的问题。
物联网是连接物品的网络,有些学者在讨论物联网中,常常提到M2M的概念,可以解释成为人到人（MantoMan）、人到机器（MantoMachine）、机器到机器（MachinetoMachine）。
实际上M2M所有的解释在现有的互联网都可以实现,人到人之间的交互可以通过互联网进行,最多可以通过其他装置间接地实现,例如第三代移动电话,可以实现十分完美的人到人的交互;
人到机器的交互一直是人体工程学和人机界面领域研究的主要课题;
而机器与机器之间的交互已经由互联网提供了最为成功的方案。
本质上,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互,万维网（WorldWideWeb）技术成功的动因在于:
通过搜索和链接,提供了人与人之间异步进行信息交互的快捷方式。
我们认为,在物联网研究中不应该采用M2M概念,这是容易造成思路混乱的概念,应该采用ITU定义的T2T、H2T和H2H的概念。
2.2 物联网与下一代网络
按照ITU物联网研究组的研究结论[1],物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。
这3项核心技术的简单定义如下,普适网络,无处不在的、普遍存在的网络;
下一代网络,可以在任何时间、任何地点,互连任何物品,提供多种形式信息访问和信息管理的网络;
普适计算,无处不在的、普遍存在的计算。
其中下一代网中“互连任何物品”的定义是ITU物联网研究组对下一代网定义的扩展,我们认为,这是对下一代网发展趋势的高度概括。
从现在已经成为现实的多种装置的互连网络,例如手机互连、移动装置互连、汽车互连、传感器互连等等,都揭示了下一代网在“互连任何物品”方面的发展趋势。
从以上的定义可以看出,下一代网络在某种角度看,就是可以连接任何物品的物联网。
按照传统的定义,下一代网络是在任何时间、任何地点,以任何方式提供信息访问和管理的服务。
传统意义上的下一代网侧重于为人提供方便的信息服务,所以,从网络服务角度看,下一代网络可以称为信息网络;
而从互连角度看,这种传统的下一代网定义还是局限在传统互联网的范畴,仅仅强调人与人之间的信息交互。
我们认为,应该按照ITU的定义,把物联网研究和开发纳入下一代网的范畴,而不是把下一代网络仅仅作为引入IP核心网、移动性和个性化服务的网络,这样,下一代网可以真正推动人类社会发展。
人与人之间的信息交互是具有百年发展历史的电信网主要业务范畴,引入了物联网理念的下一代网,从根本上扩展了电信网的业务范畴,可以真正推动电信业务和电信网络的全面变革,可以为电信网（包括固定电信网和移动电信网）创造新的发展机遇。
2.3 物联网与CPS
随着处理器、存储器、网络带宽等成本的下降,嵌入式系统广泛应用于许多领域,特别是广泛应用于各类物理设备中,例如飞机、汽车、家电、工业装置、医疗器械、监控装置和日用物品。
国际上把利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统[2-3]（CPS,cyber2physicalsystems）或者深度嵌入式系统（deeplyembeddedsystems）[4-5],CPS也可以翻译为“物理设备联网系统”。
美国总统的科学技术咨询委员会（PCAST）在2007年8月发布的题为“挑战下的领导地位:
在世界竞争中的信息技术研发”的咨询报告[6]中,明确建议把CPS作为美国联邦政府研究投入最高优先级的课题,由此启动了美国高校和研究机构的CPS研发热潮。
PCAST咨询报告认为[6],CPS的设计、构造、测试和维护难度较大、成本较高,通常涉及到无数联网软件和硬件部件,在多个子系统环境下的精细化集成。
在监测和控制复杂的、快速动作的物理系统（例如医疗设备、武器系统、制造过程、配电设施）运行时,CPS在严格的计算能力、内存、功耗、速度、重量和成本的约束下,必须可靠和实时地操作。
绝大部分CPS系统都是安全关键的系统,必须在外部攻击和打击下能够继续正常工作。
这种融合信息世界和物理世界的技术具备以下自身的特征:
（1）CPS是未来经济和社会发展的革命性技术。
CPS是信息领域的网络化技术、信息化技术,与物理系统中控制技术、自动化技术的融合。
CPS可以连接原来完全分割的虚拟世界和现实世界的关联,使得现实的物理世界与虚拟的网络世界连接,通过虚拟世界的信息交互,优化物理世界的物体传递、操作和控制,构成一个高效、智能、环保的物理世界。
从这个角度看,CPS技术是可以改变未来经济和社会发展的革命性技术。
（2）信息材料本身就是一种CPS技术。
材料技术与信息技术融合构成的信息材料技术本身就是一种CPS技术,它是最为基础的网络化世界与物理世界连接的技术。
例如小型化、低成本、环保节能的新型材料传感器、显示器等技术,都是CPS发展中的关键技术。
（3）CPS要求计算技术与控制技术的融合。
为了把网络世界与物理连接,CPS必须把已有的、处理离散事件的、不关心时间和空间参数的计算技术,与现有的、处理连续过程的、注重时间和空间参数的控制技术融合起来,使得网络世界可以采集物理世界与时间和空间相关的信息,进行物理装置的操作和控制。
（4）CPS要求开放的嵌入式系统。
CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统,CPS中的嵌入式计算系统不是传统的封闭性系统,而是需要通过网络,与其他信息系统进行互联和互操作的系统。
CPS要求的嵌入式系统是一种开放的嵌入式系统,需要提供标准的网络访问接口和交互协议、标准的计算平台和服务调用接口、标准的计算环境和管理界面。
（5）CPS要求可靠和确定的嵌入式系统。
CPS把计算技术带入了与国家基础设施、人们日常生活密切相关的领域,CPS大部分应用领域是与食品卫生一样的安全敏感的领域,CPS的技术和产品需要经过政府严格的安全监督和认证。
原来信息技术领域习以为常的“免责”条款将不再适用,CPS技术和产品必须成为高可靠的、行为确定的产品,CPS技术要求可靠和确定的嵌入式系统。
对照国际电信联盟有关物联网的定义以及PCAST咨询报告有关CPS定义,我们认为CPS是物联网的专业称呼,侧重于物联网内部的技术内涵;
而物联网是CPS的通俗称呼,侧重于CPS在日常生活中的应用。
从专业角度看,CPS提供了物联网研究和开发所需要的理论和技术内涵;
从应用角度看,物联网提供了CPS未来应用的一个直观画面,更加适合于普及CPS方面的科学知识。
物联网的研究和开发应该从CPS入手和深入,而CPS技术和产品的普及和应用可以从物联网角度介绍和举例。
2.4 物联网与无线传感器网络
由于目前对于物联网研究尚未深入,对于物联网的技术内涵也缺乏专业的研究,有些专业的或非专业的报道通常会把无线传感器网络作为物联网。
实际上,只要略微查询一下专业学术刊物,研究无线传感器网络的定义,对比物联网定义,就可以得出较为科学的结论。
按照国内权威学术期刊的定义[7],无线传感器网络是一种“随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络”,它可以“借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号”,并且“传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求,前者以数据为中心,后者以传输数据为目的”。
所以,无线传感器网络并没有赋予T2T的连接能力,更不具备与物理系统连接并且控制物理系统的能力。
我们认为,无线传感器网络仅仅是采集和传递数据,并没有涉及到物联网中的核心控制技术,也不具备CPS要求的高可靠性。
所以,无线传感器网络并不是物联网,更不是网络化物理系统,无线传感器网络的相关技术在一定程度上可能支撑物联网的开发。
3 物联网体系结构
要深入研究物联网的体系结构,必须首先研究物联网已经构建的应用系统和应用实例。
物联网已经在仓储物流[8],假冒产品的防范[9],智能楼宇、路灯管理、智能电表、城市自来水网等基础设施[10-11],医疗护理[12]等领域得到了应用。
人类社会在相当长时间内将面临两大难题:
其一是能源短缺和环境污染;
其二是人口老龄化和慢性病增加,物联网首要的应用在于能耗控制和医疗护理。
人类社会目前遇到的问题是:
恐怖活动和信任危机,物联网目前急需的应用在于安防监控、物品身份鉴别。
另外,物联网在智能交通、仓储物流、工业控制等方面都有较大的应用价值。
已经公开的物联网的应用实例基本上围绕这些应用领域。
3.1 物联网已有的体系结构
在公开发表物联网应用系统的同时,很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结构,例如物品万维网的（WebofThings,WoT）体系结构[13],它定义了一种面向应用的物联网,把万维网服务嵌入到系统中,可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。
这是一个以用户为中心的物联网体系结构,试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上,用于简化物联网的信息发布和获取。
物联网的自主体系结构[14]是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。
该自主体系结构采用自主通信技术。
自主通信是以自主件（selfware）为核心的通信,自主件在端到端层次以及中间结点,执行网络控制面已知的或者新出现的任务,自主件可以确保通信系统的可进化特性。
物联网的自主体系结构如图1所示,包括了数据面、控制面、知识面和管理面,数据面主要用于数据分组的传递;
控制面通过向数据面发送配置报文,优化数据面的吞吐量以及可靠性;
知识面提供整个网络信息的完整视图,并且提炼成为网络系统的知识,用于指导控制面的适应性控制;
管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互,提供物联网的自主能力。
图1 一种联网的自主体系结构
这里自主特征主要由STP/SP协议栈和智能层取代传统的TCP/IP协议栈,如图2所示,这里的STP和SP分别表示智能传送协议（SmartTransportProtocol）和智能协议（SmartProtocol）,物联网结点的智能层主要用于协商交互结点之间STP/SP的选择,用于优化无线链路之上的通信和数据传送,满足异构物联网设备之间的联网的需求。
这种面向物联网的自主体系结构涉及的协议栈较为复杂,只能适用于计算资源较为富裕的物联网结点。
目前物流仓储的物联网应用都依赖于产品电子代码（EPC）网络[8,15],该网络如图3所示,主要组成部件包括:
产品电子代码（EPC）,这是一种全球范围内标准定义的产品数字标识;
电子标签和阅读器,电子标签通常采用射频标识（RFID）技术存储EPC,阅读器是一种阅读电子标签内存储的EPC并且传递给物流仓储管理信息系统的装置;
EPC中间件,
这EPC网络包括3个层次:
（1）实体和内部层次,该层由EPC、RFID标签、RFID阅读器、EPC中间件组成。
这里的EPC中间件实际上屏蔽了各类不同的RFID之间的信息传递技术,把物品的信息访问和存储转化成为一个开放的平台。
（2）商业伙伴之间的数据传输层,这层最重要的部分是EPC2IS,企业成员利用EPC2IS服务器处理被ALE过滤之后的信息,这类信息可以用于内部或者外部商业伙伴之间的信息交互。
（3）其他应用服务层,这层最重要的部分是ONS,ONS用于发现所需的EPC2IS的地址。
EPC2global[15]（全球EPC管理机构,详见第4节）委托全球著名的域名服务机构VeriSign（威瑞信）公司提供ONS全球服务,全球至少有10个数据中心提供ONS服务。
以上都是分别从某个具体应用的角度给出了物联网的系统结构,这类结构还无法构成一个通用的物联网系统结构。
下面给出一个通用物联网体系结构。
3.2 建议的物联网体系结构
我们认为,物联网体系结构设计应该遵循以下5条原则:
（1）多样性原则,物联网体系结构必须根据物联网结点类型的不同,分成多种类型的体系结构;
（2）时空性原则,物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求;
（3）互联性原则,物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接;
（4）安全性原则,物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击;
（5）坚固性原则,物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。
以下从物联网的服务类型,结点分类和互连结构3个方面讨论物联网的体系结构。
3.2.1 物联网的服务类型
根据物联网自身的特征,物联网应该提供以下几类服务:
（1）联网类服务:
物品标识、通信和定位;
（2）信息类服务:
信息采集、存储和查询;
（3）操作类服务:
远程配置、监测、远程操作和控制;
（4）安全类服务:
用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测、攻击防御;
（5）管理类服务:
故障诊断、性能优化、系统升级、计费管理服务。
以上罗列的是通用物联网的服务类型集合,根据不同领域的物联网应用需求,以上服务类型可以进行相应的扩展或裁剪。
物联网的服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统的主要依据。
3.2.2 物联网的结点分类
为了构建物联网的体系结构,首先需要划分物联网中网络结点的类型。
物联网结点可以分成无源CPS结点、有源CPS结点、互联网CPS结点,其特征从以下方面进行描述:
电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、联网能力、连接能力,具体如表2所示。
无源CPS结点,就是具有电子标签的物品,这是物联网中数量最多的结点,例如携带电子标签的人可以成为一个无源CPS结点。
无源CPS结点一般不带电源,可以具有移动性,具有被感知能力和少量的数据存储能力,不具备计算和联网能力,提供被动的T2T连接。
有源CPS结点,具备感知、联网和控制能力的嵌入式系统,这是物联网的核心结点,例如装备了可以传感人体信息的穿戴式电脑的人可以成为一个有源CPS结点。
有源CPS带有电源,可以具有移动性、感知、存储、计算和联网能力,提供T2T、H2T、H2H连接。
互联网CPS结点,具备联网和控制能力的计算系统,这是物联网的信息中心和控制中心,例如具有物联网安全性、可靠性要求的,能够提供时间和空间约束服务的互联网结点就是一个互联网CPS结点。
互联网CPS结点不是一般的互联网的结点,它是属于物联网系统中的结点,采用了互联网的联网技术相互连接,但具有物联网系统中特有的时间和空间的控制能力,配备了物联网专用的安全性和可靠性的控制体系。
互联网CPS结点具有不间断电源,不具备移动性,可以具有感知能力,具有较强的存储、计算和联网能力,可以提供H2T、H2H连接。
3.2.3 物联网互连体系结构
根据以上物联网结点的分类,可以进一步研究可能存在的连接类型,例如物联网结点之间存在无源结点与有源CPS结点,有源CPS与有源CPS结点,以及有源CPS结点与互联网CPS结点之间的连接,这些类型的连接结构构成了物联网互连的体系结构。
由于物联网的异构性,我们建议的通用物联网体系结构由3部分构成:
无源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与互联网结点互连结构。
无源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图4所示,无源CPS结点通过物理层协议与有源CPS结点连接,例如通过RFID协议,有源CPS可以获取无源CPS结点上电子标签的信息。
有源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图5所示,有源CPS结点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互,实现有源CPS结点之间的信息采集、传递和查询。
考虑到大部分有源CPS结点资源限制十分严格,有源CPS结点不适合配置已有的IP协议;
配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议,可以保证可靠、高效、节能地
采集、传递和查询信息,满足物联网结点交互的应用需求。
有源CPS结点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现,这样,可以按照应用需要,设计灵活的信息采集和转发的协议,不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。
有源CPS结点与互联网CPS结点互连结构如图6所示,有源CPS结点需要通过CPS网关,才能连接互联网结点。
CPS网关实际上是一个有源CPS结点与互联网CPS结点的组合,其中实现了完整的互联网协议栈。
这样,通过CPS网关,可以在应用层与互联网连接,实现物联网与互联网之间信息传递,以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互连和互操作。
这种互连结构可以允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构,简化不必要的联网功能,降低网络系统的复杂性。
不同的物联网联网技术,例如汽车电子联网技术、环境监测联网技术
在以上定义的物联网体系结构中,物联网物理层协议,提供在物理信道上采集和传递信息的功能,具有一定的安全性和可靠性控制能力;
物联网数据链路层协议,提供对物理信道访问控制、复用,在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能,具有较为完整的可靠性、安全性控制能力,可以提供服务质量的保证;
应用层协议,提供信息采集、传递、查询功能,具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。
4 物联网的系统模型
从抽象的物联网结点的互连结构可以提取出隐藏物联网背后的关键理论和技术,但这并不能完整反映出物联网系统实现中的关键技术,我们需要设计一个通用的物联网系统模型,进一步提取出物联网实现系统的关键技术和方法。
在目前已发表的论文中还没有看到一个通用的物联网的系统模型,这样,难以指导物联网的研究和开发。
在前面提出的通用物联网体系结构的基础上,我们提出一个通用物联网的系统模型,试图通过物联网的系统模型,分析和梳理在实现物联网系统过程中涉及到的关键技术和方法。
构建物联网通常需要分成标识物品、建立物品联网系统和建立物联网应用系统,以下将从这3个方面讨论物联网系统的设计和实现技术。
4.1 标识物品
世界上所有的物品可以简单分成人造物品和自然物品,人造物品包括食品、纺织品、其他日用品、货物、道路、桥梁、楼房、汽车、飞机、轮船、生产线等,通常在人造物品上贴上电子标签或者传感装置,就可以把人造物品改造成CPS结点。
自然物品包括动物、植物、山峰、河流、湖泊等,这些自然物品也可以贴上电子标签或配置传感装置,改造成为CPS结点。
例如牛角上贴上电子标签,奶牛也成为一个CPS结点,可以智能化管理奶牛的喂养和挤奶等操作;
盲人穿着具有电子标签的鞋子,也可以成为一个CPS结点,与盲道上的电子标签阅读器协同操作,就可以指导盲人的行走。
构建物联网系统的第一步是标识物品,也就是表示世界上所有的物品,这里需要利用电子标签和传感器技术。
而电子标签,特别是用于自然物品的电子标签,需要具备防水、耐磨、耐高温等特性,并且具备一定的电磁特征,这方面需要采用信息材料技术,这是属于物联网的最为基础的技术,是一个应用十分广泛的技术。
在信息材料技术方面的任何突破,都会带来物联网产业的大幅度发展。
因为电子标签和低端传感器是面广量大的产品,信息材料技术在降低成本、提供质量方面的任何改进,都会扩展物联网的应用面,降低物联网部署成本,提高物联网产业的收益。
所以,信息材料技术的原始创新和自主创新,必定会带动我国经济和社会的发展。
标识物品的另外一项技术就是世界统一的物品编码技术。
目前还没有针对物联网的全球物品编码技术,产品电子代码（EPC）是关于全球产品类电子代码编制的一个规范,EPC由EPCglobal（http:
∥www.epcglobalinc.org/）负责标准化和应用[15],它是国际物品编码协会EAN和美国统
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