物联网技术与体系架构26

物联网技术与体系架构物联网技术与体系架构物联网技术与体系架构物联网技术与体系架构第章绪论电影《黑客帝国》为我们描述了这样一个世界：人类的意识存在于一个巨大的由电脑控制的虚拟网络中，在这里的人感觉似乎仍然在现实中，但真正的现实世界却是在他们的意识之外，在这个虚拟空间中的人仅凭意识生活，已经无法区分什么是虚拟世界，什么是现实世界。这是一个极端的例子，展现了信息网络所创造的虚拟世界与现实世界发生冲突和分裂的可能性。然而，分裂只是问题的一面，我们应当看到，虚拟世界来自于现实世界，虚拟世界的本质是一个数字化的信息空间，其存在的根本目的还在于服务现实世界，使得现实物理世界所产生的信息能够更加有效地处理和传播。因此，虚拟世界与现实世界的融合才是人们孜孜追求的目标。在信息网络高速发展、信息技术高度发达的今天，“物联网”的出现正体现了虚拟网络和现实世界融合的趋势，寄托着人们利用信息技术进一步改造现实世界的希望。下面，就让我们一起走进物联网的大门，一窥物联网这个时代浪潮的面貌。希望这本书能成为一把开启大门的钥匙，一艘发现新大陆的航船。本章将从概念上描述物联网的基本含义和特征，回溯物联网出现的历史，审视物联网的现状，展望物联网的未来，为理解学习物联网知识打下基础。1.1自从1999年提出物联网（TheInternetofThings）这个词汇以来，物联网的概念一直在不断地发展和扩充。最早的物联网概念来自于RFID（射频识别）领域，被认为是将每个物品打上电子标签，然后通过射频识别技术和通信技术形成信息网络，实现物品的智能识别、定位和监控。但是物联网的发展很快就突破了这个狭窄的定义，席卷了包括传感网、互联网1物联网技术与应用2在内的传统IT领域，研究团体、大型企业、国际组织、政府都给予了高度的关注。物联网所蕴含的内容在不断丰富，人们对物联网的认识也不断加深，甚至有人预测物联网将成为人类社会的第三次信息化浪潮。究竟物联网是什么，到现在还没有一个统一的定义，而且随着发展不断涌现出新的解释。也许只有等物联网应用广泛普及，才会有一个全面的解答。从物联网的本质来说，正如本章开头所言，物联网体现了一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合趋势。20世纪40年代计算机的发明，使得人们对信息的理解和处理能力都大大加强，信息作为一种独立的因素和力量开始深刻地塑造和改变着人类世界。到了20世纪90年代，互联网的兴起大大加强了信息的传播能力，一个信息快速产生、流通和消亡的虚拟空间就此诞生。人们在这个虚拟空间内，可以以信息的形式完成自己的社会活动，创造财富，生产价值。虚拟空间带来的影响是明显的，包括交流的形式不断多样化，地球成为一个村落，传统的障碍和壁垒被不断打破，空间和时间的尺度都被大大缩短，影响遍及经济、政治、文化等领域。到了今天，互联网已经成为一个无比庞大的虚拟数字世界，包含着海量的信息，连接着数以十亿计的网络用户。这个虚拟世界在数量和规模上仍然在不断地扩大，对现实世界的渗透和影响也在不断加强。然而到目前为止，虚拟世界的入口主要是计算机终端，虚拟世界的活动方式以人为的浏览网页、收发邮件、聊天等为主。虚拟世界只是现实世界的一个镜像，一个存放数据的仓库。随着互联网业务的发展、通信能力的不断增强、现代社会寻找创新动力的需求出现，人们开始希望能够随时随地进入这个信息畅通的虚拟世界，同时希望能在虚拟世界中从事更多现实世界中的活动。这种更深度的融合趋势就催生了物联网，物联网既是虚拟世界继续扩大深化的尖刀，也是现实世界继续信息化自动化的利器。物联网正是因为代表了这种融合的趋势，蕴含着融合所带来的巨大创新空间，以及融合后产生的巨大价值，才成为了当下的热点，成为了包括我国在内的多个国家的重大科技战略。从这个意义上来说，物联网的基本含义就是一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合。这种融合是双向的，第一个方向是现实世界向虚拟世界的融入，主要包括通过移动通信、嵌入式等技术使得现实世界中处处可以产生数字信息，接入通信网络，进入虚拟世界，完成信息的产生、存储、复制、共享等，使得虚拟数字世界无处无时不在，我们可以称之为“数字世界泛在化”；第二个方向是虚拟世界向现实世界的融入，这主要包括通过传感器网络、RFID等技术使得现实物理世界中的物体能够可感知、可识别、可控制，从而形成对物理世界的自动识别、控制、监控、管理等，为人类创造一个智能的环境，我们称之为“物理世界智能化”。这两个方向相辅相成，相生相伴，二者的融合就完整展现了物联网的题中之义，并代表着物联网的价值所在。在“数字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合过程中，物联网被赋予多个维度的内涵，具有多重含义。为了全面了解物联网，我们从领域（横向）和层次（纵向）两个维度来探讨物联网的概念和定义。从领域的维度，物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域，包括RFID、传感器、互联网、嵌入式、移动通信等，每个领域都能够从领域自身的视角给出物联网的定义。例如对RFID领域来说，每一个物品上都贴电子标签，通过后台信息系统构成一个借助于互联网，所有物品都能互相联系起来的网络就称为物联网。对互联网领域来说，物联网就是互联网的延伸，就是物物相连的互联网，与传统互联网不同的只是能让物品也能接入互联网。对无线传感器网络领域来说，物联网就是一个广域的传感网。所有的理解都只是物联网的一个侧第1章绪论3面，如果以更广泛的角度来说，物联网就是以“物”的信息的感知、传输、处理为特征，利用包括移动通信、传感网等在内的通信技术使“物”具有通信能力，利用包括嵌入式、中间件编程等在内的信息技术使“物”具有信息处理能力，形成的一个物物、人人、人物都能通信的系统。“物”既包括电器设备和基础设施，例如家电、传感器、移动终端等，也包括生产和生活环境中诸如温度、光线等可感知的因素。从层次的维度，物联网是一个层次化的网络。第一层是感知网络，负责利用RFID、摄像头、传感器、GPS等识别物体、采集信息；第二层是传输网络，负责利用移动通信系统、互联网等将感知层获取的信息进行处理和传递；第三层是业务和应用网络，负责把感知网络和传输网络获取的信息进行分析和处理，作出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务，该层次的网络是与生产生活需求密切结合的业务和应用系统，包括现有的各种智能物流、智能交通、M2M（Machine-to-Machine，机器对机器通信）等应用。从层次上看，物联网可以认为是包含了这三种层次的网络，并以此实现感知、互联、智能三重功能的智能信息系统。在本书第2章中将详细介绍各层的具体功能和关键技术，以此建立物联网的体系结构。综上所述，物联网最本质的含义是数字世界和物理世界的融合网络，以智能化和泛在化为特征的双向融合带来了巨大的创新价值和市场空间。有理由相信，随着物联网应用的开展，物联网的影响将不仅仅局限在技术领域，就如同互联网一样会广泛地深入经济生活、社会生活、文化生活等各个领域，很有可能接过互联网的接力棒，成为新世纪的一场信息革命，全面改变我们的生活。在初步了解了物联网的概念后，下面将通过物联网与传感网、互联网、泛在网等相似概念的辨析进一步明晰物联网的基本特征。1．物联网与传感网传感网是指由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的网络。现在谈到的传感网，一般是指无线传感网（WSN）。WSN可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量翔实可靠的物理世界的信息。这种具有智能获取、传输和处理信息功能的网络化智能传感器和无线传感器网，正在逐步形成IT领域的新兴产业。它可以广泛应用于军事、科研、环境、交通、医疗、制造、抗灾、家居等领域。目前有不少观点，认为物联网是传感网，这样设定的后果，会使得物联网的外延缩小。传感网的概念缺乏了人、物之间的相联、沟通与互动，而且传感网主要采用“传感器+近距离无线通信”方式，不包含基础网络即互联网。物联网如果仅仅作为传感网，物在联网之后，只需服从控制中心的指令，而各系统的控制中心则是互相分离的；如果作为互联网的延伸，则可以将所有联网的系统与节点有机地连成一个整体，起到互相协同的作用。所以，我们能够明显看出，传感网只是一个很小的概念，完全可以将其包容在作为互联网的扩展形式的物联网的概念之内，传感网技术可以认为是物联网实现感知功能的关键技术。2．物联网与互联网有人说，互联网的兴起是20世纪最重要的革命。互联网的出现改变了现实世界，形成了一个庞大的虚拟世界。物联网并不是互联网的翻版，也不是互联网的一个接口，而是互联网的一种延伸，是虚拟世界向现实世界的进一步延伸。物联网作为互联网的扩展，具备了互联网的特性，但是又进一步地增强了互联网的能力。虚拟世界的信息量在物联网时代会急速增加，人人通信会扩展到人人、物物、人物通信，信息化的触角在现实中扎得更深，这是最明显的不同。物联网技术与应用4互联网带动的不仅是技术革新，还有新的经济模式的出现。合作性与开放性、长尾理论的适用性，是互联网在应用中的重要基本特征，就是这些基本特征，引发了互联网经济的蓬勃发展。对物联网来说，可以通过对环境的感知和自动识别增加人与人之间的接触，从中获得更多的价值和商业机会；在人物交汇处可以建立起新的节点平台，使得长尾在节点处显示出最高的效用，正如在互联网时代，各式各样的大型网站由于汇聚了大量的人气，形成了一个个的中心节点，使得长尾理论的效应得到大幅的提高。物联网的普及，不仅能够产生出新的需求，而且还能够产生新的供给，更可以让整个网络获得进一步的扩展和提高，从而创造出更多更丰富的业务应用。正是这些特性，将使物联网带来的实际效应比起互联网会有更大的增强，而并不仅仅是角色的增加和功能的扩展。3．物联网与泛在网按照我们对物联网的理解，物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现广域的人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。归纳言之，物联网的几个关键环节为“感知、传输、处理”。泛在网络也被称作无所不在的网络，最早见于施乐首席科学家MarkWeiser在1991年题为“21世纪的计算”的文章中提出的UbiquitousComputing。泛在网络是为了打破地域限制，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务。人们可以在不意识到网络存在的情况下，随时随地通过适合的终端设备上网并享受服务。泛在网络要求尽量不改变或少改变现有设备及技术，通过异构网络之间的融合协同作用来实现。从二者的定义上来看，物联网和泛在网有很多重合的地方，都强调物物之间、人物之间的通信，物联网的应用也有泛在化的需求和特征。但是从广度上来说，泛在网络的概念反映了信息社会发展的远景和蓝图，具有比物联网更广泛的内涵。泛在网络可以认为是一个大而全的蓝图，而物联网是目前该蓝图实施中的物联阶段。综上所述，传感网是物联网的组成部分，物联网是互联网的延伸，泛在网是物联网发展的愿景。本书通过对概念的定义和比较，从逻辑上已经勾勒了物联网的基本轮廓，下面再从历史的角度上揭示物联网的前世今生。1.21.2.1物联网的概念最早是从射频识别（RFID）这个领域来的，在1999年由专门研究RFID技术的EPCglobal的前身——美国麻省理工大学Auto-ID中心提出。它当时指的是每一个物品上都贴一个电子标签，然后通过后台信息系统构成一个借助于Internet，所有物品都能互相联系起来的网络，以此实现物品的智能识别和管理。但是这个概念当年并没有太多人关注，真正受到关注是2005年ITU（国际电信联盟）重新定义了物联网的概念。2005年11月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，提出了“物联网”的概念。报告指出：无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得第1章绪论5到更加广泛的应用。2008年11月IBM公司从商业角度提出所谓“智慧的地