物联网的技术与挑战 110111-邬贺铨

1物联网的技术与挑战邬贺铨中国工程院2011.01.112物联网的技术与挑战物联网的技术物联网的挑战物联网的技术3物联网的定义欧盟关于物联网的定义（InternetofThings:StrategicResearchRoadmap,CERP-IoTSRA,firstpresentation16September2009)物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化、使用智能接口并且无缝综合到信息网络中。2010年我国的政府工作报告所附的注释中对物联网有如下的说明：是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。4物联网的组成5-信息获取通信网络信息处理通过飞机、汽车、人工等方式，将大量传感器节点分布在需要监测的区域内，此时节点处于睡眠状态网关节点传感器节点开始激活，通过无线通信，确定自身的位置，自动组织成网络，各传感器分别探测外部信息温度核辐射湿度光照位移压力图象磁场声音压强土壤成分加速度？因环境影响、能量耗尽等原因，节点容易发生故障结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息节点出故障，其它节点会自动寻找别的“邻居”协助完成任务作为路由器的“邻居”节点既要输出本身的信息，还要传递其它节点的信息网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户无线互联网物理网工作原理67物理网的特点网络中的节点数量大，节点的配置非常密集节点的位置并不一定需要预先设计和计算，网络拓扑的变化可能十分频繁网络中的部分或全部节点可以移动网络每个节点既是终端，也可能又是路由器网络节点不一定有全球性的标识网络节点的电能，计算能力及存储器容量都很有限网络主要用广播方式通信物联网的支撑技术8识别技术全球识别方案、识别管理、识别编码/加密、识别和寻址方案及其认证和储存管理、全球查号业务和发现业务发现技术设备发现、分布存储、定位、实际与虚拟实体的映射网管技术身份、关系和信誉管理、分布数据库、存储、网络设备的自动轮询、网络拓扑变化和流量的实时图形显示体系技术基于节点对等通信的无中心自治体系、事件驱动体系、断连操作与同步网络技术固定、无线和移动网及Ad-hoc网技术、自治计算与连网、网络级的口令和身份分配、匿名连网等通信技术能效优化的通信、多频无线前端和协议、通信频谱及频率分配、软件定义无线电与认知无线电、后IP的无连接通信数据和信号处理技术数据共享与合作、自治代理、人机接口、边缘处理、过滤和集成、QOS和流处理硬件技术纳技术、自愈电路体系、天线、能效射频前端、嵌入传感器、激励器、低成本制造技术等软件与算法能效操作系统、节能自管理技术、口令分配机理、优化资源分配的算法、库存管理、产品调度和数据挖掘的模型及算法等功率与能量存储技术电池和能量存储技术、能量获得/提取技术、换能技术、能量测量技术、基于能量优先调度的软件技术安全与隐私技术隐私保护、认证和可信的模型、能效加密和数据保护、云计算的安全和可信性、认证技术、匿名机理标准化识别技术(编号与寻址）物联网会出现一个物件有多个识别号的情况（例如制造商编号、网络地址、在一个ad-hoc集合中的临时编号，嵌入到物件中的传感器和读写器还可以有各自的地址)。需要开发全球识别方案、识别管理、识别编码/加密、匿名、使用识别和寻址方案的认证和储存管理、认证寻址方案、全球查号和发现业务。9物品编码EAN.UCC（GS1）标准RFID标识传感器标识私有编码或EPCglobal需要有传感器标识和传感器网络节点标识标准—IPv4/IPv6—M2M业务使用对E.164编号和IMSI码通信标识物体标识2010前2010-20152015-20202020后识别技术SO,GS1,u-Code,IPv6,等各种方案的域名ID用于唯一识别的统一框架，物联网开放框架URI、身份管理，语义、隐私知觉性“物品DNA”身份10编码器解码器指令/响应单元逻辑寄存器标签驱动和映射规则逻辑寄存器映射应用指令应用响应RFIDTagRFIDReaderApplicationPlatformISO/IEC18000-1–标准规范ISO/IEC18000-2-135kHz以下ISO/IEC18000-3-13.56MHzISO/IEC18000-4-2.45GHzISO/IEC18000-6-860-960MHzISO/IEC18000-7-433.92MHzHeaderGeneralManagerNumber（制造商）ObjectClass（产品类型）SerialNumber8bits28bits24bits36bitsGeneralIdentifier(GID-96)ISO15459-4RFIDTagEPC编码1234567890128RS-232RFID(射频标签）模组RFRF模组网络体系技术支持在异构物品及其环境中的分布性、可扩展性、交互性和可生存性。基于节点对等通信的无中心自治体系、上下文感知的认知体系。11Sink在传感网中传感器节点分组协调器有自己领地的网络允许其他设备加入提供捆绑和地址表服务存储消息直到将其传递出去带有I/O接口能力路由器路由消息扫描并找到网络然后加入给定一个地址块供指配可以带I/O接口端设备与单个设备通信扫描寻找网络并加入可以是全功能或简化功能通常是电池供电路由器端设备12通信技术（物理层与链路层技术）物理层：多频无线前端和协议；通信频谱及频率分配；当加入新协议时无需硬件升级的软件定义无线电；认知无线电；链路层：协议的作用是保证节点公平和有效地共享通信资源，同时适应传感器网络的优化节能、移动管理和故障恢复要求能效无线传感器网（ZigBee-6LoWPAN-WiFi混合、Bluetooth、RuBee、ISA100、WirelessHart、UWB等）；后IP的无连接通信；高性能可扩展算法和协议。13网络技术（网络层与传送层技术）需要提供对连网的几乎所有物件的位置透明性、可视性、安全性、可扩展性和跨平台兼容性。需要适应拓扑频繁改变和可扩展性的协议、基于节能优先的路由选择、基于属性的寻址、数据汇聚（解决数据破碎和重复），有限的电能和存储量限制使传感器节点不能存储大量的数据，TCP方式开销太大，需要有适合传感器网的协议固定、无线和移动网及Ad-hoc网技术、延时容限网、自学习自修复网络；网络情景感知、自治计算与连网；动态支持小区域无尺度连接的“网中网”能力的设施的开发；网络级的口令和身份分配机理、匿名连网；IP和后IP技术等。14传感器网协议15基于非IP的协议基于IP的协议ZigbeeSensor-Net应用层低能耗、低功率、可靠的无线网络标准针对传感器网的体系结构，通过跨层设计层间协同方法实现能量管理、时间同步、发现与安全等功能网络层UDP/ICMPIETF6LoWPAN(IPv6overLowpowerWPAN)链路层IEEE802.15.4Cisco,Ericsson和SunMicrosystems成立了IPSO(IPforSmartObjects)联盟，目标是将IP用到物联网标准中。IPv640octets,TCP20octets,UDP8octets+otherlayers(security,routing,etc)leavingfewbytesfordata”maynotfitwithinone802.15.4frame.NotalladhocroutingprotocolsmaybeimmediatelysuitableforLoWPAN.WirelessSensorNetwork(WSN)Management传感器网路由功能网络发现技术（授权认证与自配置）在物联网中，网络是动态变化的，新的物品的加入将改变网络的拓扑，而且物品的特征还会随自治程度而变，自动发现机理和映射能力对网络管理至关重要。物联网应具有基于智能匹配而不是预置模板与属性来对网中的物件自动指配作用、自动部署与激活、解除激活和性能监视，开始、停止、管理和调度发现过程，还可在任何时间对所分配的作用进行调整和监视属性，或按需创建新的属性。物联网中的物件间的交互并不需要预配置或硬连接，只要它们的地址或服务端点是关联的就可以。发现的服务必然应基于授权认证机理，以保护隐私和安全。目前可参考使用的在LAN级别的发现协议有WS-Discovery(作为WS-DD的一部分),Bonjour和SSDP(作为UPnP的一部分)17搜索引擎技术物联网要求开发查表/介绍服务，物品还要求能够发现在其所处环境内的对等物品的存在和身份，以便协商分享的任务；一些应用可能需要理解逻辑位置与空间位置的关系，研究实际、数字与虚拟实体的映射，地面映射数据等。支持技术：分布注册、搜索和发现机理、传感器和传感数据语义发现、自动路由标记、认知搜索引擎、自治搜索引擎等181.无人机部署传感器节点2.传感器节点以功率管理方式建立传感网3.传感器网检测到运动物体进入并叫醒传感器节点Zzz...传感网的节点部署与功能自组织网邻居发现选择哨兵选举领导领导迁移小组管理协调网格数据编组数据汇聚参数化定位调度重配置链路接入功率管理网络监视时间同步状态同步哨兵19软件与算法（操作系统与中间件）开发分布与联合应用的面向服务的计算（SOC)，利用SOC组织Web服务并使其成为虚拟网；基于交互单元/模块抽象资源和网络功能的轻型开放中间件及其平台；能效微操作系统（例如Contiki)和能量感知的操作系统及其实现；自优化、自配置、自愈的分布自适应软件；自管理技术；口令分配机理；面向目标的软件、目标交互的语言、仿生算法（例如自组织）和游戏理论（克服风险和对恶意节点的反应）；库存管理、产品调度和数据挖掘的数学模型,优化资源分配的算法；关系数据库的综合。20数据和信号处理技术（语义与智能决策）智能决策算法：不基于单个事件（单个观察或传感器的读数）来触发活动；能量、频率、频谱感知数据处理；上下文感知数据处理和响应；转换原始的传感器数据、数据共享与合作；考虑事件间的相关性的过滤和集成、边缘处理、QOS和流处理；认知处理与优化，语义互操作性、服务发现、服务组合、语义传感器Web；自治代理；人机接口；（XML被广泛用于各行业事务作为标准语言，源自W3C（DARPA代理标记语言）、RDF（资源描述框架）和OWL（本体工作语言）的语义Web在提供动态发现的语义基础方面是有用的。）2122DigitalWorld传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据传感数据PhysicalWorld信息聚合ToConnectdigitalworldandphysicalworld网管技术传感器管理协议、任务分配和数据通告协议、传感器询问和数据分发协议等；电源管理（传感器睡眠与叫醒、电量不足的通知）；移动管理（检测和登记节点的移动、发现相邻节点）；任务管理（在一个特定区域内均衡和调度传感任务）对物理网设施（包括感知单元、分布数据库、存储、网络设备）的自动轮询、网络拓扑变化实时图形显示；身份、关系和信誉管理；流量和拥塞管理及实时图形显示，要求能识别突发的过载，监视物联网和Web的应用，识别黑客的冲击。23安全与隐私技术对异构设备的隐私保护技术、虚拟化、匿名机理；以用户为中心的上下文感知隐私和隐私策略；基于安全与隐私需要的安全与隐私属性选择；无中心的认证和可信的模型、物品和网络的认证技术；能效的加密和数据保护技术、密钥分配机理、加密算法的快速部署技术；云计算的安全和可信性技术，包括在物品合作“云”中数据拥有者的接入和使用权等；自适应安全机理与协议。24硬件技术硬件可分为三种类型：有限功能的超低成本标签，信息集中在由服务运营商管理的数据服务器；具有