物联网的体系结构的分析与研究

物联网体系结构的分析与研究作者简介：何丰如（1957-），男，湖南省新化县人，硕士，电子与通讯教授，主要研究方向为：计算机体系结构、网络与通信技术、电子商务和现代远程教育技术。1物联网体系结构的分析与研究何丰如（广东理工职业学院工程技术系，广东，广州，510091）【摘要】：在对现有物联网技术进行分析的基础上，讨论了物联网与互联网（Internet）、网络化物流系统（Cyber-PhysicalSystems，CPS）、无线传感网络(WSN)等相关技术之间的关系。根据对物联网系统组成结构的分析和讨论，提出了物联网体系结构的层次概念模型，分析了每一层的功能和作用，同时阐明了物联网与传统互联网的关系与区别。【关键词】：物联网；网络化物理系统；传感器网络；网络体系结构【中图分类号】：TP393【文献标识码】：AAnalysisandResearchontheArchitectureofInternetofThingsHEFeng-ru(TheDepartmentofEngineeringandTechnologyofGuangdongPolytechnicInstitute,Guangzhou,510091,China)Abstract：BasedonanalyzingexistingInternetofThings(IOT)technology,therelationshipbetweenthetechnologiesrelatedtoInternetofThingsandInternet,Cyber-PhysicalSystem(CPS),WirelessSensorNetwork(WSN)andsoonhasbeendiscussed.AccordingtoanalyzinganddiscussingthesystemcompositionofInternetofThings,thelayeringconceptmodelofnetworkarchitectureforInternetofThingshasbeenpresented.Thefunctionsandeffectsofeverylayerhavebeenanalyzed,andtherelationshipanddifferencebetweenInternetofThingsandtraditionalInternethasbeenclarifiedatonetime.Keyword:InternetofThings（IOT）;Cyber-PhysicalSystem（CPS）;SensorNetwork;NetworkArchitecture.1.引言物联网（TheInternetofthings，IOT）将人类生存的物理世界网络化和信息化，将分离的物理世界和现实世界的任何物体进行互联，并与信息空间进行互联整合，按照人们的需求进行处理并及时反馈处理结果，代表着下一代网络的发展趋势，已成为当前的一项热点技术。目前，IOT及其相关技术已经引起国内外学术界和工业界的高度重视，并展开了一系列的研究和探讨工作[1-5]，社会各界在较短的时间内对IOT技术产生了极大的关注。IOT的用途十分广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、灾害监测、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等众多领域。但是无论是国内还是国外，IOT的研究和开发尚处于起步阶段，有关物联网的定位和特征还存在一些混乱的概念，IOT的体系结构和系统模型尚未形成，IOT技术的研究和开发还存在一定的盲目性，对于IOT的准确定义、基本原理、体系结构和系统模型等各方面还存在许多值得思考和探讨的问题。因此通过探索IOT的核心技术和关键理论问题，发展具有自主知识产权的IOT技术，推动我国在该领域的跨越式发展，具有十分重要的意义。本文在对现有IOT技术分析的基础上，通过对IOT系统的组成结构进行分析和讨论，来展开对IOT体系结构的层次概念模型的分析，以期获得IOT体系结构的全貌。2.物联网技术概述2.1物联网的定义按照国际电信联盟（ITU）的定义[4]，物联网（IOT）主要是解决物品到物品（ThingtoThing，T2T），之间的互联。通过IOT，可以实现人对人，人对物以及物对物的互联互通，在方式上可以是点对点，也可以是点对面或面对点，它们通过适当的网络平台，可以获取、传递和处理相应的信息或进行相应的控制。即IOT要解决的是传统互联网没有考虑的、对于任何物品之间的互联问题。物联网体系结构的分析与研究2由于IOT技术还处在一个探索的过程中，其理论体系尚未建立，对IOT的认识和研究还不够深入；其次是由于IOT与互联网、移动通信网、传感网、实时定位系统等都有密切的联系，不同领域的研究者对IOT的思考和出发点都不同，短期内还难以形成共识，因此，对IOT还没有一个公认的精确定义。但是目前对IOT有一个为业界基本接受的解释或定义，现简单表述如下：物联网（IOT）是通过各种信息传感设备及系统（如传感器网络、射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）、红外感应器、条码与二维码、全球定位系统、激光扫描器等）和其它基于物-物通信模式的短距离无线传感网络，按约定的协议，把任何物体通过各种接入网与互联网连接起来所形成一个巨大的智能网络，通过这一网络可以进行信息交换、传递和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。上述定义同时说明了IOT的技术组成和联网目的，如果说互联网可以实现人与人之间的交流，那么IOT则可以实现人与物、物与物之间的联通。按照这一定义IOT的概念模型可以如图1所示。图1物联网（IOT）的概念模型IOT的字面含义就是“物-物相连的互联网”。这里有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。IOT就是将我们生活中的各类物品和它们的属性标识后连接到一张巨大的互联网上，这使得原来只是人与人交互的互联网升级为连接世界万物的物联网（IOT）了，通过IOT，人们可以获得任何物品的信息，而对这些信息的提取、处理并合理运用将使人类的生产和生活产生巨大的变革。这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“IOT”的范围：一、要有相应物品信息的接收器；二、要有数据传输通路；三、要有一定的存储功能；四、要有CPU；五、要有操作系统；六、要有专门的应用程序；七、要有数据发送器；八、必须有遵循物联网的通信协议；九、必须有在网络中有可被识别的唯一编号。2.2物联网的相关技术2.2.1CPS通常人们将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（Cyber-PhysicalSystem，CPS）或深度嵌入式系统（DeeplyembeddedSystem），也有人称为物理设备联网系统。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，来实现物理世界和信息世界的相互作用，提供实时感知、动态控制和信息反馈等服务。CPS的设计、购置、测试和维护难度较大、成本较高，通常涉及到很多联网软件和硬件，以及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（如医疗设备、武器系统、配电设施等）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，必须能够可靠和实时的操作，而且在外部攻击和打击下必须能够继续正常工作。这种融合信息世界和物理世界的技术一般具备以下特征：（1）CPS是信息领域的网络化技术、信息化技术，与物理系统中的控制技术、自动化技术的融合。CPS可以使原来完全分隔的信息世界和现实的物理世界相关联，使得现实的物理世界和虚拟的信息世界连接，通过和虚拟的信息世界的交互，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。CPS通过传感和通信技术将现实世界和信息虚拟世界一一对应起来。信息世界可以控制物理世界的事物和环境，同样，物理世界也可以影响信息世界的事物和环境。IOT强调的是网络的连通作用，而CPS强调的是网络的虚拟作用。物联网体系结构的分析与研究3（2）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，它是最基本的网络化世界与物理世界连接的技术。（3）为了将网络世界和物理世界连接，CPS必须将现有的、处理离散事件的、不关心时间和空间参数的计算技术和现有的、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对物理装置（即物体）进行操作和控制。（4）CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统，而且不是传统的封闭型嵌入式系统，而是需要通过网络和其它信息系统进行互联和互操作的开放型嵌入式系统，这就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技术和产品必须成为高可靠的、行为确定的产品，即CPS技术所要求的是一种可靠和确定的嵌入式系统。因此，IOT的开发和研究应该从CPS入手和深入。2.2.2CPS与IOT的关系和区别（1）CPS与IOT的关系就定义而言，IOT与CPS有许多相同点，它们都需要感知技术、计算技术、信息的传递与交互技术；两者的目的都是增加信息世界与物理世界的联系，使计算能力能更有效地服务于现实应用。但它们也有明显的区分。IOT强调全球联通的概念，将世界万物连接在一起，强调的是网络的联通作用；CPS更强调循环反馈的概念，要求这个系统能够在感知物理世界之后，通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用，所强调的是通过网络实现的反馈和控制作用。例如：通过网络查询快递的物流信息就是一项简单的IOT的应用；而农田的自适应灌溉系统则属于CPS的范畴。（2）CPS与IOT的区别根据CPS与IOT各自的应用领域的不同，可以发现CPS与IOT有以下应用属性方面的区别：标识信息：IOT的应用领域多基于对物体的标识和传感信息的记录，然后通过对此类信息的查询与追溯来实现IOT的应用。而CPS没有记录所有标识和传感信息的要求。闭环机制：在CPS的应用领域中，系统根据传感到的信息进行计算并利用控制能力与现实世界相互作用。而IOT没有虚拟世界与现实世界相互反馈的闭环机制的要求。人为参与度：IOT是规模化的信息整合，一般还需要人的参与和干预。而CPS大多数已经是一个闭环系统，能够自适应调整，几乎无需人工参与。根据上述属性，即使在相交的应用领域中，IOT与CPS也常常根据它们的特有属性而应用于不同的方向。以智能交通为例，我国部分城市开始试行的公交手机一卡通，用手机来支付无人售票的交通费。这一应用只是感应手机的ID号与网络中的信息匹配，并从中扣取费用，不产生对现实世界的控制。因此这项应用以及诸如公交行业的无线视频监视平台、智能公交站台、电子票务、车管专家等都属于IOT范畴。而智能红绿灯通过传感当前十字路口的车流量并与周围十字路口交换信息，自适应调节红绿灯的转换时间，从而确保十字路口有最佳和最合理的交通流量，是CPS在智能交通中的典型应用。2.2.3无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是将逻辑信息世界和客观的物理世界互联的重要途径，也是实现IOT的核心技术之一。传统的WSN只具有感知监测场景中简单标量数据（如温度、湿度、光强、声强等）的能力。这些数据的信息含量较少，节点传输速率较低，应用的灵活性较差。而人类感知外界信息的90%以上来自于视觉和听觉。监测环境的复杂多变使得人们已不再满足于温度、湿度、光强和声强等简单数值对场景的感知，迫切需要将信息量丰富的音视频等媒体引入到以无线传感网络为基础的环境监测活动中来，实现精确的物理环境感知。因此最近出现了一种由执行多种媒体类型传感任务的节点组成的网络，称为无线多媒体传感器网络