物聯網體系結構與組成模型研究

唐 琳

（赤峰學院 計算機與信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

物聯網的產生和發展，掀起了又一次信息產業浪潮，一個全新的技術領域為IT和通信行業開創了一片廣闊的新市場.進入21世紀后，物聯網逐步從起步期向發展期過渡，物聯網技術研究明顯增速.其無限發展潛力和廣泛研究空間都對物聯網技術發展提出了更多要求，然而在其發展進程中，也將面臨著發展中不可避免的諸多問題.這些問題中，對物聯網體系結構的抽象和明確進一步統一和規范的要求越來越高，對物聯網系統實現的關鍵技術和核心技術進一步提取以及物聯網標準化和產業化，都是物聯網研究方向中要解決的問題.

1 物聯網體系結構研究現狀

物聯網的實現和具體系統的規劃與設計，首先需要體系結構的框架支撐，只有在這一前提下，面對應用廣泛的物聯網，才能避免因選取角度的不同而產生不同設計結果的尷尬情形.因此，物聯網亟待形成一個開放的、完整的、框架式的體系結構.只有在統一的體系結構中，才能有針對性地將各種新技術納入到物聯網系統中，才能具體設計出物聯網技術的細節、應用模式、組成模型和未來發展趨勢.

然而對物聯網而言，從整體來看，其體系目前還未完全形成，如同物聯網的概念般，目前還沒有一個標準的、統一的、規范的體系機構.隨著物聯網應用范圍的不斷拓展，更多傳統行業的物聯網應用在向更深層次延伸后，已初步形成了物聯網體系結構雛形.這一雛形的研究成型遵循了ITU的相關研究方法，從物聯網應用層面上提取、抽象并形成范式，由宏觀的應用場景分類定級，逐層向下，延伸到更深層的技術架構，從而形成了目前國際上推行的幾種物聯網體系結構，這些體系結構都具有典型的層級特性.

從定義來看，體系結構包括一組部件以及部件之間的聯系.在分層次體系結構中，一般將系統功能和組件分成不同的功能層次，只有處于最上層的組件和功能才可以被系統用戶訪問，只有相鄰層次之間才能調用函數、互相對話.例如一個基本的商務處理系統的層次結構可分為用戶邏輯層、事物邏輯層和核心層.這一模型是系統設計中體系結構常用的，也是統一的、規范的一種結構.

物聯網體系結構現下仍是以初級階段的基礎研究為主，沒有統一規范化的體系結構模型，但目前被廣泛認同的主要有兩種體系結構：一個是基于泛在傳感網的五層體系結構，另一個是基于M2M體系的三層體系結構.

2 物聯網宏觀應用場景分類

物聯網體系結構的設計必須建立在物聯網應用對其技術的需求基礎上，IBM提出，物聯網的實現是基于3I時代的基礎上實現5A化的物聯網世界.依據物聯網“全面感知、可靠傳輸、智能處理”這三大特性，可將物聯網支持的宏觀應用場景分為認知能力、泛在化、綜合信息服務三類，具體應用場景分類如下.

（1）具備物理世界認知能力的應用.根據物理世界的相關信息，如用戶偏好、生理狀態、周邊環境等，改善用戶的業務體驗.

（2）在網絡融合基礎上的泛在化應用.不以業務類型劃分，而是從網絡的業務提供方式劃分，強調泛在網絡區別于現有網絡的業務提供方式.如異構網絡環境的無縫接入，協同異構網絡的寬帶業務提供，面向應用的終端能力協同等.（3）基于應用目標的綜合信息服務應用.包括基于應用目標的信息收集、分發、分析、網絡和用戶行為決策和執行.如以兒童安全為目標的定位、識別、監控、跟蹤、預警，交互式的GPS導航等.

3 基于技術細節差別的物聯網應用架構

在物聯網宏觀應用場景分為三類的基礎上，物聯網應用架構存在著技術細節的差別.針對不同的技術面向，可將物聯網應用架構分為“基于RFID的物聯網應用、基于傳感網絡的物聯網應用和基于M2M的物聯網應用”三類應用架構.

基于RFID的物聯網應用主要是電子標簽，EPC Global標準將Auto-ID系統分為五大組成技術，分別是EPC標簽、RFID標簽閱讀器、ALE中間件、EPCIS信息服務系統以及包含了ONS和PML的信息發現服務.這一分類標準得到了業界廣泛認同.

傳感網主要包括無線傳感網WSN、視覺傳感網VSN、人體傳感網BSN等，這些傳感網為物聯網應用提供了不同的技術領域.

基于M2M（機器到機器通信）的物聯網應用主要是以機器終端智能交互為核心的網絡化應用服務.基于M2M的技術體系架構覆蓋范圍被業界認為是目前架構中分布最廣泛的一種，其中包含了EPC Global標準和無線傳感網的部分內容，也涵蓋了有線和無線兩種通信方式.典型的M2M系統由M2M應用、M2M中間件、網絡層、M2M網關、遠程設備五個部分組成，這些組成覆蓋并拓展了傳統的SCADA系統，包括了 IEEE802.11a/b/g、WLAN、Zigbee、Wi-Fi、移動通信網絡等多種通信技術.

4 基于泛在傳感網的五層體系結構組成模型

基于泛在傳感網的五層體系結構由ITU-T在Y.2002建議中率先提出，將該模型描述為USN五層體系結構，USN即泛在傳感網絡.USN五層體系結構將物聯網自下而上分為五層，分別是底層傳感器網絡、泛在傳感器網絡接入網絡、泛在傳感器網絡基礎骨干網絡、泛在傳感器網絡中間件、泛在傳感器網絡應用平臺.見圖1USN五層體系結構.

圖1 USN五層體系結構

我國研究人員在此基礎上將物聯網體系結構劃分為五個層次：感知層、接入層、網絡層、支撐層、應用層，其結構模型如圖2所示.

圖2 物聯網五層體系結構組成模型

4.1 感知層

又稱信息感知層或感知延伸層，可細分為物理編碼、信息采集和信息匯聚，主要完成信息的收集和簡單處理，感知層主要任務是將現實事物的物理信息通過物理編碼等手段實時自動轉化為數字化信息或數據，其步驟是首先對各種信息進行標記，繼而通過傳感器等技術，將有標記的信息或物理信息進行采集，經過物理編碼后將其轉化為可提供簡單處理的數字化信息.組成該層的典型技術有RFID、傳感器及其網絡等.

4.2 接入層

又稱網絡接入層或信息匯總層，主要通過網絡技術完成各類設備的網絡接入和組網，重點強調各類網絡的接入方式，主要任務是將感知層采集到的信息進行整合、匯總，以供更高層處理，并完成異構網絡的融合.該層所涉及到的典型技術和網絡接入方式主要有Ad-hoc、3G/4G、Mesh網絡、傳感器網絡、Wi-Fi、有線或衛星等.

4.3 網絡層

又稱信息傳輸層，基本由原有的互聯網、電信網或電視網組成，主要完成信息的遠距離傳輸等功能，重點強調信息的高可靠性、高有效性和高安全性傳送.隨著IPv6技術的發展和三網融合的推進，網絡層將朝向下一代網絡和全IP網絡發展.

4.4 支撐層

又稱中間件層、業務層或運營層，主要完成信息的表達與處理，最終達到語義互操作和信息共享的目的，其主要任務是物聯網基礎的運營、服務和管理，是網絡基礎設施與架構的主體，是實現物聯網業務能力和運營支撐能力、貫通上下層級關系的核心組成.該層對下層進行網絡資源認知，實現自適應性傳輸；對上層提供統一標準的接口及包含了計算虛擬化和存儲虛擬化的虛擬化邏輯模型支撐.所涉及到的典型技術是云計算.我國物聯網體系結構中支撐層的主體架構主要由中國電信、中國移動、廣電網絡等基礎運營商組成.

4.5 應用層

主要利用經過處理的感知信息數據，為用戶提供豐富的特定服務，完成服務發現和服務呈現的工作，是物聯網在各個行業的重要應用層面，其中典型的應用代表行業就是物流業.

5 基于M 2M體系的三層體系結構組成模型

M2M體系是由歐洲電信標準化協會機器對機器技術委員會（ETSI M2M TC）提出的，該協會從端到端的全景角度對M2M通信研究出發，給出了一種簡單的M2M體系結構，被認為是USN五層體系結構的簡化版本.

圖3 M2M體系結構

M2M體系結構因其研究較早，被作為物聯網現階段應用的主要形式，參照M2M體系，物聯網三層體系結構分為：感知層、網絡層、應用層三個層級.其結構模型如圖4所示.

圖4 物聯網三層體系結構組成模型

基于M2M體系的物聯網三層體系結構模型中，三層的關系可以形容為：感知層相當于人體的皮膚和五官；網絡層相當于人體的神經中樞和大腦；應用層相當于人的社會分工.

在物聯網三層體系結構中，最底層為感知層，是物聯網的皮膚和五官，主要完成物體識別和信息采集.感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體、采集信息以及編碼標識.該層關鍵技術主要包括檢測技術、中低速無線或有線短距離傳輸技術等.具體來說，感知層綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、智能組網技術、無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器的協作實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息.通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到接入層的基站節點和接入網關，最終到達用戶終端，從而真正實現“無處不在”的物聯網的理念.

第二層是網絡層，亦稱為傳輸層，是物聯網的神經中樞和大腦，主要完成信息傳遞和處理.網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心和信息處理中心等.網絡層將感知層獲取的信息高可靠性、高安全性、高有效性地進行傳送和處理，實現更加廣泛的互聯功能，主要由移動通信網絡和互聯網組成.為實現“物物相連”的需求，網絡層將綜合使用遠距離有線/無線通信技術、網絡技術、IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技術，實現有線與無線的結合、寬帶與窄帶的結合、感知網與通信網的結合.同時，網絡層中的感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術.感知數據管理與處理技術包括物聯網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的技術.

最上層是應用層，是物聯網的“社會分工”，通過與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現廣泛智能化，類似于人的社會分工，最終構成人類社會.該層主要包含物聯網應用支撐子層和物聯網應用子層，能夠為用戶提供豐富多彩的業務體驗，然而，如何合理高效地處理從網絡層傳來的海量數據，并從中提取有效信息，是物聯網應用層要解決的一個關鍵問題.

在各層之間，信息并非單向傳遞，也有交互、控制等，所傳遞的信息多種多樣，這其中關鍵是物品的信息，包括在特定應用系統范圍內能唯一標識物品的識別碼和物品的靜態與動態信息.此外，軟件、現場總線和集成電路技術也都是各層所需的關鍵技術.

6 總論

從物聯網的體系結構研究中可以發現，雖然沒有統一的架構，但各個國家的體系結構都已形成，國際以及我國主流的物聯網體系架構都是以三層體系結構為模型，在此基礎上進一步演繹和深入最終形成統一的標準.如同計算機網絡體系結構一樣，物聯網各層之間都有著自己所需的獨特的關鍵技術和核心技術，物聯網也不僅僅局限在傳統網絡的通信范疇，即物聯網在人與人之間的通信基礎上擴展到人與物、物與物之間的通信.雖然物聯網的概念目前尚不明確，物聯網仍處于起步發展階段，但是“將物聯入網中”是未來信息產業發展的重要趨勢，物聯網將帶來新一輪信息產業發展浪潮，必將對我國產業結構升級、經濟發展方式轉變、促進經濟發展和社會生活產生深遠影響.

物聯網的研究和開發既是機遇，又是挑戰.通過對物聯網體系結構及其研究現狀的歸納總結，可以得出，目前我國對物聯網的研究雖然廣泛但并未深入，研究成果與其他發達國家相比較為匱乏，物聯網體系結構雖有框架但未統一，只是初具雛形，隨著物聯網的發展，其體系結構必將進一步完善并與國際接軌.針對我國物聯網應用的實際情況，我國物聯網體系結構必將存在獨特之處，體系結構的形成也將與國際物聯網體系結構的構建保持一致.此外，從技術層面來看，物聯網體系結構中的每一層模型都有不同的技術需求，物聯網技術在其體系結構模型的基礎上自成一體.在物聯網具體實現過程中，如何完成物聯網體系結構中各層次及各層之間關鍵環節是物聯網技術研究的重點.近年來豐富的泛在傳感器網絡的研究成果為物聯網的發展提供基礎支撐，針對物聯網產業與應用發展的關鍵技術和核心技術研究從國家戰略層面來說對處于起步階段的我國物聯網產業具有十分重要和深遠的意義.

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