物聯(lián)網(wǎng)體系結構的構建

摘 要：為建立物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，采用化整為零、分而治之的分層結構研究方法，構建了一種物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型。采用“化整為零、分而治之”的“分層結構”研究方法，擬提出一種物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型，以供參考。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡體系結構;構建;模型

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為社會各行各業(yè)倍受推崇的新技術領域。人們都在熱烈討論如何設計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，并應用到現(xiàn)實社會中。物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型的建立直接影響著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與廣泛應用，先后已經(jīng)提出了如SENSEI[1]、IoT-A[2]等模型，國內(nèi)也提出了有關物聯(lián)網(wǎng)體系結構的許多模型[3，4]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的進一步應用發(fā)展，對物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵、屬性、組成、特征又有了許多新的認識，已提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結構在多個方面已略顯偏頗或不足，需要進一步更新、修正與完善，需要給出物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型及其構建的基本原則或者評價指標。物聯(lián)網(wǎng)體系結構是目前亟需研究解決的重大問題之一。本文擬采用“化整為零、分而治之”的“分層結構”研究方法，擬提出一種物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型，以供參考。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)體系結構的建構原則

物聯(lián)網(wǎng)有別于現(xiàn)有各種網(wǎng)絡包括互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)主要是建構一個全球性的計算機通信網(wǎng);物聯(lián)網(wǎng)主要是以數(shù)據(jù)為中心，利用各種網(wǎng)絡通信技術進行業(yè)務信息的傳輸，是智能決策與應用技術的綜合展現(xiàn)。從不同的功能角度或模型角度建立的體系結構可能具有不同的樣式和性能。一般說來，架構物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型應該遵循以下幾條原則或者說評價標準[5]。

（1）多樣性。物聯(lián)網(wǎng)體系結構須根據(jù)服務類型、節(jié)點的不同，具有多種類型，能夠平滑地與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通。

（2）包容性。物聯(lián)網(wǎng)尚在發(fā)展之中，其體系結構應能滿足在時間、空間和能源方面的需求，可以集成不同的通信、傳輸和信息處理技術，應用于不同的領域。

（3）可擴展性。對于物聯(lián)網(wǎng)體系的框架，應該具有一定的擴展性，以便最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡通信基礎設施，保護已投資利益。

（4）互操作性。指不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以按照約定的規(guī)則互相訪問、執(zhí)行任務和共享資源。

（5）安全性。指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以保證信息的私密性，具有訪問控制和抗攻擊能力，具備相當好的健壯性。物物互聯(lián)的安全性將比互聯(lián)網(wǎng)的安全性更為重要。

2 ?物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型

物聯(lián)網(wǎng)是一個形式多樣、涉及社會及生活各個領域的復雜系統(tǒng)。盡管物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構復雜，不同應用系統(tǒng)的功能、規(guī)模差異較大，但其體系結構的概念與計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的體系結構具有相似性。建立物聯(lián)網(wǎng)體系結構主要是從各種應用需求中抽取組成系統(tǒng)的部件以及部件之間的組織關系。通常可以從不同角度抽取系統(tǒng)的組成部件及其之間的關系，比如功能角度、模型角度和處理過程角度等[6]。

借鑒計算機網(wǎng)絡體系結構模型的研究方法，將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成部分按照功能分解成若干層次，由下（內(nèi)）層部件為上（外）層部件提供服務，上（外）層部件可以對下（內(nèi)）層部件進行控制。因此，若從功能角度建構物聯(lián)網(wǎng)體系結構，可劃分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層3個層級。依照工程科學的觀點，為使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計、實施與運行管理做到層次分明、功能清晰，有條不紊地實現(xiàn)，再將感知層細分成感知控制、數(shù)據(jù)融合兩個子層;網(wǎng)絡層細分成接入、匯聚和核心交換3個子層;應用層細分成智能處理、應用接口兩個子層。考慮到物聯(lián)網(wǎng)的一些共性功能需求，還應有貫穿各層的網(wǎng)絡管理、服務質(zhì)量和信息安全3個面。物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型如圖1所示。

2.1 ?感知層

在物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型中，感知層位于底層，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎，是聯(lián)系物理世界與虛擬世界的紐帶。感知層的作用相當于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等神經(jīng)末梢，主要功能是信息感知、采集與控制。感知層可分為感知控制和數(shù)據(jù)融合兩個子層。

2.1.1 ?感知控制層

作為物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，感知控制層的主要任務是實現(xiàn)全面感知與自動控制，即通過實現(xiàn)對物理世界各種參數(shù)（如環(huán)境溫度、濕度、壓力、氣體濃度等）的采集與處理，以其需要進行行為自動控制。感知控制層的設備主要分為兩大類型：

（1）自動感知設備。這類設備能夠自動感知外部物理物體與物理環(huán)境信息的設備，主要包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、傳感器、GPS，以及智能家用電器、智能測控設備、智能機器人等;

（2）人工生成信息的智能設備，包括智能手機、個人數(shù)字助理（PDA）、計算機、視頻攝像頭/攝像機等。

圖 1 ?物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型

2.1.2 ?數(shù)據(jù)融合層

在許多應用場合，由單個傳感器所獲得的信息通常是不完整、不連續(xù)或不精確的，需要其他信息源的數(shù)據(jù)協(xié)同。數(shù)據(jù)融合子層的任務就是將不同感知節(jié)點、不同模式、不同媒質(zhì)、不同時間、不同表示的數(shù)據(jù)進行相關和綜合，以獲得對被感知對象的更精確描述。融合處理的對象不局限于接收到的初級數(shù)據(jù)，還包括對多源數(shù)據(jù)進行不同層次抽象處理后的信息。

總體說來，感知層的功能具有泛在化的特點，能夠全面采集數(shù)據(jù)信息，使物聯(lián)網(wǎng)建立在全面感知基礎之上。

2.2 ?網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層位于物聯(lián)網(wǎng)體系結構的中間，為應用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，因此也可稱為傳輸層。這是從應用系統(tǒng)體系結構的視域提出的，既將一個大型網(wǎng)絡應用系統(tǒng)分為網(wǎng)絡應用與傳輸兩個部分，凡是提供數(shù)據(jù)傳輸服務的部分都作為“傳輸網(wǎng)”或“承載網(wǎng)”。按照這個設計思想，互聯(lián)網(wǎng)包括廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)與個人區(qū)域網(wǎng)，以及無線通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、電話交換網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)等都屬于傳輸網(wǎng)范疇，并呈現(xiàn)出互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)與廣播電視網(wǎng)融合化發(fā)展。最終，將主要由融合化網(wǎng)絡通信基礎設施承擔起物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸任務。

網(wǎng)絡層的主要功能是利用各種通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳遞。物聯(lián)網(wǎng)需要大規(guī)模的信息交互及無線傳輸，可以借助現(xiàn)有通信網(wǎng)設施，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特性加以優(yōu)化和改造，承載各種信息的傳輸;也可開發(fā)利用一些新的網(wǎng)絡技術，例如軟件定義網(wǎng)絡（SDN）承載物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。因此，網(wǎng)絡層的核心組成是傳輸網(wǎng)，由傳輸網(wǎng)承擔感知層與應用層之間的數(shù)據(jù)通信任務。鑒于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡規(guī)模、傳輸技術的差異性，將網(wǎng)絡層分為接入、匯聚和核心交換3個子層。

2.2.1 ?接入層

接入層是指直接面向用戶連接或訪問物聯(lián)網(wǎng)的組成部分。接入層的主要任務是把感知層獲取的數(shù)據(jù)信息通過各種網(wǎng)絡技術進行匯總，將大范圍內(nèi)的信息整合到一起，以供傳輸與交換。接入層的重點是強調(diào)接入方式，一般由基站節(jié)點或匯聚節(jié)點（Sink）和接入網(wǎng)關（Access Gateway）等組成，完成末梢各節(jié)點的組網(wǎng)控制，或完成向末梢節(jié)點下發(fā)控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

2.2.2 ?匯聚層

將位于接入層和核心交換層之間的部分稱為匯聚層。該層是區(qū)域性網(wǎng)絡的信息匯聚點，為接入層提供數(shù)據(jù)匯聚、傳輸、管理、分發(fā)。匯聚層應能夠處理來自接入層設備的所有通信量，并提供到核心交換層的上行鏈路。同時，匯聚層也可以提供接入層虛擬網(wǎng)之間的互連，控制和限制接入層對核心交換層的訪問，保證核心交換層的安全。

匯聚層的具體功能是：

匯集接入層的用戶流量，進行數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)膮R聚、轉(zhuǎn)發(fā)與交換;根據(jù)接入層的用戶流量進行本地路由、包過濾和排序、流量均衡與整形、地址轉(zhuǎn)換，以及安全控制等;根據(jù)處理結果把用戶流量轉(zhuǎn)發(fā)到核心交換層，或者在本地重新路由;在VLAN之間進行路由以及其他工作組所支持的功能;定義組播域和廣播域等。

一般說來，用戶訪問控制設置在接入層，也可以安排在匯聚層。在匯聚層實現(xiàn)安全控制、身份認證時，采用集中式管理模式。

2.2.3 ?核心交換層

核心交換層主要為物聯(lián)網(wǎng)提供高速、安全、具有服務質(zhì)量保障力的通信環(huán)境。一般將網(wǎng)絡主干部分劃歸為核心交換層，主要目的是通過高速轉(zhuǎn)發(fā)交換，提供優(yōu)化、可靠的骨干傳輸網(wǎng)絡結構。傳感網(wǎng)與移動通信技術、互聯(lián)網(wǎng)技術相融合，完成物聯(lián)網(wǎng)層與層之間的通信，實現(xiàn)廣泛的互聯(lián)功能。

2.3 ?應用層

物聯(lián)網(wǎng)應用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供不同類型的特定服務，主要功能是解決數(shù)據(jù)處理和人機交互問題。網(wǎng)絡層傳送過來的數(shù)據(jù)在這一層進入各類信息系統(tǒng)進行處理，并通過各種設備與人機交互。應用層按功能可劃分為智能處理、應用接口兩個子層。

2.3.1 ?智能處理層

以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心功能是對感知數(shù)據(jù)的智能處理，它包括對感知數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析、挖掘、理解，以及基于感知數(shù)據(jù)的決策和行為控制。物聯(lián)網(wǎng)的價值主要體現(xiàn)在對于海量數(shù)據(jù)的智能處理與智能決策水平上。智能處理利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘、中間件等實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的語義理解、推理、決策。智能處理層對下層網(wǎng)絡層的網(wǎng)絡資源進行認知，進而達到自適應傳輸?shù)哪康摹ι蠈拥膽媒涌趯犹峁┙y(tǒng)一的接口與虛擬化支撐。虛擬化包括計算虛擬化和存儲資源虛擬化等。智能決策支持系統(tǒng)是由模型庫、數(shù)據(jù)倉庫、聯(lián)機分析處理（OLAP）、數(shù)據(jù)挖掘及交互接口集成在一起的。

2.3.2 ?應用接口層

物聯(lián)網(wǎng)應用涉及面廣，涵蓋業(yè)務需求多，其運營模式、應用系統(tǒng)、技術標準、信息需求、產(chǎn)品形態(tài)均不相同，需要統(tǒng)一規(guī)劃和設計應用系統(tǒng)的業(yè)務體系結構，才能滿足物聯(lián)網(wǎng)全面實時感知、多業(yè)務目標、異構技術融合的需要。應用接口層的主要任務就是將智能處理層提供的數(shù)據(jù)信息，按照業(yè)務應用需求，采用軟件工程方法，完成服務發(fā)現(xiàn)和服務呈現(xiàn)，包括對采集數(shù)據(jù)的匯聚、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件觸發(fā)等。

應用接口層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶（包括組織機構、應用系統(tǒng)、人及物品）的能力調(diào)用接口，包括物聯(lián)網(wǎng)運營管理平臺、行業(yè)應用接口、系統(tǒng)集成、專家系統(tǒng)等，用于支撐跨行業(yè)、跨應用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通。除此之外，應用接口層還可以包括各類用戶設備（如PC、手機）、客戶端、瀏覽器等，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。

應用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的體現(xiàn)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應用領域主要為：綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共交通、公共安全、城市管理、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)。在這些應用領域均已有成功的嘗試，某些行業(yè)已經(jīng)積累了很好的應用案例。物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的特點是多樣化、規(guī)模化和行業(yè)化，為了保證應用接口層有條不紊地交換數(shù)據(jù)，需要制訂有一系列的信息交互協(xié)議。應用接口層的協(xié)議一般由語法、語義與時序組成。語法規(guī)定智能處理過程的數(shù)據(jù)與控制信息的結構及格式;語義規(guī)定需要發(fā)出什么樣的控制信息，以及完成的動作與響應;時序規(guī)定事件實現(xiàn)的順序;對不同的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)制訂不同的應用接口層協(xié)議[4]。例如，智能電網(wǎng)的應用接口層的協(xié)議與智能交通應用接口層的協(xié)議不可能相同。通過應用層接口協(xié)議實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能服務。

2.4 ?支持物聯(lián)網(wǎng)共性需求的功能面

物聯(lián)網(wǎng)體系結構還應包括貫穿各層的網(wǎng)絡管理、服務質(zhì)量（QoS）、信息安全等共性需求的功能面，為用戶提供各種具體的應用支持。

2.4.1 ?網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理是指通過某種方式對網(wǎng)絡進行管理，使網(wǎng)絡能正常高效地運行。國際標準化組織（ISO）為網(wǎng)絡管理定義了5個功能：配置管理、性能管理、記賬管理、故障管理和安全管理。它認為，開放系統(tǒng)互連管理是指這樣一些功能，它們控制、協(xié)調(diào)、監(jiān)視OSI環(huán)境下的一些資源，這些資源保證OSI環(huán)境下的通信。

2.4.2 ?服務質(zhì)量

物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔⒓劝Ａ扛兄畔ⅲ职ǚ答伒目刂菩畔?既包括對安全性、可靠性要求很高的多媒體信息，也包括對安全性、可靠性與實時性要求很高的控制指令。網(wǎng)絡資源總是有限的，只要存在網(wǎng)絡資源的競爭使用，就會有QoS要求。QoS是相對網(wǎng)絡業(yè)務而言的，在保證某類業(yè)務服務質(zhì)量的同時，可能是在損害其它業(yè)務的服務質(zhì)量。例如，在網(wǎng)絡總帶寬固定的情況下，若某類業(yè)務占用帶寬較多，其他業(yè)務能使用的帶寬就會減少。因此，需根據(jù)業(yè)務的特點對網(wǎng)絡資源進行合理規(guī)劃、分配，使得網(wǎng)絡資源得到高效利用。可以說，物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS要求比互聯(lián)網(wǎng)更復雜，需貫穿于物聯(lián)網(wǎng)體系結構的各個層級，通過協(xié)同工作的方式予以保障。

2.4.3 ?信息安全

物聯(lián)網(wǎng)場景中的實體均具有一定的感知、計算和執(zhí)行能力，這些感知設備將會對網(wǎng)絡基礎設施、社會和個人信息安全構成安全威脅。就傳感網(wǎng)而言，其感知節(jié)點大都部署在無人監(jiān)控的環(huán)境，具有能力脆弱、資源受限等特點。由于物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎上擴展了傳感網(wǎng)和應用平臺，互聯(lián)網(wǎng)的安全措施已不足以提供可靠的安全保障，使得安全問題更具特殊性。物聯(lián)網(wǎng)信息安全包括物理安全、信息采集安全、信息傳輸安全和信息處理安全，目標是確保信息的機密性、完整性、真實性和網(wǎng)絡的容錯性。因此，信息安全需要貫穿在物聯(lián)網(wǎng)體系結構的各個層級。

3 ?結 ?語

從以上對物聯(lián)網(wǎng)體系結構和建構方法的討論可知，體系結構是影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應用的關鍵因素，也是亟待研究解決的重大問題之一。本文基于工程學觀點，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用需求，給出了物聯(lián)網(wǎng)體系結構的構建原則。然后抽取組成系統(tǒng)的部件以及部件之間的組織關系，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型。認為物聯(lián)網(wǎng)體系結構應由感知層、網(wǎng)絡層和應用層3個層級，以及貫穿各個層級的網(wǎng)絡管理、服務質(zhì)量、信息安全等共性需求功能面組成。

參考文獻

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