物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的研究

談潘攀，陳俐謀

（1. 成都師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 611130；2. 成都師范學(xué)院 史地與旅游學(xué)院，成都 611130）

0 引言

隨著人工智能，移動(dòng)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來得到了快速的發(fā)展，其實(shí)際應(yīng)用涉及到社會(huì)生活的各個(gè)層面：比如智慧城市，智慧交通，智慧工業(yè)，智慧農(nóng)業(yè)等等。除了“人”與“人”的互聯(lián)，物”與“物”的互聯(lián)，“物”與“人”的互聯(lián)都明顯增加，大量的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備連接入網(wǎng)，據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，連接到網(wǎng)絡(luò)的無線終端設(shè)備數(shù)量將達(dá)到500億臺(tái)，其中包括2120億個(gè)傳感器，生成的數(shù)據(jù)量將達(dá)到507.9 ZB，預(yù)計(jì)到2025年全球?qū)⒂写蠹s1000億臺(tái)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2017-2018年間物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模全年突破1萬億。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將來臨，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到人們生產(chǎn)、生活的許多方面，并且在未來其應(yīng)用會(huì)更加廣泛及并持續(xù)增長(zhǎng)。如何保證物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備正確的連接，設(shè)備間如何安全，高效通信，海量數(shù)據(jù)得到實(shí)時(shí)處理傳輸這都是一個(gè)很復(fù)雜的課題。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的研究，可以將物聯(lián)網(wǎng)中的功能進(jìn)行分層，每層處理一部分任務(wù)，從而將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。

1 物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of things）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，它將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通[1]。從技術(shù)架構(gòu)上，物聯(lián)網(wǎng)的可分為三層，即泛在化末端感知網(wǎng)絡(luò)，融合化網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施與普適用化應(yīng)用服務(wù)支撐體系，簡(jiǎn)稱為感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層。

物聯(lián)網(wǎng)感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，其通過傳感器、攝像頭、識(shí)別碼、RFID和實(shí)時(shí)定位芯片等采集各類標(biāo)識(shí)、物理量以及音視頻數(shù)據(jù)，然后通過短距離傳輸、自組織組網(wǎng)等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理[2]。感知層的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的全面感知，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及協(xié)同信息處理。

網(wǎng)絡(luò)層是基于網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)據(jù)傳輸。它包括了現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)及各種接入網(wǎng)和專用網(wǎng)[3]。它是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶，主要任務(wù)就是進(jìn)行信息的傳遞。

應(yīng)用層是包括各種應(yīng)用子集成和服務(wù)支撐層，功能是對(duì)各類業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一實(shí)時(shí)的信息資源支撐，由各類可重復(fù)使用并實(shí)施更新的信息庫(kù)和應(yīng)用服務(wù)資源庫(kù)做保證，云計(jì)算服務(wù)使各類業(yè)務(wù)服務(wù)根據(jù)用戶的需求隨需組合[4]。

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 IoT architecture

物聯(lián)網(wǎng)大量原始數(shù)據(jù)信息從感知層獲取，在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳輸以后，放到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上，再利用高性能的云計(jì)算對(duì)其進(jìn)行處理，賦予這些數(shù)據(jù)智能，才能最終轉(zhuǎn)換成對(duì)終端用戶有用的信息[2]， 而根據(jù)數(shù)據(jù)的交換情況也可以分為三層：終端，傳輸管道，云端，兩者對(duì)應(yīng)如下圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)交換的架構(gòu)對(duì)應(yīng)圖Fig.2 Correspondence diagram of IoT architecture and data exchange architecture

隨著物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備每年數(shù)以萬計(jì)的不斷加入，來自這些設(shè)備的數(shù)據(jù)也是急聚增加，所有來自于感知層數(shù)據(jù)都需要通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞給云計(jì)算平臺(tái)去處理，再通過網(wǎng)絡(luò)將處理好的數(shù)據(jù)反饋給終端，那么網(wǎng)絡(luò)通信量和云計(jì)算平臺(tái)的負(fù)載巨大，而且會(huì)呈指數(shù)級(jí)的不斷增長(zhǎng)，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬，速度或者中心云計(jì)算平臺(tái)不能滿足應(yīng)用要求，遭到惡意攻擊，就會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成巨大的損失。

2 邊緣計(jì)算對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的影響

為了減輕物聯(lián)網(wǎng)中云計(jì)算平臺(tái)的負(fù)擔(dān)和網(wǎng)絡(luò)安全、負(fù)載、時(shí)延等問題，邊緣計(jì)算被提出來。邊緣計(jì)算[4]是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求[4]。 對(duì)物聯(lián)網(wǎng)而言，邊緣計(jì)算技術(shù)意味著許多控制將通過本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)而不需交由云端，處理過程將在本地邊緣節(jié)點(diǎn)中完成，這些節(jié)點(diǎn)這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負(fù)荷，大大減少信息傳遞中網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，信息安全的問題，為用戶提供更快，更安全的響應(yīng)。由于有線網(wǎng)絡(luò)存在很多局限性，所以在感知層的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在很多實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境中都是通過無線技術(shù)相互連接起來。目前很多學(xué)者已經(jīng)在研究邊緣計(jì)算，許多國(guó)家已經(jīng)將邊緣計(jì)算，尤其是移動(dòng)邊緣計(jì)算作為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，人工智能發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。2016年10月，由IEEE和ACM正式成立了IEEE/ACM Symposium on Edge Computing，組成了由學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、政府（美國(guó)國(guó)家基金會(huì)）共同認(rèn)可的學(xué)術(shù)論壇，對(duì)邊緣計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值，研究方向開展了研究與討論。2016年11月，多家國(guó)內(nèi)外的知名IT企業(yè)聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Edge Computing Consortium，縮寫為ECC)[5]。ECC（邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）提出的邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0如下圖3所示[5]。

圖3 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)Fig.3 Edge computing reference architecture

邊緣計(jì)算也融合了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等能力的平臺(tái)。云計(jì)算與邊緣計(jì)算的差異在于：云計(jì)算部署在核心數(shù)據(jù)中心機(jī)房，處于樞紐地位，適用于非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策場(chǎng)景；而邊緣計(jì)算部署在靠近人或物的數(shù)據(jù)源頭，適用于實(shí)時(shí)性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策等場(chǎng)景方面，既要能夠?qū)?shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)本地業(yè)務(wù)及時(shí)地處理執(zhí)行，也要能向云端上傳經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，支持云端的大數(shù)據(jù)分析，云計(jì)算也相應(yīng)的基于大數(shù)據(jù)分析向邊緣計(jì)算輸出調(diào)整規(guī)則，優(yōu)化邊緣計(jì)算[6]。因此云計(jì)算與邊緣計(jì)算是相輔相成的。

因?yàn)檫吘売?jì)算需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析和處理，目前很多感知層終端設(shè)備不具備計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力，無法完成相關(guān)的任務(wù)，因此邊緣計(jì)算基本部署在邊緣網(wǎng)關(guān)或基站內(nèi)部，或者有計(jì)算能力的智能終端。因此邊緣計(jì)算位于網(wǎng)絡(luò)和感知層之間，那么在過去的網(wǎng)絡(luò)體系之間應(yīng)該還增加一層功能用于邊緣計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)接入。暫且將其稱之為邊緣接入層（Edge Access Layer，如下圖4所示。

邊緣接入層中包括邊緣計(jì)算平臺(tái)，接入網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用子集。

邊緣計(jì)算平臺(tái)包括輕量級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)，存儲(chǔ)設(shè)備，任務(wù)調(diào)度軟硬件。輕量級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的作用是面向資源受限的感知終端，滿足低計(jì)算量，低功耗的需求。實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的作用是面向數(shù)字化的物理元件，滿足實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的需求。智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)接口、總線協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄7]，它實(shí)現(xiàn)邊緣本地系統(tǒng)互聯(lián)并提供本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力，能與云端協(xié)同。一些貼近用戶的應(yīng)用（如智能家居設(shè)備的管理，智能樓宇的管理等）也在邊緣接入層完成。而應(yīng)用層的應(yīng)用子集會(huì)發(fā)生變化，更加傾向于遠(yuǎn)程控制，檢測(cè)，維護(hù)等。比如 “智慧水務(wù)”，在邊緣計(jì)算中去實(shí)現(xiàn)管理家庭中的水龍頭，水管，水表的管理，為現(xiàn)場(chǎng)工程師的維護(hù)提供方便，在邊緣端收集的數(shù)據(jù)又為整個(gè)大環(huán)境（城市，省，國(guó)家的）的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，能源管理，水資源泄露管理等提供有效數(shù)據(jù)。如下圖5所示。

圖4 邊緣計(jì)算影響下的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Internet of Things architecture under the influence of edge computing

圖5 “智慧水務(wù)”系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 “Smart water affairs” system architecture

因此可以預(yù)見根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)“云-管-端”的數(shù)據(jù)流通結(jié)構(gòu)將有實(shí)質(zhì)性的變革變?yōu)椤霸?管-端”，“邊-管-端”，“云-管-邊-管-端”這三種架構(gòu)。

3 未來發(fā)展及展望

D2D通信技術(shù)是面向5G 關(guān)鍵候選技術(shù)之一，D2D即Device-to-Device，也稱之為終端直通。D2D通信技術(shù)是指在分散的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)等用戶節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)路由的功能，這些節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)器又是客戶端，在D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，互相能夠感知，自組織地構(gòu)成一個(gè)虛擬或者實(shí)際的群體[8]。隨著終端技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷的智能化，很多邊緣計(jì)算的業(yè)務(wù)將會(huì)放在各智能終端上，結(jié)合 5G通信的終端直連技術(shù)，那么目前的邊緣計(jì)算平臺(tái)的功能就會(huì)弱化，感知層會(huì)更加智能。但是網(wǎng)絡(luò)形態(tài)會(huì)變得單一，智能終端設(shè)備互聯(lián)需要統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。因此物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過程，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著 5G技術(shù)，智能技術(shù)的發(fā)展而不斷變化。