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第 5期 2012 年 5 月 电子学报 ACTA ELECTRONICA SINICA Vol . 40 No. 5 May 2012 物联网技术与应用研究 钱志鸿, 王义君 ( 吉林大学通信工程学院, 吉林长春 130012) 摘 要: 在解析物联网两层基本涵 义的基础上, 提出了 包括底层网 络分布、汇聚网关 接入、互联网络融 合、终端 用户应用四部分的物联网系统架构; 设计了由网络 通信协议、网 络控制平 台、应用 终端平台 组成的面向 物联网的 网络 协议体系, 并从硬件和软件两个层面讨论 了实现物联网的关键技术; 在分析当前物联网标准、技术、安全 以及应用方面 存在问题的基础上提出了未来物联网发展的六个重要理念. 关键词: 物联网; 系统架构; 协议体系; 发展理念 中图分类号: TN92 文献标识码: A 文章编号: 0372- 2112 ( 2012) 05- 1023- 07 电子学报 URL: http: / / www. ejournal. org. cn DOI: 10. 3969/ j. issn. 0372- 2112. 2012. 05. 026 IoT Technology and Application QIAN Zh-i hong, WANG Y-i jun ( College of Communication Engi neering , Jilin University , Changchun, Jilin 130012, Chi na ) Abstract: Based on analyzing IoT two basic concepts, architecture of IoT is proposed, which includes underlayer network distribution, convergence gateway access, inter- connected network integration and terminal user application. In the architecture, a protoco l structure of IoT is given, which consists of network protocol layers, network control platform and application terminal platform, and the key technologies for IoT have been discussed concerning hardware and software. Six development conceptions of future IoT have been presented based on summarizing the existing problems of IoT in standards, technologies, security and application. Key words: internet of things ( IoT ) ; architecture of IoT ; protocol structure; development conception 1 引言 物联网( Internet of Things, IoT) 作为一种新 兴网络技 术和产 业模 式[ 1, 2] , 在业 界受 到广 泛关 注. 从 国际 电信 联盟( ITU) 在信息 社会世 界峰会 上发 布的5互联网 报告 2005: 物联网6中可以 总结 出物联 网所体 现的 两层 基本 涵义: ( 1) 目前 的三大 网络, 包括互 联网 ( Internet) 、电信 网、广播电视网是物联网实 现和发 展的基 础, 物联 网是 在三网基础上的延伸和扩 展; ( 2) 用 户应用 终端从 人与 人之间的信息交互与通信 扩展到 了人与 物、物 与物、物 与人之间的沟通连接, 因此, 物联网 技术能 够使物 体变 得更加智能化. 从目前的发 展形势 看, 最有 可能率 先获 得智能连接功能的物体包 括家居 设备、电 网设 备、物流 设备、医疗设备以及农业设 备, 并基 于此实 现人类 与自 然环境的系统融合[ 3~ 7] . 随着物联网技术的拓展和创新, 国内外业界人士都 将发展物联网视为新的技术创新点和经济增长点. 国际 方面, 包括加州大学伯克利分校、麻省理工学院、奥本大 学、IBM、Crossbow Technology 公 司 等众 多 美国 高 校以 及 知名企业对物联网技术提出了相关解决方案, 美国政府 鼓励物联网技术发展的政策主要体现在能源、宽带和医 疗三大 领域[ 8] ; 2009 年 8 月日 本政府 将 2004 年就 推出 的/ u-Japan0计划升级 为/ -i Japan0 战略, 致力 于构建 一个 智能的物联网服务体系; 与此同时, 韩国、法国、德国、澳 大利亚、新加坡等国家也在加紧部署物联网科技与经济 发展战略, 逐步推进下 一代泛 在网络 基础设 施的 建设. 国内方面, 中国科学院 上海微 系统与 信息技 术研 究所、 北京邮电大学、南京 邮电大 学、复旦 大学、吉 林大 学、江 南大学以及无锡市国 家传感 网信息中 心等科 研院 所及 高校对物联网体系架 构及软 硬件开发 进行了 相关 的研 究. 目前, 我国的物联网 技术及 产业链 仍处于 概念 和探 索阶段, 物 联 网 的 整 个 技 术 构 架 和 产 业 模 式 尚 未 形 成[ 9] . 本文在系统研究和调研的基础上, 从技术层面说明 收稿日期: 2011-11-06; 修回日期: 2012-01-16 基金项目: 国家自然科学基金( No. 61071073) ; 教育部高等学校博士学科点专项科研基金( No. 20090061110043) 1 02 4 电子学报 2012 年 了物联网所应具备的 系统架 构、网络协 议体系、关键技 术, 总结了物联网所面 临的问 题, 提出 了未来物 联网发 展的全新理念. 2 IoT 的系统架构 本文所提出的物联网系统架构如图 1 所示, 包括底 层网络分布、汇聚网关 接入、互 联网络 融合以及 终端用 户应用四个部分[ 10, 11] . 3 IoT 协议体系 在物联网中要完成可 靠稳定 的数据交 换就必 须遵 守若干事先 约定好 的准 则. 明 确规 定了 所 交换 的数 据 格式以及事件实现顺序的 若干准 则称为物 联网网 络协 议. 因此, 物联网网络 通信协议、物 联网网络控制 平台、 物联网应用终端平 台构成 了物联 网体系 结构[ 18~ 20] , 如 图 2 所示. 在图 1 中, 大量的底层网络系统选择性的分布于物 理空间当中, 根据 各自 特点 通过 相应 方式 构 成网 络分 布. 底层网 络 通过 RFID( Radio Frequency Ident ification) 、 WSNs( Wireless Sensor Networks) 、无线局域网 等网络技术 采集物物交 换信 息并 传输 到智 能汇 聚网 关, 通过 智能 汇聚网关接 入到 网络 融合 体系, 最后 利用 包 括广 播电 视网、互联网、电信网 等网络途 径使信 息到达终 端用户 应用系统. 与此同时, 终端用户 可以通 过主观行 为影响 底层网络面 向不 同应 用, 从 而 实现 人与 物、物 与 物、物 与人之间的物联信息交互[ 12, 13] . 底层网络 分布包 括 WSNs、RFID 系统、无 线局 域网 等异构网络[ 14~ 17] , 通过异构 网络的 信息交 互实现 物体 对外部物理 环境 的感 知、允 许系 统对 物品 属 性进 行识 别以及对信息的采集 和捕获. 从网络功 能上看, 底层网 络都应具有 信息 采集 和路 由的 双重 功能, 同 时底 层异 构网络间还 需互 相协 作完 成特 定的 任务. 汇 聚网 关接 入主要完成将底层网络采集的 信息平 稳接入到 传输网 络当中, 接入 技术 包括 同轴 电 缆、双 绞线、光 纤等 有线 接入方式 以及 ZigBee、蓝牙、WiMAX、W-i Fi、4G、卫 星通 信等无线接 入方 式. 智 能汇 聚网 关通 常具 有 强大 的存 储、处理和通信能力, 其关键是 实现向 下与底层 网络结 合, 向上平稳与融合网 络接入. 优化网 络系统包 括广播 电视网、互联网以及电 信网的 融合网络, 主要完 成信息 的远距离传 输. 对 于终 端用 户应 用系 统来 说 主要 完成 信息相关服务的发现和应用功能. 3. 1 网络通信协议 物联网是三 网融 合 基础 上的 延伸 和 扩展, 而三 网 融合的关键是实现三网的完全 IP 化, 基于 IP 的优 化网 络是三网 融合 的结 合 点[ 21~ 24] . 因此 对 于物 联 网来 说, 以 IP 协议为基础, 采用类似于 互联网 TCP/ IP 协议 的分 层网络通信协 议可以 为上 层的各 种应用 提供 服务( everything over IP) , 同时该协议允许 IP 协议下的各 种异构 网络可以在优化网络上运行( IP over everything) . 图 3 给 出了物联网分层网络通信协议族示意图. ( 1) 网络接口层: 物联网 的网络 接口层负 责完 成信 息的采集和捕获, 并对信 息进行 有效的融 合和压 缩, 所 采用的传输介质主要有无线电波、光波、红外线等. ( 2) 网络层: 物联网的网络层主要负责 IP 寻 址和路 由的发现和 维护. 物联网 中各 种异 构网 络 能够 互相 通 信就必须进 行非常 复杂 的硬 件地 址转 换, 这项 工作 对 于异构网络 中的 各个 节点来 说几 乎是 不 可能 完成 的. 但统一的 IP 地址 就可以 解决这 样的 复杂问 题; 针 对未 来物联网络 的需求, 需要 在底 层网 络中 建 立一 种基 于 IP 的新路由方式来实现优化网络 主机与物 联网节 点之 第 5期 钱志鸿: 物联网技术与应用研究 1 02 5 间的无缝链接通信. ( 3) 传输层: 物联网 的传输层 主要负 责数据流 的传 输控制, 具有分用和复用的功能. ( 4) 应用层: 物联网 的应用层 是体系 结构中的 最高 层, 本层直接为终端用户应用进程提供服务. 3. 2 网络控制平台 网络控制平台主要是对底 层异构 网络间信 息处理 的管理以及 整个 物联 网网 络的 自组 织管 理, 包括 信息 处理管理、网络自组织 管理、安 全管理 以及服务 质量管 理. ( 1) 信息处理管理: 由于物联 网感知 信息的不 确定 性, 所以需要对物联网 信息进 行处理, 主要包括 同构网 元间的信息 融合 和信 息压 缩, 异 构网 元间 的 协作 信息 处理. ( 2) 网络自组织管 理: 物联网 大多数 节点具有 随机 部署的特点, 并且物 联网的网 络拓扑 结构具有 动态性, 所以需要通过有效的网络自组 织管理 技术满足 物联网 网络结构多变性的需 求. 主要 包括异构 网络管 理、资源 与任务管理、数据管理、部署管理、初始化及维护管理. ( 3) 安 全 管 理: 由 于 物 联 网无 线 信 道 具 有 不确 定 性, 所以传统的安全机 制不能 适用于物 联网的 需求, 需 要设计新的 物联 网安 全机 制, 建 立新 的物 联 网安 全协 议架构. ( 4) 服务质量管理: 服务质量 管理在 各协议层 设计 队列管理, 是 物联 网网 络与 终端 用户 间以 及 物物 之间 信息传输和 共享 的质 量约 定. 物 联网 必须 为 物体 与物 体间、用户与物体间提 供充足 的资源, 满足网络 需求的 性能指标. 3. 3 应用终端平台 应用终端平台建立在网络 通信协 议和网络 控制平 台基础之上, 主要包 括应用服 务接口 和网络控 制接口, 目的是为终端用户提供可靠的应用进程服务. 4 IoT 关键技术分析 物联网作为当今信息科学 与计算 机网络领 域的研 究热点, 其关键技术具 有跨学 科交叉、多技术融 合等特 点, 每项关键技术都需要 亟待突破[ 25, 26] . 物联网 的关键 技术可以从硬件和软件两 方面来 考虑, 如图 4 所示. 硬 件技术包 括射 频识 别技 术( RFID) 、无 线传 感 器网 络技 术( WSNs) 、智能嵌入式技术( Embedded Intelligence) 以及 纳米技术 ( Nanotechnology) ; 软件 技 术 包 括 信 息 处理 技 术、自组织管理技术、安全技术. 4. 1 硬件技术分析 通过定义如下 三个 抽象 概 念, 可 以进 一 步说 明物 联网硬件关键技术的作用. ( 1) 对象: 客观世界 中任何一 个事物 都可以看 成一 个对象, 数以万计的对象 证明了 客观世界 的存在. 每个 对象都具有两个特点: 属 性和行 为, 属性描 述了对 象的 静态特征, 行为描述了对 象的动 态特征. 任 何一个 对象 往往是由一组属性和一组行为构成的. ( 2) 消息: 客 观世 界 向对 象发 出的 一 个信 息. 消 息 的存在说 明 对象 可 以 对客 观 世 界 的外 部 刺 激作 出 反 应. 各个对象间可以通过消息进行信息的传递和交流. ( 3) 封装: 将有关的属性 和行为 集成在一 个对 象当 中, 形成一个基本单位. 三者之间的关系如图 5 所示. 物联网的重要特点之 一就是 使物体与 物体之 间实 现信息交换, 每个物体都 是一个 对象. 因此 物联网 的硬 件关键技术必须能够反 映每个 对象的特 点. 首先, RFID 技术[ 27] 利用无线射频信号识别目标对象并读取 该对象 的相关信息, 这些信息反 映了对 象的自身 特点, 描 述了 对象的静态特 征. 其 次, 除了 标识 物体 的 静态 特征, 对 于物联网中 的每个 对象 来说, 探测 它们 的 物理 状态 的 改变能力, 记 录它 们在环 境中 动态 特征 都 是需 要考 虑 的. 就这方面而言, 传感器 网络在 缩小物理 和虚拟 世界 之间的差距 方面扮 演了 重要 角色, 它描 述 了物 体的 动 态特征. 再次, 智能嵌入技 术通过 把物联网 中每个 独立 节点植入嵌 入式芯 片后, 比普 通节 点具 有 更强 大的 智 能处理能力 和数据 传输 能力, 每个 节点 可 以通 过智 能 嵌入技术对外部消息( 刺 激) 进 行处理并 反应. 同 时, 带 有智能嵌入技术的节点可 以使整 个网络的 处理能 力分 配到网络的边 缘, 增 加了 网 络的 弹性. 最 后, 纳 米技 术 和微型化的进步意味着越 来越小 的物体将 有能力 相互 作用和连 接以 及有 效封 装[ 28~ 30] . 然 而, 现有 纳 米技 术 发展下去, 从 理论 上会使 半导 体器 件及 集 成电 路的 线 1 02 6 电子学报 2012 年 幅达到极限. 这是 因为, 如果 电 路的 线幅 继续 变 小, 将 使构成电路 的绝 缘膜 变得 越来 越薄, 这样 必 将破 坏电 路的绝缘效果, 从而引发电路发热和抖动问题. 4. 2 软件技术分析 物联网的软件技术用于控 制底层 网络分布 硬件的 工作方式和工作行为, 为各种 算法、协 议的设计 提供可 靠的操作平台. 在此基 础上, 方 便用户 有效管理 物联网 络, 实现物联 网络 的信 息处 理、安全、服务 质 量优 化等 功能, 降低物联网面向 用户的 使用复杂 度. 物联 网软件 运行的分层体系结构如图 6 所示. 如 前 所 述, 物 联 网 硬 件 技术是嵌入 式硬件平台 设 计 的基 础. 板 级 支持 包 相 当 于硬 件 抽 象 层, 位 于 嵌 入 式硬 件 平 台 之上, 用 于 分 离硬 件, 为 系 统提 供 统 一 的硬 件 接 口. 系统 内 核负责 进程的 调度 与分 配, 设备驱动程序负责 对硬件 设备进行 驱动, 它 们共同 为数据控制 层面 提供 接口. 数据 控制 层实 现 软件 支撑 技术和通信协议栈, 并 负责协 调数据的 发送与 接收. 应 用软件程序需要根据数据控制 层提供 的接口以 及相关 全局变量进行设计. 物联网软件技术描述整个 网络应 用的任务 和所需 要的服务, 同时, 通过软件设计提供操作平台供用户对 网络进行管理, 并对评估 环境进 行验证. 网 络的软 件框 架结构如图 7 所示. 框架结构 网络 中 每个 节 点通 过 中间 件[ 31~ 34] 的 衔 接传递服务. 中间件中的 云计算 信息处理 技术、自 组织 管理技术、安全 技术[ 35~ 38] 逻 辑 上存 在于 网 络 层, 但 物 理上存在于 节点内 部, 在 网络 内协 调任 务 管理 及资 源 分配, 执行多种服务之间的相互操作. 5 IoT 面临的问题 EPoSS( The European Technology Platform on Smart Systems Integration) 在5Internet of Things in 20206报告中 分析 预测, 未来物联网的发展将 经历四 个阶段, 2010 年 之前 被广泛应用于物流、零 售和 制药领 域, 2010- 2015 年物 品互联, 2015- 2020 年物 品进入 半智能 化, 2020 年 之后 几乎所有事物进入全智 能化时 代. 现阶段, 物联网 技术 还处于初级阶 段, 在 标准、技 术、安 全以 及 应用 开发 方 面都存在一系列的问题和挑战, 如表 1 所示[ 39~ 41] . 表 1 物联网面临的挑战 标 国家标准 目前我国在物联网定义、体系结构、系统模型等方面尚未形成统一标准. 准 国际标准 虽然各国在标准制定上投入巨大, 但目前还没有相关的完整标准体系出台. 技术瓶颈 物联网是多学科技术融合产物, 其发展容易受到其他技术瓶颈的制约. 技 术 海量数据 物联网系统的高复杂性、高异构性使得其需要传输和处理海量数据信息, 并对各种数据进行海量存储. 异构网络 物联网的核心是异构网络技术融合, 如何解决异构网络的融合、使其协同、有组织地工作是物联网所面临的一大技术难题. 国家安全 物联网涵盖领域多为民生和国家战略设施, 甚至包括军事领域的信息与控制, 如何确保信息的安全关系着整个国家的安全. 安 全 个人隐私 物联网标签有可能预先被嵌入任何物品中, 该物品的拥有者可能被动的被扫描和定位, 在一定程度上使个人隐私受到威胁. 商业机密 物联网络是全球商品联动的网络, 一旦出现商业信息泄露, 将造成巨大的经济损失, 危及经济安全. 管理平台 建立面向各级用户的物联网综合业务管理平台, 把各类信息进行收集、管理和传输, 从而拓宽物联网高效率执行的应用范围. 应 用 示范系统 示范系统的构建与部署需要设计复杂的公共设施工程, 而且如何让人们愿意使用和自愿维护物联网也是一个亟待解决的问题. 商业模式 在物联网的推广应用中, 商业模式的创新显得尤为重要, 没有创新的物联网商业模式很难调动产业链中每个角色的积极性. 6 IoT 未来发展理念 物联网作为现有 网络的 延伸, 泛在 网络的 基础, 未 来的发展潜力巨大, 如图 8 所示, 本文通过 研究提 出了 如下物联网发展理念: ( 1) 基于上下文的 网络聚合 理念. 由 于面向应 用的 不同需求, 物 联网 所处 的地 理位 置和 网络 环 境不 尽相 同, 其采集和处理的信 息和数 据存在较 大差异. 利用物 联网技术的 泛在 特性, 物联 网中 海量 信息 和 资源 在跨 层上下文的 基础 之上 可以 进行 深度 挖掘、智 能分 类及 挑选, 从而为终端用户提 供更有 价值、更有 针对性 的实 用信息. ( 2) 基于多宿主概念 的网络传 输理念. 基 于多 宿主 的物联网, 可 以使 底层网 络采 集到 的信 息 通过 使用 若 干条有效链 路接入 到上 层融 合网 络中, 具 有增 强物 联 网络可靠性 和鲁棒 性、实现 负载 均衡、减 少传 输延 迟、 降低用户开销的实际意义. ( 3) 异构网络融合理 念. 物联网 信息的获 取依 赖于 不同类型的 异构网 络, 异 构网 络间 找到 同 一种 信息 表 达方法是一个巨大的挑战. 物联网异构网络融合首先 第 5期 钱志鸿: 物联网技术与应用研究 1 02 7 表现在 数据 传 输层 面, 基 于 各类 异 构网 络的信息数据都将被整 合到一 个统一的 IP 融合 网络中 进行 传输; 其次 表现 在应 用服务 层面, 把 物联 网中 的 所有 异 构网 络应用服务全部整合到一个 IP 融合网络 中, 宏观上实现应用服务的完全统一. ( 4) 面向应用 理念. 物 联网的 泛在特 性决定了其必须针对不 同的应 用场景考 虑不同 的网 络 通信 和控 制 方式, 因 而对 不同应用的物联网网络 系统的 设计要求 也不尽相同. 相关的通 信协议、软 硬件设 计需要针对应用场景采 取不同 的设计方 案. 与此同时, 有 效的中 间件设计 可以部 分屏蔽 网络 底 层的 复杂 性, 为上 层 应用 提供抽 象的 管 理接 口, 能 够 快速 建 立起 基于物联网的业务应用. ( 5) 循环经济 产业链 理念. 由图 1 可 以看出, 物联 网 是一 个潜 在 的内 循 环系 统. 从经济学角度来说, 循环经济 系统是 一项系统工 程. 循 环经 济的 有 效开 展需 要 技术、投资、 以及运行成 本, 而 且循 环经 济需 要建 立在 资 金流 动的 基础上. 通过借鉴循环 经济的 特点, 把 握连接物 体和资 源循环利用 在时 空配 置上 的合 理性, 可以 为 物联 网产 业链的可持续发展提供重要依据. ( 6) 低碳效用理念. 物联网的 智能化 发展提高 了人 们决策事件 的效 率及 准确 率, 很 大程 度上 避 免了 资源 的无效 利 用, 达 到 节 能减 排 的 效 果. 随 着 物 联 网的 深 入, 各个行业可以减少 人力资 源及设备 投入, 提 高资源 利用效率. 7 结束语 本文在分析物联网相关技 术以及 存在问题 的基础 上, 提出了未 来物 联网 的发 展 理念. 物联 网 改变 了人、 物、服务的信息传递模 式, 全新 的功能 体验将给 用户带 来高效、便 利和 安 全 的生 活 方 式. 在物 联 网 产 业结 构 中, 我国与德 国、美 国、韩 国一 起 成为 国际 标 准制 定的 主导国, 部分技术的研 发水平 处于世界 前列. 所 以我国 应该抓住历史机遇, 以 提升国 家及地区 经济建 设、提升 民族品牌国际话语权为目的, 争取尽 快突破关 键难题, 掌握核心技术, 建立自 主化技 术体系, 形成具有 自主知 识产权的 成果 和可 持续 的竞 争力[ 42, 43] . 科研 工作 者应 该通过掌握 和拥 有更 多的 自主 知识 产权, 使 物联 网逐 步成为信息时代助推 我国经 济腾飞的 新引擎. 因此, 物 联网的快速发展对提高我国在 高新技 术领域的 国际地 位, 带动相关产业的全面发展具有重要意义. 参考文献 [ 1] Huang Y H, Li G Y. Descriptive models for internet of things [ A] . International Conference on Intelligent Control and Information Processing[ C] . Harbin, China: IEEE Press, 2010. 483486. [ 2] 朱洪波, 杨龙祥, 于全. 物联网 的技 术思想 与应 用策略 研 究[ J] . 通信学报, 2010, 31( 6) : 2- 9. Zhu Hong- bo , Yang Long- xiang, Yu Quan. Investigation of technical thought and application strategy for the internet of things[ J] . 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