物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

劉化君

（南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

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(shù)領(lǐng)域。人們都在熱烈討論如何設(shè)計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，并應(yīng)用到現(xiàn)實社會中。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的許多模型[3，4]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的進一步應(yīng)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(rèn)識，已提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型及其構(gòu)建的基本原則或者評價指標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)”研究方法，擬提出一種物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型，以供參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的建構(gòu)原則

物聯(lián)網(wǎng)有別于現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)主要是建構(gòu)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(luò)通信技術(shù)進行業(yè)務(wù)信息的傳輸，是智能決策與應(yīng)用技術(shù)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(jié)構(gòu)可能具有不同的樣式和性能。一般說來，架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型應(yīng)該遵循以下幾條原則或者說評價標(biāo)準(zhǔn)[5]。

(1)多樣性。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)須根據(jù)服務(wù)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(shù)，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。

(3)可擴展性。對于物聯(lián)網(wǎng)體系的框架，應(yīng)該具有一定的擴展性，以便最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)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(wù)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(dāng)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(jié)構(gòu)模型

物聯(lián)網(wǎng)是一個形式多樣、涉及社會及生活各個領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。盡管物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同應(yīng)用系統(tǒng)的功能、規(guī)模差異較大，但其體系結(jié)構(gòu)的概念與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具有相似性。建立物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要是從各種應(yīng)用需求中抽取組成系統(tǒng)的部件以及部件之間的組織關(guān)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(guān)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(luò)體系結(jié)構(gòu)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(wù)，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(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，可劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 3 個層級。依照工程科學(xué)的觀點，為使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)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(luò)層細分成接入、匯聚和核心交換 3 個子層； 應(yīng)用層細分成智能處理、應(yīng)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(yīng)有貫穿各層的網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)質(zhì)量和信息安全 3 個面。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示。

2.1感知層

在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型中，感知層位于底層，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是聯(lián)系物理世界與虛擬世界的紐帶。感知層的作用相當(dāng)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(wù)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(shè)備主要分為兩大類型：

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

(2)人工生成信息的智能設(shè)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。

2.1.2數(shù)據(jù)融合層

在許多應(yīng)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(wù)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(guān)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(chǔ)之上。

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層位于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的中間，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，因此也可稱為傳輸層。這是從應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的 視域提出的，既將一個大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與傳輸 兩個部分，凡是提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的部分都作為“傳輸網(wǎng)”或 “承載網(wǎng)”。按照這個設(shè)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(luò)通 信基礎(chǔ)設(shè)施承擔(dān)起物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是利用各種通信網(wǎng)絡(luò)，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(shè)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(luò)技術(shù)，例如軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）承載物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。因此， 網(wǎng)絡(luò)層的核心組成是傳輸網(wǎng)，由傳輸網(wǎng)承擔(dān)感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。鑒于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、傳輸技術(shù)的差異性，將網(wǎng)絡(luò)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(wù)是把感知層獲取的數(shù)據(jù)信息通過各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(guān)（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(luò)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(yīng)能夠處理來自接入層設(shè)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(jié)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(shè)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(rèn)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(wù)質(zhì)量保障力的通信環(huán)境。一般將網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)。傳感網(wǎng)與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(wù)，主要功能是解決數(shù)據(jù)處理和人機交互問題。網(wǎng)絡(luò)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(shè)備與人機交互。應(yīng)用層按功能可劃分為智能處理、應(yīng)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(luò)層的網(wǎng)絡(luò)資源進行認(rèn)知， 進而達到自適應(yīng)傳輸?shù)哪康摹ι蠈拥膽?yīng)用接口層提供統(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(yīng)用接口層

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用涉及面廣，涵蓋業(yè)務(wù)需求多，其運營模式、應(yīng)用系統(tǒng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、信息需求、產(chǎn)品形態(tài)均不相同，需要統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，才能滿足物聯(lián)網(wǎng)全面實時感知、多業(yè)務(wù)目標(biāo)、異構(gòu)技術(shù)融合的需要。應(yīng)用接口層的主要任務(wù)就是將智能處理層提供的數(shù)據(jù)信息，按照業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，采用軟件工程方法，完成服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)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(yīng)用接口層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶（包括組織機構(gòu)、應(yīng)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(yīng)用接口、系統(tǒng)集成、專家系統(tǒng)等，用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通。除此之外，應(yīng)用接口層還可以包括各類用戶設(shè)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(yīng)用。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的體現(xiàn)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域均已有成功的嘗試，某些行業(yè)已經(jīng)積累了很好的應(yīng)用案例。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)； 時序規(guī)定事件實現(xiàn)的順序 ；對不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)制訂不同的應(yīng)用接口層協(xié)議 [4]。例如，智能電網(wǎng)的應(yīng)用接口層的協(xié)議與智能交通應(yīng)用接口層的協(xié)議不可能相同。通過應(yīng)用層接口協(xié)議實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)。

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(jié)構(gòu)還應(yīng)包括貫穿各層的網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)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(yīng)用支持。

2.4.1網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理是指通過某種方式對網(wǎng)絡(luò)進行管理，使網(wǎng)絡(luò)能正常高效地運行。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為網(wǎng)絡(luò)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(rèn)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(wù)質(zhì)量

物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔⒓劝Ａ扛兄畔?，又包括反饋的控制信?；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(luò)資源總是有限的，只要存在網(wǎng)絡(luò)資源的競爭使用，就會有QoS要求。QoS是相對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)而言的，在保證某類業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的同時，可能是在損害其它業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。例如，在網(wǎng)絡(luò)總帶寬固定的情況下，若某類業(yè)務(wù)占用帶寬較多，其他業(yè)務(wù)能使用的帶寬就會減少。因此，需根據(jù)業(yè)務(wù)的特點對網(wǎng)絡(luò)資源進行合理規(guī)劃、分配，使得網(wǎng)絡(luò)資源得到高效利用?？梢哉f， 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(fù)雜，需貫穿于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)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(shè)備將會對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、社會和個人信息安全構(gòu)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(luò)基礎(chǔ)上擴展了傳感網(wǎng)和應(yīng)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(biāo)是確保信息的機密性、完整性、真實性和網(wǎng)絡(luò)的容錯性。因此，信息安全需要貫穿在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的各個層級。

結(jié) 語

從以上對物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和建構(gòu)方法的討論可知，體系結(jié)構(gòu)是影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)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(xué)觀點，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，給出了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(guān)系，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型。認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層級，以及貫穿各個層級的網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)質(zhì)量、信息安全等共性需求功能面組成。

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