物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研究

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)研究

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網(wǎng)（idol）作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)模式，在全世界引起了人們的廣泛關(guān)注。從國際電信聯(lián)盟（itu）在信息社會世界大會上發(fā)布的《互聯(lián)網(wǎng)報告2005：網(wǎng)絡(luò)》中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)中體現(xiàn)了兩個基本含義：（1）現(xiàn)有的三個網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)（internet）、電信網(wǎng)絡(luò)和廣播網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)和發(fā)展物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)是基于三個網(wǎng)絡(luò)的擴展和擴展。（2）用戶應(yīng)用程序終端從人類信息的交互式和通信擴展到人類、物質(zhì)財產(chǎn)、物質(zhì)財產(chǎn)和人類之間的溝通連接。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使物體更加智能。從目前的發(fā)展形勢來看，最有可能能夠獲得智能連接功能的設(shè)備包括家庭設(shè)備、電網(wǎng)設(shè)備、物流設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和農(nóng)業(yè)設(shè)備，這是人類與自然環(huán)境系統(tǒng)的整合[3.7]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的拓展和創(chuàng)新,國內(nèi)外業(yè)界人士都將發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)視為新的技術(shù)創(chuàng)新點和經(jīng)濟增長點.國際方面,包括加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、奧本大學(xué)、IBM、CrossbowTechnology公司等眾多美國高校以及知名企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了相關(guān)解決方案,美國政府鼓勵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的政策主要體現(xiàn)在能源、寬帶和醫(yī)療三大領(lǐng)域;2009年8月日本政府將2004年就推出的“u-Japan”計劃升級為“i-Japan”戰(zhàn)略,致力于構(gòu)建一個智能的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系;與此同時,韓國、法國、德國、澳大利亞、新加坡等國家也在加緊部署物聯(lián)網(wǎng)科技與經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略,逐步推進下一代泛在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè).國內(nèi)方面,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、北京郵電大學(xué)、南京郵電大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、江南大學(xué)以及無錫市國家傳感網(wǎng)信息中心等科研院所及高校對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及軟硬件開發(fā)進行了相關(guān)的研究.目前,我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈仍處于概念和探索階段,物聯(lián)網(wǎng)的整個技術(shù)構(gòu)架和產(chǎn)業(yè)模式尚未形成.本文在系統(tǒng)研究和調(diào)研的基礎(chǔ)上,從技術(shù)層面說明了物聯(lián)網(wǎng)所應(yīng)具備的系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系、關(guān)鍵技術(shù),總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)所面臨的問題,提出了未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的全新理念.2智能匯聚網(wǎng)關(guān)接入本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,包括底層網(wǎng)絡(luò)分布、匯聚網(wǎng)關(guān)接入、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)融合以及終端用戶應(yīng)用四個部分.在圖1中,大量的底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇性的分布于物理空間當(dāng)中,根據(jù)各自特點通過相應(yīng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)分布.底層網(wǎng)絡(luò)通過RFID(RadioFrequencyIdentification)、WSNs(WirelessSensorNetworks)、無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集物物交換信息并傳輸?shù)街悄軈R聚網(wǎng)關(guān),通過智能匯聚網(wǎng)關(guān)接入到網(wǎng)絡(luò)融合體系,最后利用包括廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)途徑使信息到達終端用戶應(yīng)用系統(tǒng).與此同時,終端用戶可以通過主觀行為影響底層網(wǎng)絡(luò)面向不同應(yīng)用,從而實現(xiàn)人與物、物與物、物與人之間的物聯(lián)信息交互.底層網(wǎng)絡(luò)分布包括WSNs、RFID系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[14~17],通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息交互實現(xiàn)物體對外部物理環(huán)境的感知、允許系統(tǒng)對物品屬性進行識別以及對信息的采集和捕獲.從網(wǎng)絡(luò)功能上看,底層網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)具有信息采集和路由的雙重功能,同時底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間還需互相協(xié)作完成特定的任務(wù).匯聚網(wǎng)關(guān)接入主要完成將底層網(wǎng)絡(luò)采集的信息平穩(wěn)接入到傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,接入技術(shù)包括同軸電纜、雙絞線、光纖等有線接入方式以及ZigBee、藍牙、WiMAX、Wi-Fi、4G、衛(wèi)星通信等無線接入方式.智能匯聚網(wǎng)關(guān)通常具有強大的存儲、處理和通信能力,其關(guān)鍵是實現(xiàn)向下與底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,向上平穩(wěn)與融合網(wǎng)絡(luò)接入.優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及電信網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò),主要完成信息的遠距離傳輸.對于終端用戶應(yīng)用系統(tǒng)來說主要完成信息相關(guān)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用功能.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)中要完成可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換就必須遵守若干事先約定好的準則.明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)格式以及事件實現(xiàn)順序的若干準則稱為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.因此,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制平臺、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端平臺構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[18~20],如圖2所示.3.1基于物聯(lián)網(wǎng)的分層網(wǎng)絡(luò)管理物聯(lián)網(wǎng)是三網(wǎng)融合基礎(chǔ)上的延伸和擴展,而三網(wǎng)融合的關(guān)鍵是實現(xiàn)三網(wǎng)的完全IP化,基于IP的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是三網(wǎng)融合的結(jié)合點[21~24].因此對于物聯(lián)網(wǎng)來說,以IP協(xié)議為基礎(chǔ),采用類似于互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可以為上層的各種應(yīng)用提供服務(wù)(everythingoverIP),同時該協(xié)議允許IP協(xié)議下的各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)上運行(IPovereverything).圖3給出了物聯(lián)網(wǎng)分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議族示意圖.(1)網(wǎng)絡(luò)接口層:物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口層負責(zé)完成信息的采集和捕獲,并對信息進行有效的融合和壓縮,所采用的傳輸介質(zhì)主要有無線電波、光波、紅外線等.(2)網(wǎng)絡(luò)層:物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)IP尋址和路由的發(fā)現(xiàn)和維護.物聯(lián)網(wǎng)中各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠互相通信就必須進行非常復(fù)雜的硬件地址轉(zhuǎn)換,這項工作對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點來說幾乎是不可能完成的.但統(tǒng)一的IP地址就可以解決這樣的復(fù)雜問題;針對未來物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求,需要在底層網(wǎng)絡(luò)中建立一種基于IP的新路由方式來實現(xiàn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)主機與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點之間的無縫鏈接通信.(3)傳輸層:物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層主要負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制,具有分用和復(fù)用的功能.(4)應(yīng)用層:物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層是體系結(jié)構(gòu)中的最高層,本層直接為終端用戶應(yīng)用進程提供服務(wù).3.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的標準化管理要求物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)中的分網(wǎng)絡(luò)控制平臺主要是對底層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間信息處理的管理以及整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的自組織管理,包括信息處理管理、網(wǎng)絡(luò)自組織管理、安全管理以及服務(wù)質(zhì)量管理.(1)信息處理管理:由于物聯(lián)網(wǎng)感知信息的不確定性,所以需要對物聯(lián)網(wǎng)信息進行處理,主要包括同構(gòu)網(wǎng)元間的信息融合和信息壓縮,異構(gòu)網(wǎng)元間的協(xié)作信息處理.(2)網(wǎng)絡(luò)自組織管理:物聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)節(jié)點具有隨機部署的特點,并且物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性,所以需要通過有效的網(wǎng)絡(luò)自組織管理技術(shù)滿足物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多變性的需求.主要包括異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理、資源與任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、部署管理、初始化及維護管理.(3)安全管理:由于物聯(lián)網(wǎng)無線信道具有不確定性,所以傳統(tǒng)的安全機制不能適用于物聯(lián)網(wǎng)的需求,需要設(shè)計新的物聯(lián)網(wǎng)安全機制,建立新的物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議架構(gòu).(4)服務(wù)質(zhì)量管理:服務(wù)質(zhì)量管理在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理,是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與終端用戶間以及物物之間信息傳輸和共享的質(zhì)量約定.物聯(lián)網(wǎng)必須為物體與物體間、用戶與物體間提供充足的資源,滿足網(wǎng)絡(luò)需求的性能指標.3.3應(yīng)用平臺平臺應(yīng)用終端平臺建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)控制平臺基礎(chǔ)之上,主要包括應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)控制接口,目的是為終端用戶提供可靠的應(yīng)用進程服務(wù).4物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)作為當(dāng)今信息科學(xué)與計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點,其關(guān)鍵技術(shù)具有跨學(xué)科交叉、多技術(shù)融合等特點,每項關(guān)鍵技術(shù)都需要亟待突破.物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)可以從硬件和軟件兩方面來考慮,如圖4所示.硬件技術(shù)包括射頻識別技術(shù)(RFID)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSNs)、智能嵌入式技術(shù)(EmbeddedIntelligence)以及納米技術(shù)(Nanotechnology);軟件技術(shù)包括信息處理技術(shù)、自組織管理技術(shù)、安全技術(shù).4.1物聯(lián)網(wǎng)的硬件關(guān)鍵技術(shù)通過定義如下三個抽象概念,可以進一步說明物聯(lián)網(wǎng)硬件關(guān)鍵技術(shù)的作用.(1)對象:客觀世界中任何一個事物都可以看成一個對象,數(shù)以萬計的對象證明了客觀世界的存在.每個對象都具有兩個特點:屬性和行為,屬性描述了對象的靜態(tài)特征,行為描述了對象的動態(tài)特征.任何一個對象往往是由一組屬性和一組行為構(gòu)成的.(2)消息:客觀世界向?qū)ο蟀l(fā)出的一個信息.消息的存在說明對象可以對客觀世界的外部刺激作出反應(yīng).各個對象間可以通過消息進行信息的傳遞和交流.(3)封裝:將有關(guān)的屬性和行為集成在一個對象當(dāng)中,形成一個基本單位.三者之間的關(guān)系如圖5所示.物聯(lián)網(wǎng)的重要特點之一就是使物體與物體之間實現(xiàn)信息交換,每個物體都是一個對象.因此物聯(lián)網(wǎng)的硬件關(guān)鍵技術(shù)必須能夠反映每個對象的特點.首先,RFID技術(shù)利用無線射頻信號識別目標對象并讀取該對象的相關(guān)信息,這些信息反映了對象的自身特點,描述了對象的靜態(tài)特征.其次,除了標識物體的靜態(tài)特征,對于物聯(lián)網(wǎng)中的每個對象來說,探測它們的物理狀態(tài)的改變能力,記錄它們在環(huán)境中動態(tài)特征都是需要考慮的.就這方面而言,傳感器網(wǎng)絡(luò)在縮小物理和虛擬世界之間的差距方面扮演了重要角色,它描述了物體的動態(tài)特征.再次,智能嵌入技術(shù)通過把物聯(lián)網(wǎng)中每個獨立節(jié)點植入嵌入式芯片后,比普通節(jié)點具有更強大的智能處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力,每個節(jié)點可以通過智能嵌入技術(shù)對外部消息(刺激)進行處理并反應(yīng).同時,帶有智能嵌入技術(shù)的節(jié)點可以使整個網(wǎng)絡(luò)的處理能力分配到網(wǎng)絡(luò)的邊緣,增加了網(wǎng)絡(luò)的彈性.最后,納米技術(shù)和微型化的進步意味著越來越小的物體將有能力相互作用和連接以及有效封裝[28~30].然而,現(xiàn)有納米技術(shù)發(fā)展下去,從理論上會使半導(dǎo)體器件及集成電路的線幅達到極限.這是因為,如果電路的線幅繼續(xù)變小,將使構(gòu)成電路的絕緣膜變得越來越薄,這樣必將破壞電路的絕緣效果,從而引發(fā)電路發(fā)熱和抖動問題.4.2網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)的軟件技術(shù)用于控制底層網(wǎng)絡(luò)分布硬件的工作方式和工作行為,為各種算法、協(xié)議的設(shè)計提供可靠的操作平臺.在此基礎(chǔ)上,方便用戶有效管理物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息處理、安全、服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化等功能,降低物聯(lián)網(wǎng)面向用戶的使用復(fù)雜度.物聯(lián)網(wǎng)軟件運行的分層體系結(jié)構(gòu)如圖6所示.如前所述,物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)是嵌入式硬件平臺設(shè)計的基礎(chǔ).板級支持包相當(dāng)于硬件抽象層,位于嵌入式硬件平臺之上,用于分離硬件,為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的硬件接口.系統(tǒng)內(nèi)核負責(zé)進程的調(diào)度與分配,設(shè)備驅(qū)動程序負責(zé)對硬件設(shè)備進行驅(qū)動,它們共同為數(shù)據(jù)控制層面提供接口.數(shù)據(jù)控制層實現(xiàn)軟件支撐技術(shù)和通信協(xié)議棧,并負責(zé)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收.應(yīng)用軟件程序需要根據(jù)數(shù)據(jù)控制層提供的接口以及相關(guān)全局變量進行設(shè)計.物聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)描述整個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的任務(wù)和所需要的服務(wù),同時,通過軟件設(shè)計提供操作平臺供用戶對網(wǎng)絡(luò)進行管理,并對評估環(huán)境進行驗證.網(wǎng)絡(luò)的軟件框架結(jié)構(gòu)如圖7所示.框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點通過中間件[31~34]的銜接傳遞服務(wù).中間件中的云計算信息處理技術(shù)、自組織管理技術(shù)、安全技術(shù)[35~38]邏輯上存在于網(wǎng)絡(luò)層,但物理上存在于節(jié)點內(nèi)部,在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)調(diào)任務(wù)管理及資源分配,執(zhí)行多種服務(wù)之間的相互操作.5物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段EPoSS(TheEuropeanTechnologyPlatformonSmartSystemsIntegration)在《InternetofThingsin2020》報告中分析預(yù)測,未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個階段,2010年之前被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域,2010-2015年物品互聯(lián),2015-2020年物品進入半智能化,2020年之后幾乎所有事物進入全智能化時代.現(xiàn)階段,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處于初級階段,在標準、技術(shù)、安全以及應(yīng)用開發(fā)方面都存在一系列的問題和挑戰(zhàn),如表1所示[39~41].6實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合物聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的延伸,泛在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),未來的發(fā)展?jié)摿薮?如圖8所示,本文通過研究提出了如下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展理念:(1)基于上下文的網(wǎng)絡(luò)聚合理念.由于面向應(yīng)用的不同需求,物聯(lián)網(wǎng)所處的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不盡相同,其采集和處理的信息和數(shù)據(jù)存在較大差異.利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泛在特性,物聯(lián)網(wǎng)中海量信息和資源在跨層上下文的基礎(chǔ)之上可以進行深度挖掘、智能分類及挑選,從而為終端用戶提供更有價值、更有針對性的實用信息.(2)基于多宿主概念的網(wǎng)絡(luò)傳輸理念.基于多宿主的物聯(lián)網(wǎng),可以使底層網(wǎng)絡(luò)采集到的信息通過使用若干條有效鏈路接入到上層融合網(wǎng)絡(luò)中,具有增強物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可靠性和魯棒性、實現(xiàn)負載均衡、減少傳輸延遲、降低用戶開銷的實際意義.(3)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合理念.物聯(lián)網(wǎng)信息的獲取依賴于不同類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間找到同一種信息表達方法是一個巨大的挑戰(zhàn).物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合首先表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸層面,基于各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)都將被整合到一個統(tǒng)一的IP融合網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸;其次表現(xiàn)在應(yīng)用服務(wù)層面,把物聯(lián)網(wǎng)中的所有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)全部整合到一個IP融合網(wǎng)絡(luò)中,宏觀上實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的完全統(tǒng)一.(4)面向應(yīng)用理念.物聯(lián)網(wǎng)的泛在特性決定了其必須針對不同的應(yīng)用場景考慮不同的網(wǎng)絡(luò)通信和控制方式,因而對不同應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計要求也不盡相同.相關(guān)的通信協(xié)議、軟硬件設(shè)計需要針對應(yīng)用場景采取不同的設(shè)計方案.與此同時,有效的中間件設(shè)計可以部分屏蔽網(wǎng)絡(luò)底層的復(fù)雜性,為上層應(yīng)用提供抽象的管理接口,能夠快速建立起基于物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用.(5)循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈理念.由圖1可以看出,物聯(lián)網(wǎng)是一個潛在的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng).從經(jīng)濟學(xué)角度來說,循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程.循環(huán)經(jīng)濟的有效開展需要技術(shù)、投資、以及運行成本,而且循環(huán)經(jīng)濟需要建立在資金流動的基礎(chǔ)上.通過借鑒循環(huán)經(jīng)濟的特點,把握連接物體和資源循環(huán)利用在時空配置上的合理性,可以為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù).(6)低碳效用理念.物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展提高了人們決策事件的效率及準確率,很大程度上避免了資源的無效利用,達到節(jié)能減排的效果.隨著物聯(lián)網(wǎng)的深入,各個行業(yè)可以減少人力資源及設(shè)備投入,提高資源利用效率.7.物聯(lián)網(wǎng).在我國建立標準化“三本文在分析物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以及存在問題的基礎(chǔ)上,提出了未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)