物联网体系结构与组成模型研究

唐 琳

（赤峰学院 计算机与信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

物联网的产生和发展，掀起了又一次信息产业浪潮，一个全新的技术领域为IT和通信行业开创了一片广阔的新市场.进入21世纪后，物联网逐步从起步期向发展期过渡，物联网技术研究明显增速.其无限发展潜力和广泛研究空间都对物联网技术发展提出了更多要求，然而在其发展进程中，也将面临着发展中不可避免的诸多问题.这些问题中，对物联网体系结构的抽象和明确进一步统一和规范的要求越来越高，对物联网系统实现的关键技术和核心技术进一步提取以及物联网标准化和产业化，都是物联网研究方向中要解决的问题.

1 物联网体系结构研究现状

物联网的实现和具体系统的规划与设计，首先需要体系结构的框架支撑，只有在这一前提下，面对应用广泛的物联网，才能避免因选取角度的不同而产生不同设计结果的尴尬情形.因此，物联网亟待形成一个开放的、完整的、框架式的体系结构.只有在统一的体系结构中，才能有针对性地将各种新技术纳入到物联网系统中，才能具体设计出物联网技术的细节、应用模式、组成模型和未来发展趋势.

然而对物联网而言，从整体来看，其体系目前还未完全形成，如同物联网的概念般，目前还没有一个标准的、统一的、规范的体系机构.随着物联网应用范围的不断拓展，更多传统行业的物联网应用在向更深层次延伸后，已初步形成了物联网体系结构雏形.这一雏形的研究成型遵循了ITU的相关研究方法，从物联网应用层面上提取、抽象并形成范式，由宏观的应用场景分类定级，逐层向下，延伸到更深层的技术架构，从而形成了目前国际上推行的几种物联网体系结构，这些体系结构都具有典型的层级特性.

从定义来看，体系结构包括一组部件以及部件之间的联系.在分层次体系结构中，一般将系统功能和组件分成不同的功能层次，只有处于最上层的组件和功能才可以被系统用户访问，只有相邻层次之间才能调用函数、互相对话.例如一个基本的商务处理系统的层次结构可分为用户逻辑层、事物逻辑层和核心层.这一模型是系统设计中体系结构常用的，也是统一的、规范的一种结构.

物联网体系结构现下仍是以初级阶段的基础研究为主，没有统一规范化的体系结构模型，但目前被广泛认同的主要有两种体系结构：一个是基于泛在传感网的五层体系结构，另一个是基于M2M体系的三层体系结构.

2 物联网宏观应用场景分类

物联网体系结构的设计必须建立在物联网应用对其技术的需求基础上，IBM提出，物联网的实现是基于3I时代的基础上实现5A化的物联网世界.依据物联网“全面感知、可靠传输、智能处理”这三大特性，可将物联网支持的宏观应用场景分为认知能力、泛在化、综合信息服务三类，具体应用场景分类如下.

（1）具备物理世界认知能力的应用.根据物理世界的相关信息，如用户偏好、生理状态、周边环境等，改善用户的业务体验.

（2）在网络融合基础上的泛在化应用.不以业务类型划分，而是从网络的业务提供方式划分，强调泛在网络区别于现有网络的业务提供方式.如异构网络环境的无缝接入，协同异构网络的宽带业务提供，面向应用的终端能力协同等.（3）基于应用目标的综合信息服务应用.包括基于应用目标的信息收集、分发、分析、网络和用户行为决策和执行.如以儿童安全为目标的定位、识别、监控、跟踪、预警，交互式的GPS导航等.

3 基于技术细节差别的物联网应用架构

在物联网宏观应用场景分为三类的基础上，物联网应用架构存在着技术细节的差别.针对不同的技术面向，可将物联网应用架构分为“基于RFID的物联网应用、基于传感网络的物联网应用和基于M2M的物联网应用”三类应用架构.

基于RFID的物联网应用主要是电子标签，EPC Global标准将Auto-ID系统分为五大组成技术，分别是EPC标签、RFID标签阅读器、ALE中间件、EPCIS信息服务系统以及包含了ONS和PML的信息发现服务.这一分类标准得到了业界广泛认同.

传感网主要包括无线传感网WSN、视觉传感网VSN、人体传感网BSN等，这些传感网为物联网应用提供了不同的技术领域.

基于M2M（机器到机器通信）的物联网应用主要是以机器终端智能交互为核心的网络化应用服务.基于M2M的技术体系架构覆盖范围被业界认为是目前架构中分布最广泛的一种，其中包含了EPC Global标准和无线传感网的部分内容，也涵盖了有线和无线两种通信方式.典型的M2M系统由M2M应用、M2M中间件、网络层、M2M网关、远程设备五个部分组成，这些组成覆盖并拓展了传统的SCADA系统，包括了 IEEE802.11a/b/g、WLAN、Zigbee、Wi-Fi、移动通信网络等多种通信技术.

4 基于泛在传感网的五层体系结构组成模型

基于泛在传感网的五层体系结构由ITU-T在Y.2002建议中率先提出，将该模型描述为USN五层体系结构，USN即泛在传感网络.USN五层体系结构将物联网自下而上分为五层，分别是底层传感器网络、泛在传感器网络接入网络、泛在传感器网络基础骨干网络、泛在传感器网络中间件、泛在传感器网络应用平台.见图1USN五层体系结构.

图1 USN五层体系结构

我国研究人员在此基础上将物联网体系结构划分为五个层次：感知层、接入层、网络层、支撑层、应用层，其结构模型如图2所示.

图2 物联网五层体系结构组成模型

4.1 感知层

又称信息感知层或感知延伸层，可细分为物理编码、信息采集和信息汇聚，主要完成信息的收集和简单处理，感知层主要任务是将现实事物的物理信息通过物理编码等手段实时自动转化为数字化信息或数据，其步骤是首先对各种信息进行标记，继而通过传感器等技术，将有标记的信息或物理信息进行采集，经过物理编码后将其转化为可提供简单处理的数字化信息.组成该层的典型技术有RFID、传感器及其网络等.

4.2 接入层

又称网络接入层或信息汇总层，主要通过网络技术完成各类设备的网络接入和组网，重点强调各类网络的接入方式，主要任务是将感知层采集到的信息进行整合、汇总，以供更高层处理，并完成异构网络的融合.该层所涉及到的典型技术和网络接入方式主要有Ad-hoc、3G/4G、Mesh网络、传感器网络、Wi-Fi、有线或卫星等.

4.3 网络层

又称信息传输层，基本由原有的互联网、电信网或电视网组成，主要完成信息的远距离传输等功能，重点强调信息的高可靠性、高有效性和高安全性传送.随着IPv6技术的发展和三网融合的推进，网络层将朝向下一代网络和全IP网络发展.

4.4 支撑层

又称中间件层、业务层或运营层，主要完成信息的表达与处理，最终达到语义互操作和信息共享的目的，其主要任务是物联网基础的运营、服务和管理，是网络基础设施与架构的主体，是实现物联网业务能力和运营支撑能力、贯通上下层级关系的核心组成.该层对下层进行网络资源认知，实现自适应性传输；对上层提供统一标准的接口及包含了计算虚拟化和存储虚拟化的虚拟化逻辑模型支撑.所涉及到的典型技术是云计算.我国物联网体系结构中支撑层的主体架构主要由中国电信、中国移动、广电网络等基础运营商组成.

4.5 应用层

主要利用经过处理的感知信息数据，为用户提供丰富的特定服务，完成服务发现和服务呈现的工作，是物联网在各个行业的重要应用层面，其中典型的应用代表行业就是物流业.

5 基于M 2M体系的三层体系结构组成模型

M2M体系是由欧洲电信标准化协会机器对机器技术委员会（ETSI M2M TC）提出的，该协会从端到端的全景角度对M2M通信研究出发，给出了一种简单的M2M体系结构，被认为是USN五层体系结构的简化版本.

图3 M2M体系结构

M2M体系结构因其研究较早，被作为物联网现阶段应用的主要形式，参照M2M体系，物联网三层体系结构分为：感知层、网络层、应用层三个层级.其结构模型如图4所示.

图4 物联网三层体系结构组成模型

基于M2M体系的物联网三层体系结构模型中，三层的关系可以形容为：感知层相当于人体的皮肤和五官；网络层相当于人体的神经中枢和大脑；应用层相当于人的社会分工.

在物联网三层体系结构中，最底层为感知层，是物联网的皮肤和五官，主要完成物体识别和信息采集.感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等，主要作用是识别物体、采集信息以及编码标识.该层关键技术主要包括检测技术、中低速无线或有线短距离传输技术等.具体来说，感知层综合了传感器技术、嵌入式计算技术、智能组网技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器的协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息.通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到接入层的基站节点和接入网关，最终到达用户终端，从而真正实现“无处不在”的物联网的理念.

第二层是网络层，亦称为传输层，是物联网的神经中枢和大脑，主要完成信息传递和处理.网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等.网络层将感知层获取的信息高可靠性、高安全性、高有效性地进行传送和处理，实现更加广泛的互联功能，主要由移动通信网络和互联网组成.为实现“物物相连”的需求，网络层将综合使用远距离有线/无线通信技术、网络技术、IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合.同时，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术.感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的技术.

最上层是应用层，是物联网的“社会分工”，通过与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现广泛智能化，类似于人的社会分工，最终构成人类社会.该层主要包含物联网应用支撑子层和物联网应用子层，能够为用户提供丰富多彩的业务体验，然而，如何合理高效地处理从网络层传来的海量数据，并从中提取有效信息，是物联网应用层要解决的一个关键问题.

在各层之间，信息并非单向传递，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息.此外，软件、现场总线和集成电路技术也都是各层所需的关键技术.

6 总论

从物联网的体系结构研究中可以发现，虽然没有统一的架构，但各个国家的体系结构都已形成，国际以及我国主流的物联网体系架构都是以三层体系结构为模型，在此基础上进一步演绎和深入最终形成统一的标准.如同计算机网络体系结构一样，物联网各层之间都有着自己所需的独特的关键技术和核心技术，物联网也不仅仅局限在传统网络的通信范畴，即物联网在人与人之间的通信基础上扩展到人与物、物与物之间的通信.虽然物联网的概念目前尚不明确，物联网仍处于起步发展阶段，但是“将物联入网中”是未来信息产业发展的重要趋势，物联网将带来新一轮信息产业发展浪潮，必将对我国产业结构升级、经济发展方式转变、促进经济发展和社会生活产生深远影响.

物联网的研究和开发既是机遇，又是挑战.通过对物联网体系结构及其研究现状的归纳总结，可以得出，目前我国对物联网的研究虽然广泛但并未深入，研究成果与其他发达国家相比较为匮乏，物联网体系结构虽有框架但未统一，只是初具雏形，随着物联网的发展，其体系结构必将进一步完善并与国际接轨.针对我国物联网应用的实际情况，我国物联网体系结构必将存在独特之处，体系结构的形成也将与国际物联网体系结构的构建保持一致.此外，从技术层面来看，物联网体系结构中的每一层模型都有不同的技术需求，物联网技术在其体系结构模型的基础上自成一体.在物联网具体实现过程中，如何完成物联网体系结构中各层次及各层之间关键环节是物联网技术研究的重点.近年来丰富的泛在传感器网络的研究成果为物联网的发展提供基础支撑，针对物联网产业与应用发展的关键技术和核心技术研究从国家战略层面来说对处于起步阶段的我国物联网产业具有十分重要和深远的意义.

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