物联网共性技术.doc

物联网共性技术涉及网络的不同层面，主要包括架构技术、标识和解析、安全和隐私、网络管理技术等。物联网架构技术目前处于概念发展阶段。物联网需具有统一的架构，清晰的分层，支持不同系统的互操作性，适应不同类型的物理网络，适应物联网的业务特性。标识和解析技术是对物理实体、通信实体和应用实体赋予的或其本身固有的一个或一组属性，并能实现正确解析的技术。物联网标识和解析技术涉及不同的标识体系、不同体系的互操作、全球解析或区域解析、标识管理等。安全和隐私技术包括安全体系架构、网络安全技术、”智能物体”的广泛部署对社会生活带来的安全威胁、隐私保护技术、安全管理机制和保证措施等。网络管理技术重点包括管理需求、管理模型、管理功能、管理协议等。为实现对物联网广泛部署的”智能物体”的管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发适合的管理协议。应用层标准体系：包括应用层架构、信息智能处理技术、以及行业、公众应用类标准。应用层架构重点是面向对象的服务架构，包括SOA 体系架构、面向上层业务应用的流程管理、业务流程之间的通信协议、元数据标准以及SOA 安全架构标准。信息智能处理类技术标准包括云计算、数据存储、数据挖掘、海量智能信息处理和呈现等。云计算技术标准重点包括开放云计算接口、云计算开放式虚拟化架构（资源管理与控制）、云计算互操作、云计算安全架构等。我国物联网应用总体上处于发展初期，许多领域积极开展了物联网的应用探索与试点，但在应用水平上与发达国家仍有一定差距。目前已开展了一系列试点和示范项目，在电网、交通、物流、智能家居、节能环保、工业自动控制、医疗卫生、精细农牧业、金融服务业、公共安全等领域取得了初步进展。工业领域，物联网可以应用于供应链管理、生产过程工艺优化、设备监控管理以及能耗控制等各个环节，目前在钢铁、石化、汽车制造业有一定应用，此外在矿井安全领域的应用也在试点当中。农业领域，物联网尚未形成规模应用，但在农作物灌溉、生产环境监测（收集温度、湿度、风力、大气、降雨量，有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH 值）以及农产品流通和追溯方面物联网技术已有试点应用。金融服务领域，在”金卡工程”、二代身份证等政府项目推动下，我国已成为继美国、英国之后的全球第三大RFID 应用市场，但应用水平相对较低。正在起步的电子不停车收费（ETC）、电子ID以及移动支付等新型应用将带动金融服务领域的物联网应用朝着纵深方向发展。电网领域，2009 年国家电网公布了智能电网发展计划，智能变电站、配网自动化、智能用电、智能调度、风光储等示范物联网工程先后启动。交通领域，物联网在铁路系统应用较早并取得一定成效，在城市交通、公路交通、水运领域的示范应用刚刚起步，其中视频监控应用最为广泛，智能车路控制、信息采集和融合等应用尚在发展中。物流领域， RFID、全球定位、无线传感等物联网关键技术在物流各个环节都有所应用，但受制于物流企业信息化和管理水平，与国外差距较大。医疗卫生领域，我国已经启动了血液管理、医疗废物电子监控、远程医疗等应用的试点工作，但尚处于起步阶段。节能环保领域，在生态环境监测方面进行了小规模试验示范，距离规模应用仍有待时日；公共安全领域，在平安城市、安全生产和重要设施防入侵方面进行了探索。民生领域，智能家居已经在一线重点城市有小范围应用，主要集中在家电控制、节能等方面。1 物联网关键技术物联网技术不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用。物联网技术融合现有技术实现全新的通信模式转变，同时，通过融合也必定会对现有技术提出改进和提升的要求，催生出一些新的技术。在通信业界，物联网通常被公认为有3个层次，从下到上依次是感知层、传输层和应用层，如图1所示。如果拿人来比喻的话，感知层就像皮肤和五官，用来识别物体，采集信息；传输层则是神经系统，将信息传递到大脑进行处理；应用层类似人们从事的各种复杂的事情，完成各种不同的应用。物联网涉及的关键技术非常多，从传感器技术到通信网络技术，从嵌入式微处理节点到计算机软件系统，包含了自动控制、通信、计算机等不同领域，是跨学科的综合应用。（1）感知层物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集。感知层包含两个部分：传感器（或控制器）、短距离传输网络。传感器（或控制器）用来进行数据采集及实现控制，短距离传输网络将传感器收集的数据发送到网关或将应用平台控制指令发送到控制器。感知层的关键技术主要为传感器技术和短距离传输网络技术，例如射频标识（RFID）标签与用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头和各种传感器中的传感与控制技术、短距离无线通信技术（包括由短距离传输技术组成的无线传感网技术）。在实现这些技术的过程中，又涉及到芯片研发、通信协议研究、RFID材料研究、智能节点供电等细分领域。（2）传输层物联网的传输层主要完成信息传递和处理，传输层包括两个部分：接入单元、接入网络。接入单元是连接感知层的网桥，它汇聚从感知层获得的数据，并将数据发送到接入网络。接入网络即现有的通信网络，包括移动通信网、有线电话网、有线宽带网等。通过接入网络，人们将数据最终传入互联网。传输层是基于现有通信网和互联网建立起来的层。传输层的关键技术既包含了现有的通信技术，如移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网（PSTN）技术、Wi-Fi通信技术等，也包含了终端技术，如实现传感网与通信网结合的网桥设备、为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。（3）应用层物联网的应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与各行业应用的结合。应用层包括两部分：物联网中间件、物联网应用。物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序。中间件将许多可以公用的能力进行统一封装，提供给丰富多样的物联网应用。统一封装的能力包括通信的管理能力、设备的控制能力、定位能力等。物联网应用是用户直接使用的各种应用，种类非常多。物联网应用包括家庭物联网应用，如家电智能控制、家庭安防等，也包括很多企业和行业应用，如石油监控应用、电力抄表、车载应用、远程医疗等。应用层主要基于软件技术和计算机技术实现。应用层的关键技术主要是基于软件的各种数据处理技术，此外云计算技术作为海量数据的存储、分析平台，也将是物联网应用层的重要组成部分。应用是物联网发展的目的。各种行业和家庭应用的开发是物联网普及的源动力，将给整个物联网产业链带来巨大利润。1.5 物联网的体系框架1.5.1 物联网及其服务类型由于物联网应用的专属性，其种类千差万别，分类方式也有不同。例如，类似于计算机网络，物联网可划分为专用网络和公众网络。公众物联网是指为满足大众生活和信息的需求提供的物联网服务；而专用物联网就是满足企业、团体或个人特色应用需求，有针对性地提供的专业性的物联网业务应用。专用物联网可以利用公众网络（如Internet）、专网（局域网、企业网络或移动通信互联网中公用网络中的专享资源）等进行信息传送。按照接入方式可分为简单接入和多跳接入两种；按照应用类型可分为数据采集、自动控制、定位等多种，如表1.1所示。表1.1 物联网分类方式举例分类方式类 型说 明接入方式简单接入多跳接入对于某个应用，这两个方式可以混合使用网络类型公众物联网专用物联网从承载的类型区分，不同的网络将影响到用户的使用服务应用类型数据采集应用自动化控制应用定位型应用日常便利性应用按照应用主要的功能类型进行划分根据物联网自身的特征，物联网应该提供的服务包括5类：（1）联网类服务：物品标识、通信和定位；（2）信息类服务：信息采集、存储和查询；（3）操作类服务：远程配置、监测、远程操作和控制；（4）安全类服务：用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测和攻击防御；（5）管理类服务：故障诊断、性能优化、系统升级和计费管理服务。以上介绍的通用物联网的服务类型集合，在实际设计中可以根据不同领域的物联网应用需求，针对以上服务类型进行相应的扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计、验证物联网体系结构与物联网系统的主要依据。1.5.2 物联网的节点和互联类型为了构建物联网，首先需要划分物联网中网络节点的类型。物联网节点可以分成无源CPS节点、有源CPS节点、互联网CPS节点等，其特征可从电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、联网能力以及连接能力等几个方面进行描述，具体描述如表1.2所示。表1.2 物联网节点类型与特征节点类型无源CPS有源CPS互联网CPS电源无有不间断移动性有可有无感知性被感知感知感知存储能力无有强计算能力无有强联网能力无有强连接能力T2TT2T，H2T，H2HH2T，H2H1无源CPS节点无源CPS节点就是具有电子标签的物品，这是物联网中数量最多的节点。例如，携带电子标签的人可以成为一个无源CPS节点。无源CPS节点通常不带电源，可以具有移动性，具有被感知能力和少量的数据存储能力，不具备计算和联网能力，提供被动的T2T连接。2有源CPS节点有源CPS节点具备感知、联网和控制能力的嵌入式系统，这是物联网的核心节点。例如，装备了可以传感人体信息的穿戴式电脑的人可以成为一个有源CPS节点。有源CPS带有电源，可以具有移动性、感知、存储、计算和联网能力，提供T2T、H2T、H2H连接。3互联网CPS节点互联网CPS节点具备联网和控制能力的计算系统，这是物联网的信息中心和控制中心，例如具有物联网安全性、可靠性要求的，能够提供时间和空间约束服务的互联网节点就是一个互联网CPS节点。互联网CPS节点不是一般的互联网节点，它是属于物联网系统中的节点，采用了互联网的联网技术相互连接，但具有物联网系统中特有的时间和空间的控制能力，配备了物联网专用的安全性和可靠性的控制体系。互联网CPS节点具有不间断电源，不具备移动性，可以具有感知能力，具有较强的存储、计算和联网能力，可提供H2T、H2H连接。根据以上物联网节点的分类，节点之间可能存在的连接类型包括无源CPS节点与有源CPS节点，有源CPS与有源CPS节点，以及有源CPS节点与互联网CPS节点之间的连接。无源CPS节点与有源CPS节点互连结构如图1.4所示，两者通过物理层协议连接（如通过RFID协议），有源CPS可以获取无源CPS节点上电子标签的信息。图1.4 无源CPS节点与有源CPS节点互连结构有源CPS节点与有源CPS节点互连结构如图1.5所示，有源CPS节点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互，实现有源CPS节点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源CPS节点资源限制十分严格，有源CPS节点不适合配置已有的IP协议；配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议，可以保证可靠、高效、节能地采集、传递和查询信息，满足物联网节点交互的应用需求。有源CPS节点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现。也就是说，这样可以按照应用需要，设计灵活的信息采集和转发协议，不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。图1.5 有源CPS节点与有源CPS节点互连结构有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构如图1.6所示，有源CPS节点需要通过CPS网关，才能连接互联网节点。CPS网关实际上是一个有源CPS节点与互联网CPS节点的组合，其中实现了完整的互联网协议栈。通过CPS网关，可以在应用层与互联网连接，实现物联网与互联网之间的信息传递，以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互联和互操作。这种互连结构允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构，简化不必要的联网功能，降低网络系统的复杂性。不同的物联网技术，如汽车电子联网技术、环境监测联网技术等，可以采用适用于各自应用领域的有源CPS节点之间连接的协议结构，只需通过CPS网关就可与互联网连接。（点击查看大图）图1.6 有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构在上述三种互连中，物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；数据链路层协议，提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能，具有较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议，提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。1.5.3 物联网通用设计原则物联网的设计应该遵循一定的原则，而设计体系结构是设计物联网必不可少的环节，其原则具体包括：（1）多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网节点类型的不同，分成多种类型的体系结构；（2）时空性原则，物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求；（3）互联性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接；（4）安全性原则，物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击；（5）坚固性原则，物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。基于这5条基本原则，构建物联网可以分成标识物品、建立物品联网系统、建立物联网应用平台和建立物联网应用系统几个环节，下面逐一进行介绍。1标识物品构建物联网系统的第一步是标识物品，也就是标识世界上所有的物品，需要利用电子标签和传感器技术。世界上所有的物品可以简单分成人造物品和自然物品，人造物品包括食品、纺织品、其他日用品、货物、道路、桥梁、楼房、汽车、飞机、轮船、生产线等。通常在人造物品上贴上电子标签或者传感装置，就可以把人造物品改造成CPS节点。自然物品包括动物、植物、山峰、河流、湖泊等，这些自然物品也可以贴上电子标签或配置传感装置，改造成为CPS节点。例如牛角上贴上电子标签，奶牛也成为一个CPS节点，可以智能化管理奶牛的喂养和挤奶等操作；盲人穿着具有电子标签的鞋子，也可以成为一个CPS节点，与盲道上的电子标签读写器协同操作，就可以指导盲人的行走。标识物品所用到的核心技术之一是电子标签和传感器的材料技术，这是属于物联网最为基础的技术，其突破将会带来物联网产业的大幅度发展。标识物品的另外一项技术就是世界统一的物品编码技术。目前还没有针对物联网的全球物品编码技术。2建立物品联网系统在完成物品标识之后，就可以建立、验证和采集被标识物品的物联网节点，即有源CPS节点。为了实现有源CPS节点，首先需要设计和实现有源CPS节点与无源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物品识别机制；其次必须设计和实现通信信道复用机制，使得在一条信道上可以同时完成多个无源或者有源CPS节点的通信，例如同时识别100多个具有RFID标签的物品；然后设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。前两部分可以构成物联网系统中的联网系统，如图1.7所示。（点击查看大图）图1.7 有源CPS节点实现系统3建立物联网应用平台物联网应用系统建立在物联网应用平台之上。在建立有源CPS节点的联网系统之后，就需要设计和实现有源CPS节点的网络配置、用户管理、节点控制、信息采集、信息传输和信息查询等功能，建立一个基本的物联网应用平台，即面向某个具体应用领域的物联网中间件（参见图1.7）。由于不同的应用领域对于节点控制的可靠性、实时性、安全性有不同的要求，因此需要针对不同应用领域，设计和实现不同控制力度的应用中间件。设计和实现物联网应用的中间件，可以隔离物联网特定联网系统，满足快速应用开发的需求。在设计和实现物联网应用中间件过程中，需要参照物联网相关领域的应用平台服务接口标准。如果是一个全新的物联网应用领域，可以在设计和实现物联网应用中间件过程中，提取与实现无关的部分，形成该领域的物联网应用平台服务接口技术规范。4建立物联网应用系统在建立物联网应用中间件之后，就可以进一步设计和实现物联网应用系统，包括基本应用系统和特定应用系统，如图1.8所示。基本应用系统包括物品命名管理系统、物品身份真伪验证系统、物联网系统管理等，特定应用系统包括仓储管理系统、楼宇监控系统、环境监测系统等。图1.8 物联网应用系统逻辑结构物联网应用系统需要区分应用系统的物联网端和互联网端，如图1.9所示。应用系统物联网端部署在有源CPS节点上，可以作为应用系统的客户端（客户机/服务器），也可作为应用系统的对等端应用模式（P2P，Peer-to-Peer，对等），但是必须要求功能简捷可靠；应用系统互联网端部署在互联网CPS节点上，可以作为应用系统的服务器端（客户机/服务器），也可以作为应用系统的P2P应用模式，但都需要提供较为强大的存储和后端处理能力，满足物联网应用需求。图1.9 物联网应用系统部署结构1.6 物联网应用发展及挑战1.6.1 物联网应用物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、农业管理、老人护理、个人健康等多个领域。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。专家预计，2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的”智能物件”将超过1万亿个，物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。物联网目前已经在行业信息化、家庭保健、城市安防等方面有实际应用。图1.10展示了未来物联网的应用场景。（点击查看大图）图1.10 物联