（通信与信息系统专业论文）m2m关键协议研究及一致性验证.pdf

i i l ll l ii i ii i iu l li iiii y 17 5 9 7 6 4 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 麟 日期： 口fo 、7 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：虚数日期： h ，d 7 导师签名： 瓣 日期： 加渺孑、 北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 m 2 m 关键协议研究及一致性验证 摘要 近年来，具有多学科高度交叉特点的物联网已逐渐成为信息产业的新 兴研究热点，各国都将其视为重要战略部署。在中国，物联网发展的体现 为m 2 m ( m a c h i n e - t o m a c h i n e m a n ) 技术。 为了实现对各类终端的安全管理，运营商提出了一套完整的无线m 2 m 通信协议( w i r e l e s sm 2 mp r o t o c o l ，简称w m m p ) ，它是m 2 m 业务的核 心。目前由于各方对w m m p 协议的理解和实现存在差异，加上行业应用 特点及用户需求不同，导致行业终端的接口协议实现不统一，深深影响了 m 2 m 乃至整个物联网行业的发展速度和效率。 本论文在对物联网发展和m 2 m 业务进行全面分析的基础之上，对 w m m p 协议的报文结构、通信方式、安全机制进行了深入研究，设计实现 m 2 m 协议一致性测试平台，对w m m p 协议进行一致性验证。 本论文共组织成七个章节： 第一章为前言，简要介绍了本课题的研究背景、研究内容和研究意 义； 第二章为物联网发展与m 2 m 技术概述，主要从物联网全球发展现 状、中国m 2 m 技术两方面进行了阐述； 第三章为w m m p 协议研究与分析，对w m m p 协议的协议栈结构、报 文结构、通信方式和安全机制进行了深入的研究分析。 第四章为基于t t c n 3 的m 2 m 协议一致性测试平台设计，在充分分 析了m 2 m 业务需求之后，设计了一套基于t f c n 3 的协议一致性测试平 台，将m 2 m 平台分成测试套、适配器、编解码器来实现。 第五章为w m m p 协议一致性测试平台验证，根据m 2 m 业务特点设计 测试例，并对一致性测试平台的有效性进行验证。 北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 第六章为m 2 m 协议一致性验证及结果分析，采用一致性测试平台对 m 2 m 终端进行协议一致性验证并分析结果。 第七章为总结与展望，在总结现有工作的基础上，对课题接下来的研 究方向进行了展望。 关键词物联网m 2 m 业务w m m p 协议t t c n 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho fm 2 mk e yp r o t o c o la n dc o n f o r m a n c e v e r i f i c a t i o n a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i n t e m e to ft h i n g s ( i o t ) ，w i t hc r o s s - d i s c i p l i n a r yf e a t u r e ， h a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r y q u i t ea r a n g eo fc o u n t r i e sr e g a r di ta sa ni m p o r t a n c es t r a t e g i cd e p l o y m e n t i nc h i n a ，t h e d e v e l o p m e n to fi o t i s r e p r e s e n t e db ym 2 m ( m a c h i n e - t o m a c h i n e m a n ) t e c h n o l o g y i no r d e rt oa c h i e v et h es a f em a n a g e m e n to fv a r i o u st y p e so fm o b i l e t e r m i n a l s ，t h ew i r e l e s sm 2 mp r o t o c o l ( w m m p ) ，w h i c hi so n eo ft h ec o r e e l e m e n t so fm 2 ms y s t e m ，w a sp r o p o s e db ym a j o rm o b i l e o p e r a t o r s n e v e r t h e l e s s ，d u et od i f f e r e n tu n d e r s t a n d i n ga n dr e a l i z a t i o no fe a c hp a r t y ， c o u p l e dw i t hd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n du s e rr e q u i r e m e n t s ，t h e i m p l e m e n t a t i o no ft e r m i n a l si n t e r f a c ep r o t o c o li sd i f f e r e n t ，w h i c hd e e p l ya f f e c t t h ed e v e l o p m e n to fm 2 m , o re v e nt h a to fi o t i nt h i sp a p e r , b a s e do nac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fi o ta n dm 2 m d e v e l o p m e n t ，e x t e n s i v es t u d yh a sb e e nc o n d u c t e df o rw m m pm e s s a g es t r u c t u r e ， c o m m u n i c a t i o n sm o d ea n ds e c u r i t ym e c h a n i s m s t h e nt h ep a p e rd e s i g n sa n d i m p l e m e n t sam 2 mp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m ，w h i c ha i m st ov a l i d a t et h e c o n f o r m a n c eo fw m m p t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s c h a p t e ro n eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h eb a c k g r o u n d ，m o t i v a t i o na n d s c o p eo ft h i ss t u d y 北京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 c h a p t e rt w od e s c r i b e sag e n e r a la n a l y s i sa n dr e s e a r c hf r o mt w oa s p e c t s ， w h i c ha r eg l o b a ls t a t u sq u oo fl o ta n dm 2 m t e c h n o l o g yi nc h i n a c h a p t e rt h r e eg i v e sad e p t h s t u d yo ft h es t r u c t u r eo fw m m pm e s s a g e ，i t s c o m m u n i c a t i o nm o d ea n di t ss e c u r i t ym e c h a n i s m s c h a p t e rf o u rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sam 2 mp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m w i t ht r c n 一3 ，a f t e rr e q u i r e m e n ta n a l y s i s t h ep l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot e s ts u i t ， a d a p t e r ，c o d e c c h a p t e rf i v ed e s i g n st e s tc a s e sf o rm 2 m t e r m i n a lp r o t o c o l ，a c c o r d i n gt ot h e m 2 m c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dp r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h i sp l a t f o r m c h a p t e rs i xh a sm 2 m t e r m i n a lc o n f o r m a n c ev e r i f i c a t i o nw i t ht h i sp l a t f o r m a n da n a l y s e st h et e s tr e s u l t 。 c h a p t e rs e v e ns u m m a r i z e st h et h e s i sa n dp r e s e n t st h ef u t u r ew o r k k e yw o r d si n t e m e to ft h i n g s ，m 2 m ，w m m p ，t t c n 一3 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章前言1 1 1 研究背景一1 1 2 研究内容3 1 3 研究意义3 第二章物联网发展与m 2 m 技术概述5 2 1 物联网发展概况5 2 1 1 物联网的概念5 2 1 2 物联网在各国的发展及标准化现状6 2 2 m 2 m 概述9 2 2 1m 2 m 的基本框架1 0 2 2 2m 2 m 的核心内容1 l 2 2 4m 2 m 业务特征ll 第三章w m m p 协议研究与分析15 3 1w m m p 协议背景1 5 3 2w m m p 协议概述1 5 3 2 1w m m p 协议栈结构1 6 3 2 2w m m p 协议的报文1 7 3 3 w m m p 协议通信方式2 0 3 3 1 长连接和短连接2 0 3 4w m m p 协议的安全机制j 2 2 3 4 1m 2 m 终端与s i m 卡的双向安全认证机制2 2 3 4 2 终端与平台的数据交互安全。2 3 3 5 小结2 3 第四章基于t t c n 3 的m 2 m 协议一致性测试平台设计2 5 4 1m 2 m 协议一致性测试平台设计需求2 5 4 2t t c n 3 标准和测试方法2 6 4 2 1t t c n 3 系统结构2 7 4 2 2t t c n - 3 优点2 9 4 2 3t t c n 3 开发环境简介3 0 4 3m 2 m 协议一致性测试平台设计3l 4 3 1 测试套的设计3 3 4 3 2 适配器的设计3 8 4 3 3 编解码器的设计4 2 4 4 月、结4 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 第五章m 2 m 协议一致性测试平台验证4 7 5 1 测试例设计4 7 5 1 1 终端序列号管理4 7 5 1 2 终端承载方式4 8 5 1 3 终端安全参数设置4 9 5 1 4 状态监控5 2 5 1 5m 2 m 终端与m 2 m 平台的信息交瓦5 4 5 2m 2 m 协议一致性测试平台的验证o 5 5 第六章m 2 m 协议一致性验证及结果分析5 8 6 1i 昊4 试j 5 8 6 1 1 测试组网5 8 6 1 2 测试配置o 5 9 6 1 3 测试结果_ 6 0 6 2 测试问题分析6 l 6 3 测试总结6 2 第七章总结与展望6 4 7 1 论文总结；6 4 7 2 未来展望6 4 参考文献。6 6 至l 【谢6 8 攻读学位期间发表或已录用的学术论文7 0 l i 北京邮电人学硕士研究生学位论文 正文 1 1 研究背景 第一章前言 上世纪9 0 年代初，美国提出“信息高速公路”的概念，立刻成为当时社会的热门 话题。信息高速公路的正式名称为国家信息基础设施( n a t i o n a li n f o r m a t i o n i n f r a s t r u c t u r e ，简称n i i ) ，其实质是高速信息电子网络，利用计算机终端、传真机、 电视等终端设备，通过通信网技术、光纤通信技术、数据库、多媒体技术等，将政府机 构、科研单位、企业、学校以及家家户户的计算机连接起来，以便快速地传递和处理信 息，从而最大限度的实现信息共享。 近些年来，随着全球信息化的迅速发展和完善，以及高度发达的芯片技术、微型传 感技术、智能技术、纳米技术产生，全社会开始趋向智能化，由此产生的对所有物品的 智能化识别和管理的强烈需求又一次掀起了“信息时代高潮 ，物联网在此时应运而 生，拉开了由互联网时代转变为物联网时代的序幕。 “物联网【l 】，在国际上统称“i n t e m e to ft h i n g s ，简称i o t ，即把所有物品通过射 频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网是一个全新 的技术领域，是将传感网、移动通信网、互联网融合在一起，包括现在和未来所有网络 的互联互通，来实现任何时间、任何地方、任何人或物之前的通信。 从1 9 9 9 年物联网的概念首次在美国麻省理工学院( m i t ) 提出，到现在的l o 年 间，各国都在加紧对物联网的研究。物联网的发展共分为四个阶段：第一个阶段是大型 机和主机之间的联网；第二个阶段是个人电脑、处理器与互联网相联；第三个阶段是手 机等移动终端之间的互联；第四阶段是嵌入式互联网兴起阶段，更多与人们日常生活紧 密相关的应用设备，包括冰箱、电视、微波炉、洗衣机等家用电器都将植入终端芯片， 加入互联互通的行列，最终形成全球统一的“物联网”。 美国总统奥巴马在2 0 0 9 年为挽救经济危机，刺激并推动经济投入到宽带网络等新 兴技术之中，同时积极回应m m 首席执行官彭明盛提出的“智慧的地球”概念，提出 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 新的发展战略。该战略指出i t 产业下一阶段的任务是把新一代i t 技术充分运用在各行 各业之中。欧盟也在最近表示，物联网现在处于萌芽状态，希望可以联合尽可能多的科 技力量，制定出统一标准，覆盖所有的技术、运营、服务层面，加强国家之间的合作， 其中一个重要项目是建立“全球射频识别标准协同论坛”( g l o b a lr f i di n t e r o p e r a b i l i t y f o r u mf o rs t a n d a r d s ) 。日本于今年8 月份，在u j a p a n 的基础之上提出i - j a p a n 构想， 大力发展电子政府和电予地方自治体，推动医疗、健康和教育的电子化，其目的是让国 民管理自己的信息资料，通过网络安全可靠地完成电子支付，使国民享受到一站式的电 子政务服务。 。 以上国家和地区信息化战略的共同点是：融合各种信息技术，突破互联网的限制， 将物体接入信息网络，实现“物联网”；在网络泛在的基础上，将信息技术应用到各个 领域，从而影响到国民经济和社会生活的方方面面。美国的战略强调传感等感知技术的 应用，提出建设智慧型基础设施的建议；欧盟的计划具体而务实，强调r f i d 的广泛应 用，注重信息安全；日本的计划强调电子政务和社会信息服务应用。从这三个战略计划 中可以看出：未来信息产业的发展在由信息网络向全面感知和智能应用两个方向拓展、 延伸和突破。 在我国，政府提出“感知中国”的发展计划，各大运营商也将其看做未来发展的重 点，提出m 2 m 等物联网技术。我国先后投资数亿元，在无线智能传感器网络通信技 术、微型传感器、传感器端机、移动基站等方面取得重大进展，目前已拥有从材料、技 术、器件、系统到网络的完整产业链。虽然物联网才刚刚起步，但我国的物联网相关研 发水平与发达国家相比毫不逊色，是世界上少数能实现物联网产业化的国家之一，已成 为制定国际标准的主导国之一。 物联网的发展前景无限，但也存在多方面的问题，涉及到标准、安全、规划、管理 等领域： 技术标准问题。统一物联网的技术规范、建立标准化的网络架构及服务体系对物 联网的长效发展至关重要。各国存在不同的标准，因此需要加强国家之间的合作，以寻 求一个能被普遍接受的标准。 安全问题。物联网中的物品间联系更紧密，物品和人也连接起来，使得信息采集 和信息交换更加频繁，数据泄密也成为了越来越严重的问题。如何实现大量的数据及用 户隐私的保护，成为亟待解决的问题。 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 协议问题。物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于p 网络，但在接 入层面，协议类别五花八f - j ，g p r s 、短信、传感器、t d s c d m a 、d m c d m a 2 0 0 0 、有线等多种通道，物联网需要一个统一的接入协议。 终端问题。物联网终端除具有移动终端的普遍特性之外，还拥有传感器和网络接 入等功能，在加上不同行业的需求各异，如何满足终端产品的多样化需求，将是一大 挑战。 由此可见，为了推动我国在这次信息浪潮中的迅速发展，保持其在相关领域的主导 地位，采用切实可行且快捷高效的方法推动行业的统一化和标准化已经成为当下研究的 重点。 1 2 研究内容 现阶段物联网发展处于萌芽时期，各国均处于探索阶段，涉及到的研究领域和关键 技术众多，且在国际上没有统一的规范和协议。因此本论文在对物联网发展进行热点跟 踪的基础之上，围绕中国m 2 m 发展现状和关键技术，采用协议测试标准t t c n 3 开发 测试平台，对相关协议的关键部分进行协议一致性验证，并提出相关建议。 论文结构如下： 第一章为前言， 第二章为物联网发展与m 2 m 技术概述， 第三章为w m m p 协议研究与分析， 第四章为基于t i c n 3 的m 2 m 协议一致性测试平台设计， 第五章为w m m p 协议一致性测试平台验证， 第六章为m 2 m 协议一致性验证及结果分析， 第七章为总结与展望。 1 3 研究意义 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 本课题研究了物联网发展热点和关键技术，重点分析和总结了中国m 2 m 技术采用 的w m m p 协议特点，并创新和设计出一个协议一致性测试平台，对w m m p 协议的关 键部分进行验证，在总结现有工作的基础上，对课题接下来的研究方向进行了展望。 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 第二章物联网发展与m 2 m 技术概述 2 1 物联网发展概况 物联网概念的一经提出即被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经 济浪潮，受到各国政府、企业和学术界的重视，均将其纳入国家和区域信息化战略之 中。物联网的发展将带动相关领域科技水平的提升，保障经济安全甚至国家安全，推动 信息产业新的发展浪潮，培育新的经济增长点，促进经济结构调整和转型升级，增强可 持续发展能力和国际竞争力。 2 1 1 物联网的概念 1 9 9 9 年美国麻省理工学院( m n ) 首次提出物联网的概念，它的定义是：把所有物 品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。国际电信 联盟( i t u ) 在2 0 0 5 年的年度报告中对概念的涵义进行了扩展，勾画出如下的画面： 当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会 “告诉 洗衣机对颜色和水温的要求等。 所谓的“物联网”，是能将各种信息传感设备，如射频识别装置、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来，是一张对物体具有全面感知 能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力的连接物体与物体的信息大网。 物联网【2 】是当前国际上备受关注的新兴前沿研究热点领域，具有高度的多学科交叉 特点，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、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协作地实时监测、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用户终端，从而真正实现无处不在的计算理念。其目 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 的是让所有的物品都能够远程感知和控制，并与现有的网络连接在一起，形成一个更加 智慧的生产生活体系。 更具体地说，物联网把新一代通信和计算机技术充分运用在各行各业之中，是把 感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管 道等各种物体中，然后将“物联网 与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理 系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群， 能够对整 合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类可 以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生 产力水平，改善人与自然间的关系。 物联网具有全面感知、可靠传送、智能处理这三大特征： “全面感知是指利用射频识别、二维码、g p s 、摄像头、传感器、传感器网络 等技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。 “可靠传送”是指通过各种通信网络与互联网的融合，将物体接入信息网络，随 时随地进行可靠的信息交互和共享。 “智能处理 是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地 域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动 和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。 一 2 1 2 物联网在各国的发展及标准化现状 2 1 2 1 美国“智慧的地球 2 0 0 8 年底，m m 公司的c e o 彭明盛首次抛出“智慧的地球p 】，这一概念，这一战 略的主要内容是把新一代i t 技术充分运用在各行各业之中，即把感应器嵌入和装备到 全球每个角落的电网、铁路、桥梁、隧道、公路等各种物体中，并且被普遍连接，形成 “物联网”，而后通过超级计算机和“云计算”将“物联网 整合起来，人类能以更加 精细和动态的方式管理生产和生活，最终形成“互联网+ 物联网= 智慧的地球”。 该战略要求政府投资于诸如智能铁路、智能高速公路、智能电网等基础设施，能够 刺激短期经济增长，创造大量的就业岗位；其次，新一代的智能基础设施将为未来的科 技创新开拓巨大的空间，有利于增强国家的长期竞争力；第三，能够提高对于有限的资 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 源与环境的利用率，有助于资源和环境保护；第四，计划的实施将能建立必要的信息基 础设施。 奥巴马政府对此给予了积极的回应。奥巴马在会见彭明盛及其他美国企业领导人后 发表讲话称，“在经济刺激计划中，我们还将投资于宽带和新兴技术之中，这些是美国 在新世纪保留和重建竞争优势的关键。 2 1 2 2 欧盟“物联网行动计划” 2 0 0 9 年6 月，欧盟委员会宣布了“物联网行动计划 ，确保欧洲在构建新型互联 网的过程中起到主导作用【4 】。这种新型的互联网能够把各种物品，如书籍、汽车、家用 电器甚至食品连接到网络中，简称为“物联网”。欧盟认为，此项行动计划将会帮助欧 洲在互联网的变革中获益，同时也提出了将会面临的挑战，如隐私问题、安全问题以及 个人的数据保护问题。这个行动计划内容涉及到物联网隐私及数据保护、潜在危险、标 准化、信息基础设施、研究资助项目、公私合作研发项目、试点项目、管理规则、管理 机制、国际对话、环境问题、技术统计数据、进展监督等问题。 2 1 2 3 日本“i - j a p a n 计划 2 0 0 9 年8 月日本继“e - j a p a n 、“u j a p a n ”之后提出了更新版本的国家信息化战 略，该战略的正式名称为“i - j a p a n 战略2 0 1 5 ”，其要点是大力发展电子政府和电子地 方自治体，推动医疗、健康和教育的电子化。日本政府认识到，目前已进入通过互联网 提供来各种信息和业务的“云计算”时代。政府希望，通过执行“i - j a p a n 战略，开拓 支持日本中长期经济发展的新产业，大力发展以绿色信息技术为代表的环境技术和智能 交通系统等重大项目。 “i - j a p a n 计划”三大要点的具体含义为： 电子政府和电子自治体。完善电子政务推进体制，延续过去的计划并确立p d c a ( 计划执行检查行动) 体制。 医疗保健。通过使用远程医疗技术，应对当前某些区域医生短缺等医疗问题，使 偏远地区的患者在家里便可以享受到高质量的医疗服务。通过在医疗机构中建设数字化 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 基础设施，使诊断业务更加高效，从而减轻医务工作者的负担，完善医院的经营管理。 同时，实现区域性的医疗机构合作。 教育与人才。推广数字化技术与信息化教育的应用，提高学生的学习能力与应用 信息的能力。强化对教职员工应用数字化技术的指导。 2 1 2 4 中国“m 2 m 业务” 目前，中国高度关注、重视物联网的研究【5 】，工业和信息化部会同有关部门，在新 一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。有专家 预测1 0 年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高 科技市场。 在中国，物联网的发展体现在实现人与物体、或者物体与人、或者物体与物体的沟 通和对话上，即m 2 m ( m a c h i n e t o m a c h i n e m a n ) 。从m 2 m 到物联网并非一个新概 念，比尔盖茨在华盛顿湖畔的智能化豪宅，联想、长虹等国内厂商推出的闪联标准， 国内外运营商推出的手机支付、路灯监控等m 2 m 应用都是物联网的雏形。就如互联网 之初也是由一个个局域网构成，现有的m 2 m 应用已经是物联网的构成基础。从m 2 m 到物联网，已经为世界勾画出了一幅智能化的未来画卷。从核心构成来说，物联网由云 计算的分布式中央处理单元、传输网络和感应识别末梢组成。就像互联网是由无数个局 域网构成的一样，未来的物联网势必也是由无数个m 2 m 系统构成，就如人身体不同机 能一样，不同的m 2 m 系统会负责不同的功能处理，通过中央处理单元协同运作，最终 组成智能化的社会系统。 2 1 2 4 物联网的标准化现状 物联网实现了传感网、移动通信网、互联网的融合，牵涉到多种终端之间和相互通 信，由此产生的标准化呼声也越来越强烈。3 g p p 发表了关于m 2 m 在g s m 和u m t s 下的通信机制以及m 2 m 设备上u s i m 应用的远程管理的可行性研究报告【6 】【7 】，e t s i 也 于2 0 0 8 年开始进行m 2 m 未来标准化需求的讨论。欧洲专门成立“全球射频识别标准 协同论坛( g l o b a lr f i di n t e r o p e r a b i l i t yf o r u mf o rs t a n d a r d s ) ，来推动标准化发展。 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 日本著名研究所开始加入到中国物联网标准化的研究之中。如今，中国与德国、美国、 英国、韩国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一。 我国负责物联网标准化的是传感器网络标准化工作组，该工作组自2 0 0 7 年开始， 一直致力于国内与国际的同步标准化工作，参与了i s o i e c j t c l ( 第一联合技术委员 会) 、i e e e ( 电气电子工程师学会) 等多项国际研究活动，并获得了广泛认可。此 外，我国专家还积极参与i e e e 8 0 2 1 5 4 的标准制定和研究。目前已经在1 5 4 c ，1 5 4 e ， 1 5 4 9 等工作组里取得重要进展，我国大部分提案也已被采纳。同时，电信运行商也积 极推进“物联网”，研发了无线传感应用协议、终端标准规范等一系列技术规范和标 准，提出网络架构，并实现与3 g 无线接入制式的融合。 业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以 为全球经济的复苏提供技术动力。在物联网的发展过程中，不同的国家会有不同标准的 物联网可能只是一个区域或者是某些国家的物联网，类似于目前的移动通信具有三个国 际标准那样，很难形成一个全世界采用共同标准的物联网。如何统一物联网的标准问题 已成为世界各国目前共同关注的一个重要问题【8 】。因此，在物联网的发展上，需要加强 国家之间的合作，世界各国组织多届论坛和研讨会，以寻求一个能被普遍接受的标准。 2 2 m 2 m 概述 m 2 m 9 】是一种理念，也是所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称。人与人 之间的沟通很多也是通过机器实现的，例如通过手机、电话、电脑、传真机等机器设备 之间的通信来实现人与人之间的沟通。另外一类技术是专为机器和机器建立通信而设计 的。如许多智能化仪器仪表都带有r s - 2 3 2 接口和g p i b 通信接口，增强了仪器与仪器 之间，仪器与电脑之间的通信能力。m 2 m 业务为各种行业客户提供了一种集数据采 集、传输、处理和业务管理的全套解决方案。 例如：在电力行业主要是监测配电网运行参数，实现配电系统的监测、保护、控 制、用电和配电的现代化管理维护；在石油行业主要用于采集油井工作情况信息，远程 对油井设备进行遥控，及时准确了解油井设备工作情况。在交通行业主要用于采集车辆 信息( 如车辆位置、行驶速度、行驶方向等) ，远程管理控制车辆。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 为加快基于移动数据业务的行业应用的发展，对各行业的客户和众多的专用行业 终端进行有效的管理，有必要在行业客户和专用行业终端之间搭建中间平台，即m 2 m 平台【1 0 1 ，此平台不仅能全面掌控行业应用的情况，而且还能降低行业应用的开发难 度，带动了行业应用的规模化发展。 2 2 1m 2 m 的基本框架 下图为m 2 m 体系基本框架： 阕阁 图2 - 1m 2 m 体系基本框架 m 2 m 体系的基本技术架构包括m 2 m 用户、m 2 m 终端、无线或有线通信网络、 m 2 m 平台和运营管理系统。各层面具体功能为： m 2 m 终端：m 2 m 终端在m 2 m 专属协议的基础上具有检测终端状态并实时上报， 接收远程m 2 m 平台指令控制，采集本地故障告警，实现端到端通信交互等功能。 无线或有线网络：采用2 g 、3 g 无线接入方式实现通信承载，主要采用短信和 g p r s 两种方式。短信网关与短信中心相连，提供通信能力，负责短信通信过程中的业 务鉴权。短信网关产生短信等通信原始话单，送给b o s s ，完成用户数据变更、业务管 理、计费、积分等操作。g p r s 网关支撑节点g g s n 负责建立m 2 m 终端与m 2 m 平台 的g p r s 通信，提供数据路由、地址分配及必要的网间安全机制。此外m 2 m 还支持 m m s 和u s s d 等无线接入方式。有线网络包括l a n 、w l a n 等，具体通信协议尚在 研究阶段。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 m 2 m 平台：支持平台与终端设备接口标准化，同时支持平台与业务应用服务器接 口标准化。平台采用统一的业务门户接入各类用户，能统一处理接入、鉴权、计费等通 用功能。该平台可以实现终端软件自动升级，对终端参数进行设置和修改，提供完整的 告警和故障管理支持；支持对终端的远程、批量、自动化、实时监控。 运营系统：提供服务、管理、计费功能。与b o s s 、短信网关、g g s n 、m 2 m 平台 相连，完成客户管理、业务受理、计费结算和收费功能。对m 2 m 业务平台提供的业务 进行数据配置和管理，支持签约关系受理功能，支持通过h t t p f t p 接口与行业网关、 m 2 m 平台以及黑白名单等同步的功能。 用户：m 2 m 用户包括个人家庭用户和企业用户。对于前者的典型应用例如智能家 居业务，来完成用户对家电设备的智能管理；对于后者的应用则更为广泛，包含车辆管 理、电梯管理、生产管理等各个方面。 2 2 2m 2 m 的核心内容 m 2 m 的核心【lo 】为计算能力和连通性的融合。m 2 m 有两层含义：第一层是机器本 身，即智能设备。第二层意思是机器和机器之间的连接，即网络互联。 智能设备的核心是计算能力，计算机和网络的融合将成为计算平台的核心要素，是 计算能力的核心体现。 连通性要求各模块之间具有统一的接口，针对周围的环境和不同人的需求而进行交 互。通过运营商m 2 m 平台实现业务的接入、管理，以及业务数据承载，通过相应的协 议来实现应用的扩展和快速开发，通过标准化的m 2 m 终端和应用系统来实现业务的快 速部署，引导m 2 m 业务走向标准化、可运营、可管理和规模化发展。 2 2 4m 2 m 业务特征 m 2 m 业务根据业务分类的不同需求，提供多样的接入方式，并具有鉴权和管理的 功能【l l 】。 2 2 4 1 支持多种接入方式 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 m 2 m 业务能够支持g p r s s m s 几s s d 等无线接入方式。 m 2 m 平台可以通过t c p i p 协议或u d p i p 与g p r s 行业终端进行通信，根据 g p r s 行业终端的接入请求分配临时i p 地址，建立t c p i p 连接，接收g p r s 行业终端 的采集数据。 m 2 m 平台可以通过s m p p 协议与行业网关连接，接收行业终端发起的短消息，把 短消息转发到对应的应用系统，接收应用系统发送的短消息，通过相应的网关向指定行 业终端发送短消息。 m 2 m 平台可以通过u a p 协议与u s s d c 肘s s d g 连接，接收行业终端发起的u s s d 业务请求，根据u s s d 业务码把请求信息传送到对应的应用系统；接收应用系统的 u s s d 响应信息或请求信息，根据u s s d 事务标识向行业终端发送信息；负责维持 u s s d 会话关系，根据请求建立或关闭u s s d 会话。 ， 2 2 4 2 支持终端鉴权管理 m 2 m 平台在接收到行业终端通过g p r s 方式上发的信息后，分析其目的业务代 码，根据业务代码和行业终端的对应关系，确定该终端是否为合法终端，只允许合法终 端向应用系统发送信息，对其它终端的信息予以丢弃，以避免应用系统接收非法信息。 2 2 4 3 支持行业终端管理 m 2 m 业务对行业终端的管理包括行业终端鉴权管理、状态管理、配置管理、业务 统计、故障管理、维护管理。 行业终端在提供服务前向m 2 m 平台发送注册信息，包括终端号码、设备类型、支 持的通信方式、请求的业务代码、采集信息间隔是否可控、最大信息量、报警门限等信 息。m 2 m 平台对行业终端进行鉴权，并向行业终端返回结果，m 2 m 平台只处理通过鉴 权的行业终端上发数据。 行业终端的状态分为：工作状态、故障状态、退出状态、禁止状态等。行业终端通 过m 2 m 平台的鉴权即进入工作状态，未通过鉴权就进入禁止状态，长时间不能提供业 务判定为故障状态。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 m 2 m 平台可以向行业终端发送控制信息，要求执行某些操作，如在采集周期未到 时立即采集数据并上报信息、更改报警门限、更改采集信息间隔、系统复位、改变通信 方式等。 m 2 m 平台定时检查行业终端的发送信息，如果在指定时间内未接收到行业终端的 信息，认为该行业终端故障。m 2 m 平台记录故障终端所属的m 2 m 业务平台和所在位 置，并通过短消息通知其管理维护人员，同时向m 2 m 业务平台的应用系统发送行业终 端故障信息。 维护管理，m 2 m 平台为平台系统管理员和维护人员提供终端管理的操作界面。平 台系统管理员可以对所有终端进行操作管理，m 2 m 业务平台的维护人员只能管理自身 企业的终端。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文正文 第三章w m m p 协议研究与分析 3 1w m m p 协议背景 在w m m p 协议提出之前，m 2 m 技术采用如下两种方式实现【1 2 】： 1 两台具有g p r s 功能的m 2 m 终端直接通讯，双方通过无线方式接入核心网后进 行连续通讯； 2 将一台g p r s 终端作为m 2 m 终端，将一台电脑作为服务器放在i n t e m e t 上作为 m 2 m 应用，终端通过无线方式进行通讯。 对于第一种方式，整个系统过于简单，只要终端数量增加，相互问的逻辑关系就会 复杂到无法有条理的区分；对于第二种方式，则受到无线网内互联相关法规的约束而发 展缓慢。此外终端的合法性、终端产生通讯异常时候的处理、终端上报数据的统计、终 端与服务器之间通讯的协议也是当时m 2 m 技术中难以解决的问题。 w m m p 协议的提出解决了以上的问题，本章将在接下来进行详细的研究和分析。 3 2w m m p 协议概述 w m m p ( w i r e l e s sm 2