物联网体系结构探讨(pdf 6页).pdf

刘化君 南京工程学院南京2 1 1 1 6 7 摘要通过对现有物联网技术文献和体系结构实例的分析 探讨了物联网的体系结构 在总结物联网特征的基础 上 提出了一个层次性物联网体系结构和系统模型 关键词物联网物品电子代码体系结构 物联网 I n t e r n e to f T h i n g s I o T 作为新兴的信息 网络技术 将会对I T 产业发展起到巨大推动作用 然而 由于物联网尚处在起步时期 还没有一个广泛 认同的体系结构 在公开发表物联网应用系统的同 时 很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结 构 例如物品万维网的 W e bo f T h i n g s W o T 体系结 构 它定义了一种面向应用的物联网 把万维网服务 嵌入到系统中 可以采用简单的万维网服务形式使 用物联网 这是一个以用户为中心的物联网体系结 构 试图把互联网中成功的 面向信息获取的万维网 应用结构移植到物联网上 用于简化物联网的信息 发布和获取 当前 较具代表性的物联网架构有欧美 支持的E P CG l o b a l 物联网体系架构和日本的U b i q u i t o u sI D U I D 物联网系统等 我国也积极参与了物 联网体系结构的研究 正在积极制订符合社会发展 实际情况的物联网标准和架构 发展物联网的关键是体系结构关系链 本文拟 就在分析现有物联网技术文献和体系结构实例的基 础上 探讨物联网的一种层次性体系结构 1物联网的自主体系结构 G u yP u j o l l e 提出了一种采用自主通信技术的物联网 自主体系结构 如图l 所示 所谓自主通信是指以 自主件 S e l fW a r e 为核心的通信 自主件在端到端层 次以及中间节点 执行网络控制面已知的或者新出 现的任务 自主件可以确保通信系统的可进化特性 由图1 可以看出 物联网的这种自主体系结构 由数据面 控制面 知识面和管理面4 个面组成 数 据面主要用于数据分组的传送 控制面通过向数据 为了适应于异构的物联网无线通信环境需要 强1 物联两的一种自主体系结构 基金项目 先进数控技术江苏省高校重点建设实验室开放基金资助项目 项目号 跚0 7 1 1 7 中国新通信2 0 1 0 5 J7 万方数据 J 8 C H I N AN E WT EL E C O M M U N I C A T I O N S 面发送配置信息 优化数据面的吞吐量以及可靠性 知识面是最重要的一个面 它提供整个信息网络的 完整视图 并且提炼成为网络系统的知识 用于指导 控制面的适应性控制 管理面协调和管理数据面 控 制面和知识面的交互 提供物联网的自主能力 在如图l 所示的自主体系结构中 其自主特征 主要是由S T P S P 协议栈和智能层取代了传统的 T C P I P 协议栈 如图2 所示 其中S T P S m a r tT r a n s p o r tP r o t o c 0 1 为智能传输协议 S P S m a r tP r o t o c 0 1 为 智能协议 物联网节点的智能层主要用于协商交互 节点之间S T P S P 的选择 用于优化无线链路之上的 通信和数据传输 满足异构物联网设备之间的联网 需求 嚣2 实现鲥期s P 协议棱的自主体系结 鸯 这种面向物联网的自主体系结构涉及的协议栈 比较复杂 适用于计算资源较为富裕的物联网节点 2 物联网的E P C 体系结构 随着全球经济一体化和信息网络化进程的加 快 为满足对单个物品的标识和高效识别 美国麻省 理工学院的自动识别 A u t o I D 实验室在美国统一 代码协会 U C C 的支持下 提出要在计算机互联网 的基础上 利用R F I D 无线通信技术 构造一个覆盖 世界万物的系统 同时还提出了电子产品代码 E l e c t r o n i cP r o d u c tC o d e E P C 的概念 即每一个对 象都将被赋予一个唯一的E P C 并由采用无线射频 识别技术的信息系统管理 彼此联系 数据传输和数 据储存由E P C 网络来处理 随后 国际物品编码协 会 E A N 和美国统一代码协会 U C C 于2 0 0 3 年9 月共同成立了非营利性组织E P CG I o b a l 将E P C 纳 入了全球统一标识系统 实现了全球统一标识系统 中的G T I N 编码体系与E P C 概念的完善结合 E P CG l o b a l 关于物联网的描述 是 一个物联网 主要由E P C 编码体系 射频识别系统及信息网络系 统3 个部分组成 2 1E P C 编码体系 物联网实现的是全球物品的信息实时共享 显 然 首先要做的是实现全球物品的统一编码 即对在 地球上任何地方生产出来的任何一件产品 都要给 它打上电子标签 在这种电子标签里携带有一个电 子产品编码 并且全球唯一 电子标签代表了该物品 的基本识别信息 譬如 表示 A 公司于B 时间在C 地点生产的D 类产品的第E 件 目前 欧美支持的 E P C 编码和日本支持的U I D U b i q u i t o u sI D e n t i f i c a t i o n 编码是两种常见的电子产品编码体系 2 2 射频识别系统 射频识别系统包括E P C 标签和读写器 E P C 标 签是编号 每一个商品唯一的号码 即牌照 的载体 当E P C 标签贴在物品上或内嵌在物品中时 该物品 与E P C 标签中的产品电子代码就建立起了一对一 的映射关系 E P C 标签从本质上来说是一个电子标 签 通过R F I D 读写器可以实现对E P C 标签内存信 息的读取 这个内存信息通常就是产品电子码 产品 电子代码经读写器上报给物联网中间件 经处理后 存储在分布式数据库中 用户查询物品信息时只要 在网络浏览器的地址栏中 输入物品名称 生产商 供货商等数据 就可以实时获悉物品在供应链中的 状况 目前 涉及这部分的标准也已制订 包括电子 标签的封装标准 电子标签和读写器间数据交互标 准等 2 3E P C 信息网络系统 E P C 信息网络系统包括E P C 中间件 发现服务 和E P C 信息服务3 个部分 1 E P C 中间件 要实现每个小的应用环境或系 统的标准化以及它们之间的通信 在后台应用软件 和读写器之间 须设置一个通用平台和接口 通常将 其称之为中间件 E P C 中间件实现R F I D 读写器和后 端应用系统之间的信息交互 捕获实时信息和事件 或上行给后端应用数据库系统以及E R P 系统 或下 行给R F I D 读写器 E P C 中间件采用标准的协议和接 口 是连接R F I D 读写器和信息系统的纽带 目前 已 万方数据 在制订应用级别事件 A p p l i c a t i o nL e v e lE v e n t A L E 标准 2 发现服务 D i s c o v e r yS e r v i c eo E P C 信息发现 服务包括对象名称解析服务 O b j e c tN a m i n gS e r v i c e O N S 以及配套服务 基于电子产品代码 获取E P C 数据访问通道信息 目前 根O N S 系统和配套的发 现服务系统由E P CG l o b a l 委托V e r i s i g n 公司进行运 维 其接口标准也正在形成之中 3 E P C 信息服务 E P CI n f o r m a t i o nS e r v i c e E P C I S E P CI S 即E P C 系统的软件支持系统 用以实现 最终用户在物联网环境下交互E P C 信息 关于E P C I S 的接口和标准也正在制订之中 可见 一个E P C 物联网体系架构 3 4 1 主要应由 E P C 编码 E P C 标签及R F I D 读写器 中间件系统 O N S 服务器和E P CI S 服务器等部分构成 如图3 所 示 由图3 可以看到一个企业物联网应用系统的基 本构架 该应用系统由3 大部分组成 即R F I D 识别 系统 中间件系统和计算机互联网系统 其中R F I D 识别系统包含E P C 标签和R F I D 读写器 两者通过 R F I D 空中接口通信 E P C 标签贴于每件物品上 中 间件系统含有E P CI S P M L 以及O N S 及其缓存系 统 其后端应用数据库系统还包含E R P 系统等 中 间件系统与计算机互联网相连 能够及时有效地跟 踪 查询 修改或增减数据 综上所述 E P C 系统是在计算机互联网基础上 通过E P C 中间件 对象名称解析服务 O N S 和E P C 信息服务 E P CI S 来实现全球物物互联的 3 物联网的U I D 技术体系架构 鉴于日本在电子标签方面的发展 早在2 0 世纪 8 0 年代中期就提出了实时嵌入式系统 T R O N 其 中的T E n g i n e 是其体系架构的核心 在T E n g i n e 论坛领导下 泛在I D 中心设立在东京大学 于2 0 0 3 年3 月成立 并得到日本政府经产省和总务省以及 大企业的支持 目前包括微软 索尼 三菱 日立 日 电 东芝 夏普 富士通 N T r D o C o M o K D D I J P h o n e 伊藤忠 大日本印刷 凸版印刷 理光等诸 多企业 组建U I D 中心的目的是为了建立和普及自 动识别 物品 所需的基础技术 实现 计算无处不 在 的理想环境 U I D 是一个开放性的技术体系架构 由泛在识 别码 u C o d e 泛在通信器 信息系统服务器和u C o d e 解析服务器等部分构成 U I D 使用u C o d e 作为现实 世界物品和场所的标识 U C 从u C o d e 电子标签中读 取u C o d e 获取这些设施的状态 并控制它们 U C 类 似于P D A 终端 U I D 能在多种行业中得到广泛应 用 U I D 是将现实世界用u C o d e 标签的物品 场所等 各种实体和虚拟世界中存储在信息服务器中各种相 关信息联系起来 实现物物互联 4 架构物联网体系结构的建议 物联网概念的问世 打破了传统的思维模式 在 提出物联网概念之前 一直是将物理基础设施和 基础设施分开 一方面是机场 公路 建筑物 而另一 方面是数据中心 个人计算机 宽带等 在物联网时 图3E P c 物联网体系架构示意图 中国新通信2 0 1 0 5 J 9 万方数据 2 0 C H I N AN E WT E L E C O M M U N l C A T I O N S 代 将把钢筋混凝土 电缆将与芯片 宽带整合为统 一的基础设施 这种意义上的基础设施像是一块新 的地球工地 世界在它上面运转 包括经济管理 生产 运行 社会管理以及个人生活等 研究物联网的体系 结构 首先需要明确架构物联网体系结构的基本原 则 以便在已有物联网体系结构的基础之上 形成参 考标准体系结构 4 1物联网体系结构架构原则 物联网有别于互联网 互联网主要目的是构建 一个全球性的计算机通信网络 而物联网则主要从 是应用出发 利用互联网 无线通信网络资源进行业 务信息的传送 是互联网 移动通信网应用的延伸 是自动化控制 遥控遥测及信息应用技术的综合展 现 当物联网概念与近程通信 信息采集与网络技 术 用户终端设备结合后 其价值才将逐步得到展 现 因此 设计物联网体系结构时应该遵循以下几条 原则 1 多样性原则 物联网体系结构须根据物联网 的服务类型 节点的不同 分别设计多种类型的体系 结构 不能也没有必要建立起统一的标准体系结构 2 时空性原则 物联网尚在发展之中 其体系 结构应能满足在物联网的时间 空间和能源方面的 需求 3 互联性原则 物联网体系结构需要平滑地与 互联网实现互联互通 如果试图另行设计一套互联 通信协议及其描述语言将是不现实的 4 扩展性原则 对于物联网体系结构的架构 应该具有一定的扩展性设计 以便最大限度地利用 现有网络通信基础设施 保护已投资利益 5 安全性原则 物物互联之后 物联网的安全 性将比计算机互联网的安全性更为重要 因此物联 网的体系结构应能够防御大范围内的网络攻击 6 健壮性原则 物联网体系结构应具备相当好 的健壮性和可靠性 4 2 一种层次性物联网体系系统结构 以上分别从某个具体应用角度讨论介绍了物联 网的系统结构 这类结构无法构成一个通用的物联 网系统 根据物联网的服务类型和节点等情况 下面 给出一个划分为由感知层 接人层 网络层和应用层 组成的4 层物联网体系结构 如图4 所示 1 感知层 感知层主要功能是信息感知与采 集 主要包括二维码标签和识读器 R F I D 标签和读 写器 摄像头 各种传感器 视频摄像头等 如温度感 应器 声音感应器 震动感应器 压力感应器 R F I D 读写器 二维码识读器等 完成物联网应用的数据采 集和设备控制 图4 物联网体系结构示意蹬 2 接入层 接人层由基站节点 S i n k 节点 和接 入网关 A c c e s sG a t e w a y 组成 完成应用末梢各节点 信息的组网控制和信息汇集 或完成向末梢节点下 发信息的转发等功能 也就是在末梢节点之间完成 组网后 如果末梢节点需要上传数据 则将数据发送 给基站节点 基站节点收到数据后 通过接入网关完 成和承载网络的连接 当应用层需要下传数据时 接 入网关收到承载网络的数据后 由基站节点将数据 发送给末梢节点 从而完成末梢节点与承载网络之 间的信息转发和交互 接入层的功能主要由传感网 指由大量各类传 感器节点组成的自治网络 来承担 3 网络层 网络层包括各种通信网络与物联网 形成的承载网络 承载网络主要是现行的通信网络 如2 G 网络 3 G 网络 3 G 网络 4 G 网络 或者是计算 机互联网 移动通信网 企业网等 完成物联网接入 C H I N AN E WT E L E C O M M U N I C A II O N SM a y2 0 1 0 万方数据 层与应用层之间的信息通信 4 应用层 应用层由各种应用服务器组成 包 括数据库服务器 主要功能包括对采集数据的汇 聚 转换 分析 以及用户层呈现的适配和事件触发 等 对于信息采集 由于从末梢节点获取了大量原始 数据 且这些原始数据对于用户来说只有经过转换 筛选 分析处理后才有实际价值 这些有实际价值内 容的应用服务器将根据用户的呈现设备不同完成信 息呈现的适配 并根据用户的设置触发相关的通告 信息 同时当需要完成对末梢节点控制时 应用层还 能完成控制指令生成和指令下发控制 应用层要为用户提供物联网应用U I 接口 包括 用户设备 如P C 手机 客户端等 除此之外 应用层还包括物联网管理中心 信息 中心等利用刚络的能力对海量信息进行智能处理的 云计算功能 5 结束语 物联网是一个十分复杂而又庞大的系统 其体 系结构是影响未来发展应用的关键所在 需要分阶 段有计划地开展深入的科学研究 本文对物联网的 体系结构进行了初步研究 提出了一种具有感知层 接入层 网络层和应用层的4 层次参考模型 并对各 层所实现的主要功能进行了讨论 参考文献 1 h t t p l l w w w 8 e c u c o n l c n n e w s v i e w 2 0 0 9 1 1 2 3 6 4 2 2 0 s h t n d 2 0 1 0 4 f 2 P t 扣l eG A na u t o n o m i co r i e n t e da r c h i t e c t u r ef o r t h eI n t e m e to fT h i n g s I E E E2 0 0 6I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i mO nM o d e r nC o m p u t i n g 2 0 0 6 1 6 3 1 6 8 3 Y a hB o H u n gGW S u p pl yc h a i ni n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb a s e do nR F I Da n di n t o n e ro ft h i n g s I S E C SI n t e r n a t i o n a lC o l l o q u i u m o nC o m p u t i n g C o m m u n i c a t i o n C o n t r o la n dM a n a g e m e n t 2 0 0 9 4 1 6 6 1 6 9 4 A r m e nIF B a r t h e lH e t 以 T h eE P Cg i o b a la r c h i t e c t u r ef r a m e w o r k h t t p 1 w w w e p c g l o b a l i n c o r e S t u d yo nt h eA r c h i t e c t u r ef o rI n t e r n e to fT h i n g s L i uH u a j u n IN a n j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y N a n j i n g 2 111 6 7 C h i n a A b s t r a c tT h r o u g ht h ea n a l y s i so fc u r r e n tt e c h n i c a lm a t e r i a l sa n da p p l i c a t i o nc a s e so ft h eI n t e r n e to fT h i n g s I O D t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r e so ft h el O T A f t e rs u m m a r yo ft h ef e a t I l r e so fI O T i tp r o p o s e st h ea r c h i t e c t u r ea n ds y s t e mm o d e lo fI O T K e yw o r d s