物联网体系架构的研究(外文文献翻译)

物联网体系架构的研究物联网体系架构的研究 摘要 物联网是一个代表未来计算机与通信的技术革命 它不是简单的互联网 或者是电信网络的延伸 它同时具有因特网和互联网的特点 也有自己的特征 通过分析当前已经被接受了的物联网的三层结构 我们觉得三层结构不能完全 表明物联网的特征和内涵 在重新分析了因特网的技术框架和电信管理网络的 逻辑分层结构之后 我们建立了新的物联网五层构架 我们相信这个构架对于 理解物联网的本质更有帮助 我们希望这会对物联网的发展有帮助 关键词 物联网 结构 五层 互联网 电信 1 介绍 对于物联网 或者是 IoT 没有大家普遍接受的定义 凯文艾什顿在 1998 年的一次介绍中 描述了一个基于网络信息服务的新兴地球 首次提出了 物联网的概念 1 十多年前 已故的马克威瑟开发出一种开创性的未来视觉 技术 在这种技术中处理能力可用性的提升将会伴随着可视能力的下降 2 他指出 最有意义的技术是那些已经消失的 它们迂回深入到生活的方方面面 直到已经无法从生活中区分开来 3 物联网是代表未来计算和通信的一项技术革命 它的发展依赖于从无线传 感器到纳米技术的很多重要领域的动态技术创新 技术上 该构架基于数据通 信工具 主要是 RFIO 标签项目 射频识别 物联网的目的除了其他方面 还 包括促进信息交流 全球货物供应链网络 也就是 IT 基础设施应该以一种安全 可靠的方式提供 事物 的信息 物联网最初的应用范围已经扩展 物联网也可以作为普适计算的主要部件 使 智能环境能够检测识别物体 从网上检索信息来提高它们的自适应功能 1 II 物联网目前架构 虽然物联网的定义不清晰 物联网的结构是大家普遍接受的 非常著名的三 层架构包括感知层网络层和应用层 A 感知层 感知层像是物联网的面部皮肤和五官 主要是识别物体和搜集信息 感知 层包括二维条形码标签和读出器 RFID 电子标签和读写器 相机 GPRS 传 感器 终端和传感网络 其主要任务识别对象 收集信息 B 网络层 网络层就像物联网的大脑和神经网络 它的主要任务是传递和处理信息 网络层包括一个通信融合网和互联网 网络管理中心 信息中心和智能处理 中心等等 网络层将会传输和处理从感知层得到的信息 C 应用层 为了实现广泛的智能化 应用层综合了物联网的社会分工和产业需求 像人类社会劳动力的分工之后 形成人类社会一样 应用层结合需要实现智 能化的行业 是物联网和应用技术最深的融合 该模型层从技术层面上描述了物联网的架构 在初始发展阶段这种划分 是合理的 我们可以看到 在这种构架中提到的多种技术基本上都有不同程 度的发展和应用 但是物联网在我们的工作和生活中仍然没有大规模的应用 甚至一些学者仍然认为物联网是不切实际的空想 究其原因 主要是因为缺 乏良好的管理方式和商业模式 正如因特网的蓬勃发展 不仅依赖技术进步 更重要的是各种新应用和成功的商业模式 因此我们不仅要不断突破技术问 题 同时还应多注意其管理模式和商业模式 不过 与互联网不能被管理和 控制不同的是 物联网需要管理和经营 从这一点上 它更类似与通信网络 因为它们都需要控制盒操作 处于这个原因 为了正确地了解物联网体系结 构 我们应该分析这两种网络结构 互联网和通信网络 并结合物联网的特 征 最终得到一种更好的更合理的物联网架构 III 互联网和电信管理网络架构 A TCP IP 模型层 TCP IP 传输控制协议 因特网协议 协议模型采用四层模型 逻辑上跨 越 OSI 开放系统互联参考模型 顶部六层等效参考模型 TCP IP 模型不能 直接寻址硬件设备 下面的三层 网络接口 因特网和 主机对主机 传输 对应 OSI 模型的二三四层 TCP IP 应用层在概念上模糊了 OSI 顶部三层的 概念 3 图 2 表示出了 TCP IP 和 OSI RM 的关系 1 互联网层 这一层对应于 OSI 参考模型中的网络层 因为这个原因 有时甚至在 TCP IP 模型的讨论中也称为网络层 它负责典型的三层工作 例如逻辑装置寻址 数 据封装 操纵和交付 最后但是并不是不重要的 路由 在这一层我们发现互 联网协议 IP 可以说是 TCP IP 的心脏 以及支持协议如因特网控制消息协 议 ICMP 和路由协议 RIP OSFP BOP 等等 IP 的新的版本 称为 IP 版 本 6 将用于未来的的因特网 当然也是在这一层 2 传输层 这一层的主要工作是促进互联网络的端到端通信 它允许设备之间进行逻 辑连接从而允许数据不可靠 没有到达的保证 或者是可靠 协议跟踪数据的 发送和接收从而保证数据到达 并且如果有必要的话可以重新发送 特定源和 目标应用程序的进程也是在这里完成的 TCP IP 在这一层关键的协议是传输控制协议 TCP 和用户数据协议 UDP TCP IP 传输层和 OSI 模型中的这一层 第四层 具有相同的名字 但 是却包含一些可以说是 OSI 互联会话层中的一部分 例如 TCP 建立一个可以 持续很长时间的连接 有些人就会说着使得 TCP 连接看起来更像一个会话 3 应用层 这是 TCP IP 模型的最高层 这是一个相当广泛的层 包括 OSI 模型中的五 到七层 TCP IP 模型更好的反应了 OSI 模型中高层功能划分的模糊特性 这在 实践中看起来很随意 在五六七层中区分某些协议真的很难 很多协议都在应 用层 这些包括提供底层用户服务的协议像 HTTP FTP 和 SMTP 以及行政协 议简单网络管理协议像 SNMP DHCP 和 DNS B TM 功能结构下的 TMN 逻辑分层体系结构 为了解决电信经营的复杂性问题 管理功能可以考虑被划分 逻辑层 逻辑层结构 LLA 是一个组织管理功能概念 将不同的作用划分为 称为逻辑层的群体 并描述层与层之间的关系 一个逻辑层反应通过不同的抽 象层安排的特定管理方面 图 表示出了 TMN 管理功能的建议分层模型 元件管理层 元件管理层管理每一个在一个个体或群体基础上的网络元件 支持网络元 件层提供的功能抽象 为了具有一些子网络元件功能 元件管理层在从网络管 理层移交过来的基础上有一个或者是多个单独负责的元件 OSF 操作系统 元 件管理层有下面三个主要功能 在独立 NEF 网元功能 的基础上控制和协调网络元件子集 在共同的基础上元件管理层也可以控制和协调网络元件子集 在其控制范围内维护统计数据 记录和有关元件的其它数据 网络管理层 网络管理层的责任是管理元件管理层支持的网络 对广泛的物理地址寻址 的功能位于这一层 作为一个目标 对整个网络完全透明是经典的方式 一个 技术独立观点将被提供给服务管理层 网络管理层有以下五个主要功能 在它的范围或领域内 控制和协调所有网络元素的网络观点 为了客户服务的支撑而规定修改或停止网络功能 网络功能的维护 维护网络统计数据 记录和其它的数据 在性能 应用和可用性等与 服务管理层互动 网络 OSF 可以管理 NEF 之间的关系 像连接 服务管理层 服务管理关注并负责提供给客户或者是对潜在客户有效的服务的合同方面 这一层一些主要的功能是服务订单处理 处理投诉和开具发票 服务管理层主 要有下面的功能 面向客户和与其它 PTO 电信运营商 进行接口连接 与服务提供商互动 维护统计数据 例如 QOS d 服务互动 客户交易提供给客户所有的服务交易的基本接触点 服务包括提供 停止服务 客户 服务质量 故障报告等等 服务管理层负责谈判和由此产生的潜在客户 和提供给这些客户的服务之间的合同协议 4 业务管理层 业务管理层负责整个企业 业务管理层包含专有功能 企业管理层包含在 TMN 结构中来增强它需要其他管理层的能力的叙述 这一层是整个企业管理的 一部分 与其它管理系统的交互是必要的 业务管理层有以下四个主要功能 a 支持最优投资和新通信过程决策过程 b 支持 OA M 相关预算的管理 c 支持 OA M 相关人力次元的供求 d 维护整个企业的总体资料数据 IV 物联网的新架构 因为物联网不同于互联网和电信网络 上面的两种模式不能直接应用于物 联网 但是它们共同拥有一些相似的特征 因此 通过因特网的技术构架和电 信管理网络的逻辑结构 结合物联网独特的特征 我们建立了一种新的物联网 架构 我们相信这种架构能够更好的解释物联网的特征和内涵 我们把物联网 分为五层 分别是业务层 应用层 处理层 运输层和感知层 如图 4 所示 A 感知层 感知层的主要任务是利用利用不同的探测器 例如红外传感器 RFID 二维 码等 感知物体的物理特性 例如温度 位置等等 并且将这些信息转换成更 易于网络传输的电信号 感知层不同的探测器和设备就像电信管理网络中的网 络元素 这一层的主要技术是探测技术 RFID 探测技术 包括标签和读写 二维码 GPS 等等 因此感知层的主要功能是感知信息转化成电信号 同时 许多对象不能直接被感知到 因此我们需要在它们的体内植入芯片 这些芯片可以感知温度 速度等等 甚至能够处理这些信息 这涉及到使用纳 米技术使芯片足够小从而被植入到每一个物体体内 即使是沙粒 因此纳米技 术和嵌入式智能技术也是感知层的关键技术 B 传输层 传输层 或者叫做网络层 负责把从感知层接受到的数据通过不同的网络 像无线网和有线网甚至是企业局域网 LAN 传输到处理中心 这一层的主要技 术包括光纤接入 3G Wifi 蓝牙 无线 UMB 红外技术等等 所以运输层的主 要功能是运输 在这一层 我们可以找到许多协议 像 IPv6 因特网协议版本 6 这对上亿件的事情的寻址是必须的 物联网将会是一个巨大的网络 它不仅连接上亿件事情 但也包括很多多 种多样的网络 因此 不同的网络和实体之间的通信是非常重要的 C 处理层 处理层主要储存 分析和处理从传输层接收的物体信息 我们特意从其他 的模型中抽象出着个新的层 因为我们想 由于有大量的物体携带了大量的信 息 存储和处理这些大量数据是很重要也很困难的 主要技术包括数据库 智 能处理 云计算与普适计算等 云计算和普世计算是这一层的主要技术 在将 来甚至会出现更适合物联网的新的计算技术 因为这个原因 我们认为处理层 的研究和发展对于将来物联网的发展是重要的 D 应用层 应用层任务是在处理层的数据处理上 发展物联网的多种应用 就像智能传 输 智能运输系统 物流管理 身份认证 基于位置的服务 LBS 和安全等功 能 这一层的功能是给不同的行业提供多种多样的应用 因为不同的应用加快 了物联网的发展 这一层在推动物联网想大规模发展过程中有重要的作用 E 业务层 业务层像物联网的一个经理 包括管理应用 相关业务模式和其它业务 业 务模式不仅管理各种应用的释放和收费 同时也进行经营模式和利润模式的研 究 正如我们所知 一项技术的成功不仅取决于技术优先 同时也有商业模式 的创新和可行性 基于这一点 如果没有经营模式的研究 物联网就不能获得 长期有效的发展 同时 这一层也应该管理用户优先权问题 这对物联网是同 样重要的 V 结论 我们希望现有的结构对于理解物联网在最初发展阶段的技术结构有一定的 重要性 但是它不能完全的解释物联网的结构和内涵 正因为这样 许多学者 对于物联网的定义和范围有很多不同的意见 我们希望这种五层构架可以帮助 学者和开发人员更好的理解物联网 致谢 我们十分感谢 Sheng Zhi Wang Xia Chen Xin Yan Zhao Wen Hua Shi Xue Mei Xie and Qi Wang 对我们提出了有帮 助的建议 感谢 Ya Xian Li and Jia Le Liu 提供的技术支持 参考文献 1 Rolf H Weber 2009 Internet of Things Need for a New Legal Environment Computer Law Security Review pp 522 527 2 ITU 2005 Internet Reports 2005 The Internet of Things ITU Internet Report 3 M Weiser The Computer for the 21st Century Scientific American September 1991 4 Charles M Kozierok 2005 The TCP IP Guide A Comprehensive Illustrated Internet Protocols Reference No Starch Press 5 ITU ITU T Recommendation M 30IO Principles for a Telecommunications Manage