未来的互联网：物联网

1、2010年第三届高级计算机理论与工程国际会议（ICACTE未来的互联网：物联网谭路王能上海华东师范大学计算机科学与技术系摘要：如今，互联网上主要的沟通形式是人与人之间的交流。但可以预见，在不久的将 来，任何对象将有一个独特的方式被识别并且方案可以得到解决，这样使每个对象都可 以实现连接。因特网将成为物联网。沟通的形式将由局限于人与人扩大到人与人、人与 物、物与物（也称为M2M的方式。这将带来一个新的普适计算和通讯的时代，极大地 改变人们的生活。射频识别技术（RFID及相关识别技术将成为即将到来的物联网 （IOT） 的基石。本文旨在介绍物联网的骨架，我们设法解决物联网的一些基本问题，比如架构 和

2、互操作性等。首先我们描述了物联网的基本概述。然后给出我们的物联网构筑设计方 案，以及设计了一个具体的物联网应用模型，它可以适用于智能校园中设备的自动化管 理。最后，我们讨论了物联网中一些关于开放的问题。关键词：物联网：M2M射频识别；普适计算；智能校园；设备自动化管理1引言迄今为止，全世界绝大多数的互联网连接依赖于人类直接使用的设备，如电脑和手 机。其主要的沟通形式是人与人之间的交流。在不久的将来，每个对象都可实现连接。 事物之间可以自行交换信息，连接到互联网的“物”的数量将远大于 “人”的数量， 人类可能成为发送和接收的小部分。我们将物质世界和信息世界混为一体。未来将不再 是人与人的沟通，不

3、再是人获取信息。它将会以人的名义进行机器之间的交流。我们正 在进入一个无处不在的新时代，我们正在进入物联网时代，人与物、物与物之间这种新 的通信形式之间将会得以实现。一个新的层面已被添加到信息与通信世界：任何时间， 任何地方，连接任何人，我们将连通任何东西。图 1显示了这个新的层面。 N-ghlfnowe-Ori Ehe moveAny PLACE conn nction* Flung to TH叩TST) Ojedbci*! 69CWVW1 PC1* Hu mtn io Human (hQ H), nol umpq a PC* Hu man Bo Tlwig (HGT), uim-g ger

4、wi-c AquipmeHl图i新的层面并没有关于“物联网”的标准定义。考虑作为核心的功能和特性，可以合理地定义 物联网为“事物具有身份识别能力和虚拟人物个性，在智能空间中操作智能接口以实现 连接和沟通社会、环境和用户的功能”。另一个不同的定义，它强调无缝集成，物联网 可以表述为“有关联的对象在未来互联网中发挥着积极的作用”1.1物联网的主要技术物联网是一场技术革命，代表了计算和通信的未来，其发展需要一些创新的技术支 持。射频识别（RFID被视为一个物联网的关键推动者。对象应被定义，这样它们就可 以连接。RFID技术，就是利用无线电波来识别物体，可以实现这种功能。有时，RFID 被认为是条形码

5、的替代品，但 RFID系统可以做的远不止这些。除了识别物体之外，它 还可以实时跟踪物体，以获得关于它们的位置和状态的重要信息。RFID技术在零售业、医疗保健、设施管理等方面已经有一些有价值的应用。成熟的RFID技术给物联网提供了一个强有力的支持。物联网的一个最大突破是使物理世界与信息世界融为一体。传感器发挥着非常重要的作用，缩小了物理世界与信息世界之间的差距。传感器收集环境数据，生成信息提高 对环境的认识。因此可以检测周围环境的变化，并根据需要作出回应。纳米技术和微小型化可以使物体自身具有嵌入式智能，称为智能设备。它们可以处 理信息，自我配置，独立作出决定，最终达到实时的物物通信。1.2趋势从

6、长远角度看，物联网的发展趋势包括三个步骤：嵌入式智能，连接，互动。首先，我们可以采用嵌入式智能，实现自动操作。目前已经有不少应用，例如：食 品的RFID标签可以记录食品的信息，我们可以通过使用 RFID阅读器得到信息；洗衣机 控制器可以使洗衣机全自动地完成其工作；发动机控制器和防抱死制动汽车控制器；惯 性制导系统，飞行控制硬件/软件和其他集成系统飞机和导弹武器的半人工智能手等。 虽然这些设备都是智能的，我们可以看到，它们只能在本地独立地工作，没有要与“网 络”连接。因此，下一步是使每个智能设备都可连接。从智能连接设备的观点看，其实智能设 备并不聪明，因为它们只是被赋予了代理能力，所有的行动都是

7、被人预先设计的，它们 因为连接所以智能。物体可以实现有线或无线连接。物联网的无线连接将成为主要方式。 基于目前存在的基础设施，有很多方法可以实现：RFID技术，ZigBee,无线个域网WPAN 无线传感器网络 WSNDSL UMTSGPRSWiFi和 WiMax技术，局域网LAN广域网 WAN 3G等。连接智能设备使互动成为可能。JiMhqMatx pner去睢砂油暉静即使我们可以连接任何物体，但并不意味着物体自身可以自行沟通。因此，新建立 的智能设备应该能处理信息、自我配置、自我维持、自我修复、独立决定，最后在自己 的范围内发挥积极作用。物体可以互动，它们之间自行交换信息。因此从信息传递的形

8、 式将从人与人到人与物，再向物与物的发展和改变。随着物联网的应用的驱动，将会产 生有利于提高物联网的创新和发展的新的商业应用。Mt 审f* 如 l.hnsnd *or亡胡祕 bqflESQur nUKrsIm图2显示了互联网的发展趋势2架构目前的互联网有五个层次的体系结构，运行于 TCP /IP协议，而且已经运行工作 了好长时间。然而，在物联网中，数以亿计的物体被连接，这将创造出更大的流量，需 要更多的数据存储空间。除此之外，还存在一些挑战，如信息安全、数据管理等。但是 目前的互联网设计于20世纪70年代，那时的目的与现在的使用情景和相关的流量模式 没有什么相似之处。原设计与利用现状的不匹配现

9、在开始阻碍物联网发展的潜力。在布 莱德宣言和其他相关的支持报表中，他们都指出了这一点。因此，合理地设计一个新架 构的物联网非常有必要。重新设计一个新的架构是一个非常复杂的工程，这需要考虑的因素很多，诸如可靠 性、可扩展性、模块化、互操作性、接口、服务质量等。关于物联网架构的设计，面向 服务架构（SOA,利用互联网和与广泛的尖端技术和相关网络的接口的集成是一个关键 目标。对于这个目标，我们应该考虑迎来了一个具有充分包容性的 “边缘”的技术范围, 包括与物理世界的RFID接口，利用不断发展的对象连接数据采集技术和网络功能：感 知，定位，本地通信和安全；融合不断发展的互联网和其他技术热点。除此之外，

10、我们 也应该考虑管理、服务质量（QoS、安全、隐私和其他社会经济问题的需要。安东尼弗内斯给了我们一个关于物联网架构的建议。图3、图4分别从这项建议出图3低水平的物联网iwnjiuni dabInlEfTngWrfGale wayMetHmIiHkwmalionhtanagementWiden m comrmii胡发向我们展示了不同程度的物联网边缘技术的特点。In斷袖挪11GatewaydevksH4SIIniormitiondtanagementStnsniydjiaNehwiiHl 伽Phpial linfeiiacs zone图4包括RFID和其他边缘技术的物联网然后，他给出了他设计的物联

11、网体系架构，如图 5所示Fixetl and moble cOffimnieatKn protocolsNetwork- $upp«rte<l servicesApplicatbns lay biMiddleware layerEdge-technology data capture and Networts图5安东尼弗内斯的物联网架构这是一个很好的建议，给了我们一个物联网架构的粗略的解决方案。但仍有一些重 要问题，我们应该进一步思考仔细。首先是，如果每个对象都被连接，物物之间都可以 自行交换信息，那么在网络中的流量和存储量将会以指数的方式迅速增加。难道今天的 互联网真的能承受

12、吗？我们是否需要一个新的支柱？连接每个对象，并使它们能够独立地沟通是一个非常有吸引力的愿景，是的，我们可以想像，在未来，许多情况下一个事 物需要“谈话”到另一个事物，但是否需要一个对象真正“会谈”到其他所有对象呢？ 为什么一个牙刷需要“交谈”冰箱呢？事实上，连接的对象主要是那些在相同的物联网 应用系统中的对象。可以看出，物联网是由许多的物互联网应用系统组成。从这个角度, 我们可以看到一个全新的物联网。图 6向我们展示了这种新的观点。QT JkppiX* SyWflfn 1IQT啊 鼻pplTfflkwiS/ilm 2IOT pkalaDfi图6全新的物联网今天的互联网可能是物联网的骨干网，但也

13、可能不是或可能是其扩张。现在，物联网已经在很多方面得到应用，像 EPC全球、智能医院等工作场合，而且 似乎也运行得不错。但问题还是这些应用系统在单独地工作，虽然我在此之前提到，现 在沟通的对象主要是在同一个应用系统中的另一个对象，但是毫无疑问，未来的技术是 连接每一个应用系统，并随着物联网的增长，不同应用系统之间的沟通合作将会越来越 频繁。不过，由于全球标准的缺乏，它们可能使用不同的标准和技术，因此互操作性是 一个问题。只有当我们能够解决互操作性问题，我们可以有真正的物联网。笔者提出了 一个增加在物联网架构中增加协调层的解决方案。协调层处理来自不同应用系统的结构包，并重组它们到一个统一的结构，

14、从而能够被每一个应用系统识别和处理。当然，如 果物联网的标准完成，那么以它的标准为基础所建立的系统将不会在互操作性上存在问 题，但是这个问题会存在于已存在的系统和新部署的系统以及已存在的应用系统之间。 基于所有上述情况，给出了我们的物联网体系结构的设计方案。图7介绍了我们的物联网设计。Applicfiftion LayerLaverCacsnSniitionIwiwofkSyslemAccfis-s LayerEae Tecnn&l&gv Layg图7新的物联网架构3物联网在大学校园的应用物联网并不是一种理论，它是一门实际应用技术，会使我们的生活受益。事实上， 长期内，物联网的

15、价值存在于一些特定的应用中。具体的应用解决方案将是对物联网创 新和发展的最重要引擎之一。这也是由物联网应用所驱动的。目前，物联网在不同的领域已经有一些成功的应用， 如零售、食品、物流、运输等。 到目前为止，我们已经提及关于物联网的许多东西，但什么才是真正的物联网应用呢？ 在这里，笔者设计的高校校园设施管理应用模型，采用了物联网技术，并以此作为一个 例子，说明什么才是真正的物联网，以及它如何使我们的生活受益的。在大学校园里有许多建筑物，如教学楼、办公楼、图书馆、食堂等。几乎每一栋大 楼都有自己的供暖、通风、空调系统（HVAC和电梯系统，这些设备都需要管理和维护， 但实际上并不是很容易就能出色地完

16、成这些工作的。现在，我们可以使用物联网技术来 实现校园设施的管理。图8是在这个试点项目中，我们设计的设施管理的架构。Piyscal WldDashed ihES -CaninDi FlowIrttHTHiEHWford图8设施管理的架构我们在大楼里部署了足够多的 RFID标签，可以监控空调和电梯的行为状态，收集 信息，感知周围的环境变化，同时也可以定位。由于整个大学覆盖了WiFi信号，每幢建筑的数据采集管理器可以通过WiFi将已经收集到的数据传输到建筑设施的控制系统。 通信管理器具有物理世界与信息世界的接口功能，因此它存在于物理和信息世界中。然 后，楼宇控制系统处理这些数据，并基于处理结果作出

17、决策，例如发送配置信息返回给 RFID标签或关闭一些空调。我们可以知道这些都是自动完成的， 无需人工干预。并且通 过这种方法可以更为有效地利用好能源。此外，通过分析数据，我们可以知道设施的维 护情况，如果有潜在的问题，我们可以做一些特别行动提前以避免损害发生。4讨论物联网的工作正在进行，但仍有许多问题需要加以解决。在这一部分我们将讨论两 个关键问题：标准化与安全性和保密性。毫无疑问，对于任何一种通信技术开放标准是使它得以成功的最重要的引擎之一， 包括物联网也是如此。如果没有这样的明确和公认的标准，就像在互联网世界里的 TCP/IP协议，物联网的扩张是不可能达到全球规模的。换句话说，没有真正的全

18、球标准也就没有真正的物联网。但事实上，关于物联网技术的标准化在大部分地区仍处于起步 阶段，或者是支离破碎的。因此，需要作出不少努力，其中国际标准组织ISO欧洲电信标准协会ETS、IETF、国际电联ITU和其他有关组织的合作是非常重要和紧迫的。安全和隐私始终是一个公众最关心的问题。这就需要有一个完善的解决方案，以保 证技术上的安全和顾客的隐私，以便使物联网得到广泛的应用。回首历史，因为在一开 始互联网没有安全和隐私的需要，所以也就没有隐私和安全的设计。但是随着互联网的 发展，许多安全和隐私的问题开始出来了，然后我们只能无奈地建立补丁，似乎安全和 隐私只是一个附加功能。但明显感觉到只有强有力的安全和隐私的解决方案到位，公众 才会接受物联网。因此，从一开始我们就应该考虑设计的安全性和隐私，把其放在非常 重要的位置，建立起物联网的安全性和保密性的综合处理方法。此外，只从技术的角度 来看安全和隐私是不够的。除了