物联网安全和体系结构研究

1、物联网的技术体系框架 姓名：张坤 学号：2111305102 专业：软件工程 摘要：构建物联网设计与实现的统一方法是目前物联网研究领域亟待解决的问题之一.物联网体系结构是设计与实现物联网系统的首要基础. 物联网是一项网络化的信息技术,它对于网络的发展有着重要的影响和作用。加强和研究物联网的相关理论和知识是本世纪面临着重要问题。本文从物联网的相关知识出发,结合信息化体系的建设,从而分析了关于物联网体系结构与技术的相关问题,关键字：物联网；传感器；rfid；体系结构引言让我们试想以下情景：冰箱可以根据存放的物品自动调节温度；电饭煲会在我们下班到家的时候刚好把香喷喷的米饭煮好；下班时汽车会打开自动空

2、调；汽车在司机出现操作失误时会自动报警；甚至下雨的时候家里的窗户会自己关上这一切，只有在科幻电影里才会出现的境头真实地发生在我们身边，我们的生活会是怎样的呢？而这一切，在物联网时代都将变成现实。不久的将来，因为物联网的发展，我们的生活会变得更加的“智慧”。如今，或许对一部分人来说，物联网还是一个比较新潮的概念，甚至大部分人还未曾听说过这一名词，但是，物联网已被公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，未来物联网将会以惊人的速度渗透进我们的生活。而它的安全问题也是继互联网安全之后的又一大难题，如何构建和优化它的结构更好地服务于人类社会也是一个全新的世界性的课题。1.物联网

3、概述1.1物联网的概念那么究竟什么是物联网呢？物联网the internet of things，顾名思义，就是把物品用互联网络连接起来。物联网这个概念，在中国早在1999年就提出来了。当时叫传感网。目前关于物联网的比较权威的定义是：通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就是“物物相连的网”包括两层意思：首先，物联网的核心和基础是互联网，都需要信息技术，物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其次，其用户端延伸和扩展到了任何人与物、物与物

4、之间，进行信息交换和交流。1.1物联网的发展历程其实，物联网的实践最早可以追溯到1990年，当时施乐公司发明了一种网络可乐贩售机networked coke machine。而“物联网”这一概念的提出却在1999年， mit auto-id center提出物联网概念。2004年日本和韩国先后推出了基于物联网的国家信息化战略。2005年11月 在突尼斯举行的信息社会世界峰会（wsis）上，国际电信联盟（itu）发布了itu互联网报告2005：物联网，报告指出，“物联网”通信时代即将来临。2008年11月 ibm提出“智慧的地球”概念， 之后的2009年6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，明确

5、表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。在我国，2010年温家宝总理在政府工作报告中提出：“加快物联网的研发应用，加大对战略性新兴产业的投入和战略支持。”1.2物联网研究现状在国外，美国加州大学cens、wins等实验室及麻省理工学院在无线传感网络方面的研究遥遥领先；奥本大学在自组织传感网络方面有独特的研究；同时宾汉顿在学在移动自组织网络协议、传感网络系统的应用层设计方面做了很多研究工作。而其它如美国州立克利夫兰大学、新加坡国立大学等很多都在无线传感网络方面有着深入的研究。在国内，各机构在传感网络硬件节点、无线传感网络软件及物联网的理论方面都有研究

6、。物别是在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。1.3物联网的原理物联网是在计算机互联网的基础上，利用rfid、无线数据通信等技术，构造一个物物相连的“internet”世界。在这个“internet”世界中，物品能够在无人干预的情况下彼此进行“信息的交流”，物联网的原理实质是利用射频自动识别（rfid）技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。一般来讲，物联网的开展步骤主要如下：（1）对物体rfid标签进行标识；（2）读取rfid标签信息；（3）将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，由处理中心完成物体通信的相关计

7、算和发布相关指令。2.物联网体系结构物联网是以感知与应用为目的的物物互联系统，涉及传感器、rfid、安全、网络、通信、信息处理、服务技术、标识、定位、同步、等众多技术领域。物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通，物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。作为一种形式多样的聚合性复杂系统，物联网涉及了信息技术自上而下的每一个层面，对它的体系结构划分有比较多的争议，人们普遍认同的体系架构一般可分为以下三层：（如图1所示）n 感知层（二维码、rfid、传感器为主，是物联网的识别系统）n 网络层（互联网、广电网络、通信网络的融合，是物联网的传输系统）n 应用层（云计算、

8、数据挖掘、中间件等，是物联网的智能处理系统）应用层人机交互：pc、手机、显示屏、交通灯、音响等集成电路技术软件技术感知层数据短距离传输：rfid、条码、蓝牙、红外、wifi、工业现场总线等数据采集：传感器等仪器仪表、数码相机、摄像头等硬件制造技术等程序开发、知识发现等技术短距离通信、组网技术等检测技术等网络层数据长距离传输：移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等长距离通信技术、网络技术等数据处理：安全保卫、交通管理、家庭娱乐、电力监测、理境保护、生产过程控制等图1 物联网结构及各层技术图以人为对比，这三层的关系可以这样理解：感知层相当于人体的皮肤和五官；网络层相当于人体的神

9、经中枢和大脑；应用层相当于人的社会分工。在各层之间，信息不是单向传递的，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。下面分别介绍这三层：2.1感知层物联网的感知层较之于传统网络层网络范围更广，传统网络仅仅包括人与人之间的通讯，而物联网的范围不仅包括人与人，还包括人与物，物与物（有相应的信息接收器和发送器、数据传输通路、数据处理芯片、操作系统、存储空间等，遵循物联网的通信协议，在物联网中有可被识别的标识的物品）。感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最

10、基本一层，感知层具有十分重要的作用。感知层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。主要技术包括以下几种。（1）传感器技术传感器是摄取信息的关键器件，它是物联网中不可缺少的信息采集手段。传感器是一种检测和信息采集装置，能感受到被测的信息，并将信息转换成电脑系统能识别的信息形式。 如压力传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、磁性传感器等。（2）rfid 技术 前面我们已经提到，rfid 是射频识别（radio frequency identification）的英文缩写，作为一种自动识别技术，兴起于上世纪90年代， rfid 既可以看做是一种设备标识技术，也可以归类为短距离传输技

11、术。它是物联网中非常重要的，能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，每一个物都配备一张rfid标签，rfid标签中存储着“物”的信息，通过无线数据通信网络把它们采集到超级计算机系统，实现物品的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的管理与控制。每个rfid芯片中都有一个全球唯一的编码：在为物品贴上rfid标签后，需要在系统服务器中建立该物品的相关描述信息，与rfid编码相对应。用户可以使用阅读器向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，而标签中的rfid编码被传输回阅读器，阅读器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品信息。而rfid标签又分为有源和无源

12、两种，有源标签工作时与阅读器距离可以达到10m以上，成本较高，而无源标签工作时与阅读器的距离在1m左右。（3）二维码技术 二维码（2-dimensional bar code）技术，利用构成计算机内部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示数值信息，二维码是物联网中物的身份证，它是在二维空间水平和竖直方向存储信息，优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好，即使某个部分遭到一定程度的损坏，也可以通过存在于其他位置的纠错码将损失的信息还原出来。（4）zigbeezigbee是一种无线传输技术，具有短距离、低功耗的显著特点。同时，它

13、是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术。zigbee采用分组交换和跳频技术，可使用3个频段，分别是2.4ghz的公共通用频段、欧洲的868mhz频段和美国的915mhz频段。它主要应用在短距离且数据传输速率不高的各种电子设备之间，与蓝牙相比，它更简单、速率更慢、功率及费用也更低，因此它只适合承载低速率、通信范围较小、数据量较小的业务。（5）蓝牙蓝牙也是一种无线数据与话音通信技术，和zigbee一样，也是一种短距离的无线传输技术。它采用高速跳频和时分多址等先进技术，支持点对点及点对多点通信。其传输频段为全球公共通用的2.4ghz频段，能提供1mbit/s的传输速率和10m的传输距离。它除了具有和

14、zigbee一样，可以全球通用、功有耗低、成本低、抗干扰能力强等特点外，还有可同时传输话音和数据、可建立临时性的对等连接、开放的接口标准等特点。我们日常生活中所使用的手机，笔记本电脑已普遍集成了蓝牙模块。2.2网络层物联网作为一个网络，其发展是基于其他网络的发展的基础上的，特别是三网融合中的三网（电信网、广播电视网、互联网），还包括通信网、卫星网、行业专网等。网络层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到应用层，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的技术。物联网的网

15、络层的主要技术包括internet技术、移动通信网技术、无线传感器网络技术等。internet技术也就是我们常见的互联网技术，是把分布于世界各地不同结构的计算机网络用各种传输介质互相连接起来的成为一个网络的技术。移动通信就是通信双方至少有一方在运动状态中进行信息交换，它包括移动用户之间的通信、固定用户与移动用户的通信。无线传感器网络主要由节点、网关和软件三部分组成。空间分布的测量节点通过与传感器连接对周围环境进行监控。监测到的数据无线发送至网关，网关可以与有线系统相连接，这样就能使用软件对数据进行采集、加工、分析和显示。路由器是一种特别的测量节点，你可以使用它在wsn中延长距离以及增加可靠性。

16、2.3应用层 一项技术，能应用到生活中，并能为人类带来便利才是我们研究的最终目的，物联网技术同样也是如此，应用是物联网发展的驱动力和目的。物联网最终目的是通过物物相连最终能将信息更好地利用，有学者认为，物联网本身其实就是是一种基于网络技术的应用，所以说，应用层是联网架构中的关键结构。应用层主要包括服务支撑层和应用子集层。服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据，形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库；应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务，到这一层才最终的实现了物联网的功能。下面介绍一下应用层的主要技术：（1）m2m m

17、2m是machine-to-machine（机器对机器）的缩写，有时候也被解释为man-to-machine（人对机器）。物联网就是物与物的相连，m2m就是物联网的第一步，它将多种不同类型的通信技术有机地结合在一起，将数据从一台终端传送到另一台终端。（2）云计算 云计算（cloud computing）通过共享基础资源（硬件、平台、软件）的方法，将巨大的系统池连接在一起以提供各种it 服务，这样企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来租赁计算力等资源。云计算意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。用户可以在多种场合，利用各类终端，通过互联网接入云计算平台来共享资源。 （3）人工智能 人工智能（artificial intelligence）是使人类的智能得以