物联网体系结构的构建

摘 要：为建立物联网的体系结构，采用化整为零、分而治之的分层结构研究方法，构建了一种物联网体系结构模型。采用“化整为零、分而治之”的“分层结构”研究方法，拟提出一种物联网体系结构模型，以供参考。

关键词：物联网;网络体系结构;构建;模型

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0 引 言

物联网已经成为社会各行各业倍受推崇的新技术领域。人们都在热烈讨论如何设计实现物联网，并应用到现实社会中。物联网体系结构模型的建立直接影响着物联网的快速发展与广泛应用，先后已经提出了如SENSEI[1]、IoT-A[2]等模型，国内也提出了有关物联网体系结构的许多模型[3，4]。伴随着物联网的进一步应用发展，对物联网的内涵、属性、组成、特征又有了许多新的认识，已提出的物联网体系结构在多个方面已略显偏颇或不足，需要进一步更新、修正与完善，需要给出物联网体系结构模型及其构建的基本原则或者评价指标。物联网体系结构是目前亟需研究解决的重大问题之一。本文拟采用“化整为零、分而治之”的“分层结构”研究方法，拟提出一种物联网体系结构模型，以供参考。

1 物联网体系结构的建构原则

物联网有别于现有各种网络包括互联网。互联网主要是建构一个全球性的计算机通信网;物联网主要是以数据为中心，利用各种网络通信技术进行业务信息的传输，是智能决策与应用技术的综合展现。从不同的功能角度或模型角度建立的体系结构可能具有不同的样式和性能。一般说来，架构物联网体系结构模型应该遵循以下几条原则或者说评价标准[5]。

（1）多样性。物联网体系结构须根据服务类型、节点的不同，具有多种类型，能够平滑地与互联网实现互联互通。

（2）包容性。物联网尚在发展之中，其体系结构应能满足在时间、空间和能源方面的需求，可以集成不同的通信、传输和信息处理技术，应用于不同的领域。

（3）可扩展性。对于物联网体系的框架，应该具有一定的扩展性，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。

（4）互操作性。指不同的物联网系统可以按照约定的规则互相访问、执行任务和共享资源。

（5）安全性。指物联网系统可以保证信息的私密性，具有访问控制和抗攻击能力，具备相当好的健壮性。物物互联的安全性将比互联网的安全性更为重要。

2 物联网体系结构模型

物联网是一个形式多样、涉及社会及生活各个领域的复杂系统。尽管物联网系统结构复杂，不同应用系统的功能、规模差异较大，但其体系结构的概念与计算机网络系统的体系结构具有相似性。建立物联网体系结构主要是从各种应用需求中抽取组成系统的部件以及部件之间的组织关系。通常可以从不同角度抽取系统的组成部件及其之间的关系，比如功能角度、模型角度和处理过程角度等[6]。

借鉴计算机网络体系结构模型的研究方法，将物联网系统组成部分按照功能分解成若干层次，由下（内）层部件为上（外）层部件提供服务，上（外）层部件可以对下（内）层部件进行控制。因此，若从功能角度建构物联网体系结构，可划分为感知层、网络层和应用层3个层级。依照工程科学的观点，为使物联网系统的设计、实施与运行管理做到层次分明、功能清晰，有条不紊地实现，再将感知层细分成感知控制、数据融合两个子层;网络层细分成接入、汇聚和核心交换3个子层;应用层细分成智能处理、应用接口两个子层。考虑到物联网的一些共性功能需求，还应有贯穿各层的网络管理、服务质量和信息安全3个面。物联网体系结构模型如图1所示。

2.1 感知层

在物联网体系结构模型中，感知层位于底层，是实现物联网的基础，是联系物理世界与虚拟世界的纽带。感知层的作用相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢，主要功能是信息感知、采集与控制。感知层可分为感知控制和数据融合两个子层。

2.1.1 感知控制层

作为物联网的神经末梢，感知控制层的主要任务是实现全面感知与自动控制，即通过实现对物理世界各种参数（如环境温度、湿度、压力、气体浓度等）的采集与处理，以其需要进行行为自动控制。感知控制层的设备主要分为两大类型：

（1）自动感知设备。这类设备能够自动感知外部物理物体与物理环境信息的设备，主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、传感器、GPS，以及智能家用电器、智能测控设备、智能机器人等;

（2）人工生成信息的智能设备，包括智能手机、个人数字助理（PDA）、计算机、视频摄像头/摄像机等。

图 1 物联网体系结构模型

2.1.2 数据融合层

在许多应用场合，由单个传感器所获得的信息通常是不完整、不连续或不精确的，需要其他信息源的数据协同。数据融合子层的任务就是将不同感知节点、不同模式、不同媒质、不同时间、不同表示的数据进行相关和综合，以获得对被感知对象的更精确描述。融合处理的对象不局限于接收到的初级数据，还包括对多源数据进行不同层次抽象处理后的信息。

总体说来，感知层的功能具有泛在化的特点，能够全面采集数据信息，使物联网建立在全面感知基础之上。

2.2 网络层

网络层位于物联网体系结构的中间，为应用层提供数据传输服务，因此也可称为传输层。这是从应用系统体系结构的视域提出的，既将一个大型网络应用系统分为网络应用与传输两个部分，凡是提供数据传输服务的部分都作为“传输网”或“承载网”。按照这个设计思想，互联网包括广域网、城域网、局域网与个人区域网，以及无线通信网、移动通信网、电话交换网、广播电视网等都属于传输网范畴，并呈现出互联网、电信网与广播电视网融合化发展。最终，将主要由融合化网络通信基础设施承担起物联网数据传输任务。 网络层的主要功能是利用各种通信网络，实现感知数据和控制信息的双向传递。物联网需要大规模的信息交互及无线传输，可以借助现有通信网设施，根据物联网特性加以优化和改造，承载各种信息的传输;也可开发利用一些新的网络技术，例如软件定义网络（SDN）承载物联网数据通信。因此，网络层的核心组成是传输网，由传输网承担感知层与应用层之间的数据通信任务。鉴于物联网的网络规模、传输技术的差异性，将网络层分为接入、汇聚和核心交换3个子层。

2.2.1 接入层

接入层是指直接面向用户连接或访问物联网的组成部分。接入层的主要任务是把感知层获取的数据信息通过各种网络技术进行汇总，将大范围内的信息整合到一起，以供传输与交换。接入层的重点是强调接入方式，一般由基站节点或汇聚节点（Sink）和接入网关（Access Gateway）等组成，完成末梢各节点的组网控制，或完成向末梢节点下发控制信息的转发等功能。

2.2.2 汇聚层

将位于接入层和核心交换层之间的部分称为汇聚层。该层是区域性网络的信息汇聚点，为接入层提供数据汇聚、传输、管理、分发。汇聚层应能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心交换层的上行链路。同时，汇聚层也可以提供接入层虚拟网之间的互连，控制和限制接入层对核心交换层的访问，保证核心交换层的安全。

汇聚层的具体功能是：

汇集接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚、转发与交换;根据接入层的用户流量进行本地路由、包过滤和排序、流量均衡与整形、地址转换，以及安全控制等;根据处理结果把用户流量转发到核心交换层，或者在本地重新路由;在VLAN之间进行路由以及其他工作组所支持的功能;定义组播域和广播域等。

一般说来，用户访问控制设置在接入层，也可以安排在汇聚层。在汇聚层实现安全控制、身份认证时，采用集中式管理模式。

2.2.3 核心交换层

核心交换层主要为物联网提供高速、安全、具有服务质量保障力的通信环境。一般将网络主干部分划归为核心交换层，主要目的是通过高速转发交换，提供优化、可靠的骨干传输网络结构。传感网与移动通信技术、互联网技术相融合，完成物联网层与层之间的通信，实现广泛的互联功能。

2.3 应用层

物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供不同类型的特定服务，主要功能是解决数据处理和人机交互问题。网络层传送过来的数据在这一层进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人机交互。应用层按功能可划分为智能处理、应用接口两个子层。

2.3.1 智能处理层

以数据为中心的物联网的核心功能是对感知数据的智能处理，它包括对感知数据的存储、查询、分析、挖掘、理解，以及基于感知数据的决策和行为控制。物联网的价值主要体现在对于海量数据的智能处理与智能决策水平上。智能处理利用云计算、数据挖掘、中间件等实现感知数据的语义理解、推理、决策。智能处理层对下层网络层的网络资源进行认知，进而达到自适应传输的目的。对上层的应用接口层提供统一的接口与虚拟化支撑。虚拟化包括计算虚拟化和存储资源虚拟化等。智能决策支持系统是由模型库、数据仓库、联机分析处理（OLAP）、数据挖掘及交互接口集成在一起的。

2.3.2 应用接口层

物联网应用涉及面广，涵盖业务需求多，其运营模式、应用系统、技术标准、信息需求、产品形态均不相同，需要统一规划和设计应用系统的业务体系结构，才能满足物联网全面实时感知、多业务目标、异构技术融合的需要。应用接口层的主要任务就是将智能处理层提供的数据信息，按照业务应用需求，采用软件工程方法，完成服务发现和服务呈现，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。

应用接口层是物联网与用户（包括组织机构、应用系统、人及物品）的能力调用接口，包括物联网运营管理平台、行业应用接口、系统集成、专家系统等，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通。除此之外，应用接口层还可以包括各类用户设备（如PC、手机）、客户端、浏览器等，以实现物联网的智能应用。

应用层是物联网发展的体现。目前，物联网的应用领域主要为：绿色农业、工业监控、公共交通、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等行业。在这些应用领域均已有成功的尝试，某些行业已经积累了很好的应用案例。物联网应用系统的特点是多样化、规模化和行业化，为了保证应用接口层有条不紊地交换数据，需要制订有一系列的信息交互协议。应用接口层的协议一般由语法、语义与时序组成。语法规定智能处理过程的数据与控制信息的结构及格式;语义规定需要发出什么样的控制信息，以及完成的动作与响应;时序规定事件实现的顺序;对不同的物联网应用系统制订不同的应用接口层协议[4]。例如，智能电网的应用接口层的协议与智能交通应用接口层的协议不可能相同。通过应用层接口协议实现物联网的智能服务。

2.4 支持物联网共性需求的功能面

物联网体系结构还应包括贯穿各层的网络管理、服务质量（QoS）、信息安全等共性需求的功能面，为用户提供各种具体的应用支持。

2.4.1 网络管理

网络管理是指通过某种方式对网络进行管理，使网络能正常高效地运行。国际标准化组织（ISO）为网络管理定义了5个功能：配置管理、性能管理、记账管理、故障管理和安全管理。它认为，开放系统互连管理是指这样一些功能，它们控制、协调、监视OSI环境下的一些资源，这些资源保证OSI环境下的通信。

2.4.2 服务质量

物联网传输的信息既包含海量感知信息，又包括反馈的控制信息;既包括对安全性、可靠性要求很高的多媒体信息，也包括对安全性、可靠性与实时性要求很高的控制指令。网络资源总是有限的，只要存在网络资源的竞争使用，就会有QoS要求。QoS是相对网络业务而言的，在保证某类业务服务质量的同时，可能是在损害其它业务的服务质量。例如，在网络总带宽固定的情况下，若某类业务占用带宽较多，其他业务能使用的带宽就会减少。因此，需根据业务的特点对网络资源进行合理规划、分配，使得网络资源得到高效利用。可以说，物联网对数据传输的QoS要求比互联网更复杂，需贯穿于物联网体系结构的各个层级，通过协同工作的方式予以保障。 2.4.3 信息安全

物联网场景中的实体均具有一定的感知、计算和执行能力，这些感知设备将会对网络基础设施、社会和个人信息安全构成安全威胁。就传感网而言，其感知节点大都部署在无人监控的环境，具有能力脆弱、资源受限等特点。由于物联网是在现有网络基础上扩展了传感网和应用平台，互联网的安全措施已不足以提供可靠的安全保障，使得安全问题更具特殊性。物联网信息安全包括物理安全、信息采集安全、信息传输安全和信息处理安全，目标是确保信息的机密性、完整性、真实性和网络的容错性。因此，信息安全需要贯穿在物联网体系结构的各个层级。

3 结 语

从以上对物联网体系结构和建构方法的讨论可知，体系结构是影响物联网发展应用的关键因素，也是亟待研究解决的重大问题之一。本文基于工程学观点，依据物联网系统的应用需求，给出了物联网体系结构的构建原则。然后抽取组成系统的部件以及部件之间的组织关系，提出了一种物联网体系结构模型。认为物联网体系结构应由感知层、网络层和应用层3个层级，以及贯穿各个层级的网络管理、服务质量、信息安全等共性需求功能面组成。

参考文献

[1] Presser M.The SENSEI project：Integrating the physical world with the gigital world of the network of the network of the future[J].Global Communications newsletter，2009，47（4）：1-4.

[2] Walewski J W.Initial architectural reference model for IOT[C].EU FP7 Project，Deliverable Report：d1.2，2011.

[3]刘化君.物联网的体系结构研究[J].中国新通信，2010（5）：17-21.

[4]吴功宜，吴英.物联网工程导论[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5]刘化君.物联网技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6]陈海明.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013（1）：168-186.