物联网的体系结构的分析与研究

何丰如

（广东理工职业学院工程技术系，广东，广州，510091）

【摘要】： 在对现有物联网技术进行分析的基础上，讨论了物联网与互联网（Internet）、网络化物流系统（Cyber-Physical Systems，CPS）、无线传感网络(WSN)等相关技术之间的关系。根据对物联网系统组成结构的分析和讨论，提出了物联网体系结构的层次概念模型，分析了每一层的功能和作用，同时阐明了物联网与传统互联网的关系与区别。

【关键词】： 物联网；网络化物理系统；传感器网络；网络体系结构

【中图分类号】：TP393        【文献标识码】：A 

Analysis and Research on the Architecture of Internet of Things

HE Feng-ru  

(The Department of Engineering and Technology of Guangdong Polytechnic Institute, Guangzhou, 510091, China )

Abstract： Based on analyzing existing Internet of Things(IOT) technology, the relationship between the technologies related to Internet of Things and Internet, Cyber-Physical System(CPS), Wireless Sensor Network(WSN) and so on has been discussed. According to analyzing and discussing the system composition of Internet of Things, the layering concept model of network architecture for Internet of Things has been presented. The functions and effects of every layer have been analyzed, and the relationship and difference between Internet of Things and traditional Internet has been clarified at one time.     

Keyword:  Internet of Things（IOT）; Cyber-Physical System（CPS）; Sensor Network;  Network Architecture.     

1. 引言

物联网（The Internet of things，IOT）将人类生存的物理世界网络化和信息化，将分离的物理世界和现实世界的任何物体进行互联，并与信息空间进行互联整合，按照人们的需求进行处理并及时反馈处理结果，代表着下一代网络的发展趋势，已成为当前的一项热点技术。目前，IOT及其相关技术已经引起国内外学术界和工业界的高度重视，并展开了一系列的研究和探讨工作[1-5]，社会各界在较短的时间内对IOT技术产生了极大的关注。IOT的用途十分广泛，遍及智能交通、环境保护、工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、灾害监测、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等众多领域。

但是无论是国内还是国外，IOT的研究和开发尚处于起步阶段，有关物联网的定位和特征还存在一些混乱的概念，IOT的体系结构和系统模型尚未形成，IOT技术的研究和开发还存在一定的盲目性，对于IOT的准确定义、基本原理、体系结构和系统模型等各方面还存在许多值得思考和探讨的问题。因此通过探索IOT的核心技术和关键理论问题，发展具有自主知识产权的IOT技术，推动我国在该领域的跨越式发展，具有十分重要的意义。本文在对现有IOT技术分析的基础上，通过对IOT系统的组成结构进行分析和讨论，来展开对IOT体系结构的层次概念模型的分析，以期获得IOT体系结构的全貌。

2. 物联网技术概述

2.1 物联网的定义

按照国际电信联盟（ITU）的定义[4]，物联网（IOT）主要是解决物品到物品（Thing to Thing，T2T），之间的互联。通过IOT，可以实现人对人，人对物以及物对物的互联互通，在方式上可以是点对点，也可以是点对面或面对点，它们通过适当的网络平台，可以获取、传递和处理相应的信息或进行相应的控制。即IOT要解决的是传统互联网没有考虑的、对于任何物品之间的互联问题。

由于IOT技术还处在一个探索的过程中，其理论体系尚未建立，对IOT的认识和研究还不够深入；其次是由于IOT与互联网、移动通信网、传感网、实时定位系统等都有密切的联系，不同领域的研究者对IOT的思考和出发点都不同，短期内还难以形成共识，因此，对IOT还没有一个公认的精确定义。但是目前对IOT有一个为业界基本接受的解释或定义，现简单表述如下：

物联网（IOT）是通过各种信息传感设备及系统（如传感器网络、射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）、红外感应器、条码与二维码、全球定位系统、激光扫描器等）和其它基于物-物通信模式的短距离无线传感网络，按约定的协议，把任何物体通过各种接入网与互联网连接起来所形成一个巨大的智能网络，通过这一网络可以进行信息交换、传递和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

上述定义同时说明了IOT的技术组成和联网目的，如果说互联网可以实现人与人之间的交流，那么IOT则可以实现人与物、物与物之间的联通。按照这一定义IOT的概念模型可以如图1所示。

图1  物联网（IOT）的概念模型

IOT的字面含义就是“物-物相连的互联网”。这里有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。IOT就是将我们生活中的各类物品和它们的属性标识后连接到一张巨大的互联网上，这使得原来只是人与人交互的互联网升级为连接世界万物的物联网（IOT）了，通过IOT，人们可以获得任何物品的信息，而对这些信息的提取、处理并合理运用将使人类的生产和生活产生巨大的变革。

这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“IOT”的范围：一、要有相应物品信息的接收器；二、要有数据传输通路；三、要有一定的存储功能；四、要有CPU；五、要有操作系统；六、要有专门的应用程序；七、要有数据发送器；八、必须有遵循物联网的通信协议；九、必须有在网络中有可被识别的唯一编号。 

2.2 物联网的相关技术

2.2.1  CPS

通常人们将利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统（Cyber-Physical System， CPS）或深度嵌入式系统（Deeply embedded System），也有人称为物理设备联网系统。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，来实现物理世界和信息世界的相互作用，提供实时感知、动态控制和信息反馈等服务。CPS的设计、购置、测试和维护难度较大、成本较高，通常涉及到很多联网软件和硬件，以及在多个子系统环境下的精细化集成。在监测和控制复杂的、快速动作的物理系统（如医疗设备、武器系统、配电设施等）运行时，CPS在严格的计算能力、内存、功耗、速度、重量和成本的约束下，必须能够可靠和实时的操作，而且在外部攻击和打击下必须能够继续正常工作。这种融合信息世界和物理世界的技术一般具备以下特征：

（1）CPS是信息领域的网络化技术、信息化技术，与物理系统中的控制技术、自动化技术的融合。CPS可以使原来完全分隔的信息世界和现实的物理世界相关联，使得现实的物理世界和虚拟的信息世界连接，通过和虚拟的信息世界的交互，优化物理世界的物体传递、操作和控制，构成一个高效、智能、环保的物理世界。CPS通过传感和通信技术将现实世界和信息虚拟世界一一对应起来。信息世界可以控制物理世界的事物和环境，同样，物理世界也可以影响信息世界的事物和环境。IOT强调的是网络的连通作用，而CPS强调的是网络的虚拟作用。

（2）材料技术与信息技术融合构成的信息材料技术本身就是一种CPS技术，它是最基本的网络化世界与物理世界连接的技术。

（3）为了将网络世界和物理世界连接，CPS必须将现有的、处理离散事件的、不关心时间和空间参数的计算技术和现有的、处理连续过程的、注重时间和空间参数的控制技术融合起来，使得网络世界可以采集物理世界与时间和空间相关的信息对物理装置（即物体）进行操作和控制。

（4）CPS系统中的计算技术主要是嵌入式系统，而且不是传统的封闭型嵌入式系统，而是需要通过网络和其它信息系统进行互联和互操作的开放型嵌入式系统，这就需要提供标准的网络访问接口和交互协议、标准的计算平台和服务调用接口、标准的计算环境和管理界面。

（5）CPS技术和产品必须成为高可靠的、行为确定的产品，即CPS技术所要求的是一种可靠和确定的嵌入式系统。因此，IOT的开发和研究应该从CPS入手和深入。

2.2.2  CPS与IOT的关系和区别

（1）CPS与IOT的关系

就定义而言，IOT与CPS有许多相同点，它们都需要感知技术、计算技术、信息的传递与交互技术；两者的目的都是增加信息世界与物理世界的联系，使计算能力能更有效地服务于现实应用。但它们也有明显的区分。IOT强调全球联通的概念，将世界万物连接在一起，强调的是网络的联通作用；CPS更强调循环反馈的概念，要求这个系统能够在感知物理世界之后，通过通信与计算再对物理世界起到反馈控制作用，所强调的是通过网络实现的反馈和控制作用。例如：通过网络查询快递的物流信息就是一项简单的IOT的应用；而农田的自适应灌溉系统则属于CPS的范畴。

（2）CPS与IOT的区别

根据CPS与IOT各自的应用领域的不同，可以发现CPS与IOT有以下应用属性方面的区别：

●标识信息：IOT的应用领域多基于对物体的标识和传感信息的记录，然后通过对此类信息的查询与追溯来实现IOT的应用。而CPS没有记录所有标识和传感信息的要求。

●闭环机制：在CPS的应用领域中，系统根据传感到的信息进行计算并利用控制能力与现实世界相互作用。而IOT没有虚拟世界与现实世界相互反馈的闭环机制的要求。

●人为参与度：IOT是规模化的信息整合，一般还需要人的参与和干预。而CPS大多数已经是一个闭环系统，能够自适应调整，几乎无需人工参与。

根据上述属性，即使在相交的应用领域中，IOT与CPS也常常根据它们的特有属性而应用于不同的方向。以智能交通为例，我国部分城市开始试行的公交手机一卡通，用手机来支付无人售票的交通费。这一应用只是感应手机的ID号与网络中的信息匹配，并从中扣取费用，不产生对现实世界的控制。因此这项应用以及诸如公交行业的无线视频监视平台、智能公交站台、电子票务、车管专家等都属于IOT范畴。而智能红绿灯通过传感当前十字路口的车流量并与周围十字路口交换信息，自适应调节红绿灯的转换时间，从而确保十字路口有最佳和最合理的交通流量，是CPS在智能交通中的典型应用。

2.2.3 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是将逻辑信息世界和客观的物理世界互联的重要途径，也是实现IOT的核心技术之一。传统的WSN只具有感知监测场景中简单标量数据（如温度、湿度、光强、声强等）的能力。这些数据的信息含量较少，节点传输速率较低，应用的灵活性较差。而人类感知外界信息的90%以上来自于视觉和听觉。监测环境的复杂多变使得人们已不再满足于温度、湿度、光强和声强等简单数值对场景的感知，迫切需要将信息量丰富的音视频等媒体引入到以无线传感网络为基础的环境监测活动中来，实现精确的物理环境感知。因此最近出现了一种由执行多种媒体类型传感任务的节点组成的网络，称为无线多媒体传感器网络（Wireless Multimedia Sensor Network，WMSN）[6-7]。WMSN是近几年来出现的技术，它对于不同类型的媒体具有不同的感知和处理能力。它们之间的协同使得WMSN的功能更加强大。WMSN关注环境的声音和图像等复杂数据的采集、处理、传输、融合和再现，引入最为直观丰富的可听和可视媒体信息，使得检测活动更加全面有效。但是无论是传统的WSN还是WMSN，它们的功能仅仅是采集和传递数据，并没有涉及到IOT中的核心控制技术，也不具备CPS所要求的高可靠性。因此WSN不是IOT，更不是CPS，它们只是IOT中的一个感知物体的一个结构层次（见下节），其相关技术在一定程度上可以支撑IOT的开发。

由于IOT的应用正逐渐渗透到我们生活中的各个方面，尤其在环境检测、紧急救援、公共安全、智能交通、战场监测等物理环境复杂多变的领域中，人们希望传感网络能够感知更多更直观更完整的多媒体信息，以便使目标识别更为精确，因此WSN技术在IOT中将起到十分关键和重要的作用。但WSN要做到实用还面临着一系列有待解决的问题，如大规模可用性、流媒体可靠传输、多媒体服务效率网内多媒体信息的高效处理以及节点优化设计等问题。

3. 物联网的体系结构

3.1  现有IOT的体系结构

在建立IOT应用系统的同时，很多文献对IOT的体系结构进行过讨论[8-11]，主要有：

（1）物品万维网（Web of Things，WOT）

物品万维网（Web of Things，WOT）的体系结构[8]定义了一种面向应用的IOT，即将万维网嵌入到系统中，采用简单的万维网服务形式来使用IOT。这是一个以用户为中心的IOT体系结构，可用来简化IOT的信息发布和获取。

（2）自主体系结构

IOT的自主体系结构[9]是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。该结构采用一种以自主件（selfware）为核心的所谓自主通信技术。自主件出现在端到端层次及中间节点，执行网络控制面已知的或新出现的任务，自主件可确保通信系统的可进化特性。IOT的自主体系结构包括了数据面、控制面、知识面和管理面几个层次。

此外还有物流仓储IOT应用所依赖的产品电子代码（EPC）网络等[10-11]。

3.2  建议的IOT体系结构

如前所述，IOT是一种十分复杂的、形式多样的系统技术应用，按照前面讨论的IOT的定义及其组成概念模型，我们认为，应该将IOT的技术体系按照4个层次建立其体系结构模型，如图2所示。在这个模型中，IOT的体系结构模型主要体现在感知层、传输层、支撑层和应用层4个层次上。下面简要介绍这4个层次的功能和作用。

图2  IOT的体系结构模型

3.2.1 感知层

感知层包括各种信息传感设备和智能感知系统，如前所述的各种传统的无线传感器网络（WSN）、无线多媒体传感器网络（WMSN）、射频识别（RFID）全球定位系统（GPS）等。感知层的这些设备采用了各种发展成熟度差异性很大的技术，如在物流管理方面得到大量应用的射频识别（RFID）技术和新兴的无线多媒体传感器网络（WMSN）技术。

传感器网络的感知主要通过各种类型的传感器对物体的物质属性、环境状态、行为态势等静、动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，通常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线或实时计算，并与网络中的其它单元共享资源进行交互与信息传输。甚至可以通过执行器对感知结果做出反应，对整个过程进行智能控制。由于在传输层采用了第二代互联网（IPv6）技术，具有2128的地址空间，因此，完全有能力为任何一个个物体赋予一个IP地址，已方便对物品的跟踪、查询、监控和处理 。

在感知层，主要采用的设备是装备了各种类型传感器（或执行器）的传感网节点和其它短距离组网设备（如路由节点设备、汇聚节点设备等）。一般这类设备的计算能力都有限，主要的功能和作用是完成信息采集和信号处理的工作，这类设备中多采用嵌入式系统软件与之适应。由于需要感知的地理范围和空间范围比较大，包含的信息也比较多，该层中的设备还需要通过自组织网络技术，以协同工作的方式组成一个自组织的多节点网络进行数据传递。感知层的数据量（如自组网协议）约为MB量级，而数据处理能力在10MIPS级。

3.2.2  传输层

传输层的主要功能是直接通过现有互联网（IPv4/IPv6网络）、移动通信网（如：GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。传输层主要利用了现有的各种网络通信技术，实现对信息的传输功能。

在传输层主要采用了能够接入各种异构网的设备，例如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等等。由于这些设备具有较强的硬件支撑能力，因此可以采用相对复杂的软件协议进行设计。其功能主要包括：网络接入、网络管理和网络安全等等。目前的接入设备多为传感网与公共通信网（如：有线互联网、无线互联网、GSM网、TD-SCDMA网、卫星网等等）的联通。在传输网这一层次中，网络接入的数据量约为TB（1012字节）级，处理能力在103MIPS级。

3.2.3  支撑层

支撑层主要是在高性能网络计算环境下，将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互联互通的大型智能网络，为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台。例如，通过能力超强的超级计算中心以及存储器集群系统（如云计算平台、高性能并行计算平台等）和各种智能信息处理技术，对网络内的海量信息进行实时的高速处理，对数据进行智能化挖掘、管理、控制与存储。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术、海量存储与数据挖掘技术、数据管理与控制等多种现代计算机技术。

在支撑层主要的系统设备包括：大型计算机群、海量网络存储设备、云计算设备等等。在这一层次上需要采用高性能计算技术及大规模的高速并行计算机群、对获取的海量信息进行实时的控制和管理；以便实现智能化信息处理、信息融合、数据挖掘、态势分析、预测计算、地理信息系统计算以及海量数据存储等，同时为上层应用提供一个良好的用户接口。这种后端应用的数据量一般可以达到PB（1015字节）级，处理能力在109级别，是计算和处理速度最快的一层。

3.2.4  应用层

在应用层，包括各类用户界面显示设备以及其它管理设备等。这也是IOT体系结构的最高层。应用层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务。如：智能交通系统、环境监测系统、远程医疗系统、专家系统等。

为了更好地提供准确的信息服务，在应用层必须结合不同行业的专业知识和业务模型，同时需要集成和整合各种各样的用户应用需求并结合行业应用模型（如水灾预测、环境污染预测等），构建面向行业实际应用的综合管理平台，以便完成更加精细和准确的智能化信息管理。例如，当对自然灾害、环境污染等进行检测和预警时，需要相关生态、环保等各种学科领域的专门知识和行业专家的经验。

在应用层建立的诸如各种面向生态环境、自然灾害监测、智能交通、文物保护、文化传播、远程医疗、健康监护、智能社区等应用平台，一般以综合管理中心的形式出现，并可按照业务分解为多个子业务中心。

3.3  IOT的其它相关设备

在IOT应用中值得一提的还有各类智能终端，包括可以手持和佩戴的移动终端；可以配备在移动的车、船、飞机等海陆空交通工具上的终端等等。它们可以根据实际应用需要出现在各个层次上，作为多层次的系统设备和网络系统进行实时的信息交互。例如，车载终端可以直接与信息感知节点（如布置在道路上的信息采集和发送设备）交互信息，也可以从应用层的管理中心接收指令或接收上层信息，并可通过这些便携式智能设备直接查询感知节点中的数据，也可以接受管理中心发来的其它服务信息。总之，智能终端是一类灵活多样的智能设备。随着越来越多的多媒体智能终端设备和手机设备的介入，智能终端具有极大的发展潜力和应用前景。

目前，IOT各层次间的技术发展水平并不均衡。例如在传输层使用的互联网技术，经过几十年的发展，其信息传输手段和信息传输能力都得到了飞速的提升，传输技术实现了跨越式的发展，传输技术日趋成熟。而在支撑层的高性能计算技术方面也取得了很大的成就，目前已经进入万亿次的计算行列，计算速度和计算能力已经达到了前所未有的地步。但是在感知层的技术却在未来还存在巨大的发展空间。一方面，由于感知节点是构成传感网的不可缺少的基本单元，未来传感网中节点的规模将非常庞大；另一方面，由于物理世界需要感知的内容及其丰富，未来应用的需求多样性也很强。这些因素给准确、智能的信息感知和可靠实时的信息传递带来了极大的挑战，对感知节点设备的设计、性能和成本等都提出了很高的要求。

4. 物联网与互联网的关系和区别

4.1  IOT与下一代互联网的关系

按照ITU物联网研究组的结论[3]，IOT的核心技术包括：普适网络、下一代互联网和普适计算。这里的普适网络指的是无处不在的、普遍存在的网络；普适计算是指无处不在的、普遍存在的计算。传统意义上的下一代互联网是指可以在任何时间、任何地点、以任何方式提供多种信息访问和管理服务的网络，它所侧重的是为人提供方便的信息服务，所以从网络服务角度看，这种传统意义上的下一代网络只能称为信息网络，还局限于传统互联网的范畴，所强调的是人与人之间的信息交互。而IOT则更强调的是物-物互联，因此，IOT可以通过现有的IPv6网络平台，在任何时间、任何地点对任意物体实现互联，从根本上扩展了传统意义上互联网的业务范畴。目前已经实现的多种物品的互联网络（如：手机互联、移动装置互联、汽车互联、传感器互联等等）都揭示了下一代互联网在“互联任何物品”方面的发展趋势。

4.2  IOT的体系结构与传统TCP/IP网络（IPv4/IPv6）的比较

我们知道传统互联网（IPv4/IPv6）也是四层的体系结构。下面图3是IOT与传统互联网体系结构的对比。从图中可以看出，TCP/IP网络的网络接口层和网络层对应于IOT的感知层，TCP/IP的传输层和IOT的传输层对应。而TCP/IP的应用层则对应于IOT的支撑层和应用层。和层次型体系结构的基本原则类似，IOT体系结构中的各层也是相对，各层完成一定的功能，只是IOT各层所涉及的范围比传统互联网涉及的范围更广，应用的领域更多。

图3  IOT与传统互联网体系结构的比较

4.3  IOT与互联网的区别

IOT与传统互联网的主要区别表现为以下几个方面：

（1）不同应用领域的专用性

不同应用领域的IOT具有完成不同的网络应用需求和服务质量要求。例如汽车电子领域的IOT不同于医疗卫生领域的IOT；医疗卫生领域的IOT又不同于环境监测领域的IOT；环境监测领域的IOT不同于仓储物流领域的IOT；仓储物流领域的IOT又不同于楼宇监控楼宇的IOT；等等。因为IOT的节点大都是资源受限的节点，只有通过专用的联网技术才能满足特定IOT的应用需求。而互联网是通过统一的TCP/IP技术互联所有的数据传输网络，鉴于IOT的应用特殊性以及其它特征，使得IOT无法再复制互联网成功的技术模式。

（2）高度的稳定性和可靠性

IOT是与许多关键领域相关的网络，必须至少保证该网络是稳定的，不能像现在的互联网一样，时常网络不通，时常丢失电子邮件等。例如仓储的IOT必须稳定地检测进库和出库的物品，不能有任何差错。另外，医疗卫生领域的IOT必须要求有很高的可靠性，以确保不会由于IOT的误操作而威胁到病人的生命。

（3）严密的安全性和可控性

IOT的绝大多数应用都涉及到个人隐私或机构内部秘密。IOT必须提供严密的安全性和可控性，及IOT应具有保护个人隐私和防御网络攻击的能力。

5. 结论

根据本文的讨论和分析，可以得出以下结论：

（1）IOT可通过各类传感系统，实现任意物品的互联，并对物品进行相应的查询、跟踪和处理。

（2）根据IOT系统的组成，IOT的体系结构可以分成四层，其中最复杂、范围最广、技术难度最大的是感知层。

（3）IOT是下一代互联网的发展方向，它将对人类社会和人们的工作和社会产生巨大的影响。

（4）IOT涉及的领域和应用十分广泛，不同应用领域对IOT的需求和服务质量各不相同。使得IOT与传统互联网的技术模式不同。

（5）IOT应具备高度的稳定性和可靠性，同时还需要有严密的安全性和可控性。

IOT把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把传感系统和设备器嵌入和装备到诸如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种“物品”中，并通过整合和互联，实现人类社会与物理世界的联通，在这个物-物互联的网络中，能够对网内的人员、机器、设备和基础设施进行实时的控制和管理，从而可以用更加精细和动态的方式管理生产和生活，使之达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系，真正实现“智慧地球”的构想。

参考文献

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[11] 陈峥，刘慧，宫雪. 物联网之Savant体系结构的分析与研究[J]. 物流科技，2006，29（7）：18-21.

何丰如（1957－），男，湖南新化人，硕士，广东理工职业学院工程技术系教授。