1、第二章第二章物联网的结构组成物联网的结构组成第一章目录 2.1 物联网的工作原理和特性 2.2 物联网体系架构总述 2.3 感知层 2.4 网络层 2.5 应用层 2.6 多视角下的物联网结构 2.7 国内外物联网体系结构的研究 2.8 物联网的安全策略和统一接入控制本章概述 本章首先介绍物联网的工作原理和特性，然后着重讲解物联网的结构。本章将从国内外的研究状况、通用物联网结构和不同视角下物联网的结构分类三个方面阐述物联网的结构。最后以EPC结构在实际中的运用作为例子，具体讲解物联网的各个环节。2.1.1 物联网的工作原理物联网的工作原理实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网
2、实现物品(商品)的自动识别、信息的互联与共享和智能控制。在物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)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“透明”管理。2.1.2 物联网的工作步骤1.1.2 visualSTATE事件处理机制 技术上的问题是物联网最为关键的问题。物联网技术是一项综合性的技术，是一项系统。物联网的开展步骤主要如下：（1）对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性。（2）需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。（3）将物体的信息通过网络
3、传输到信息处理中心。2.1.3 物联网的两大特征和三个基本要素物联网的两大特征和三个基本要素物联网两大特征物联网两大特征第一：泛在化第二：智能化三个基本要素三个基本要素第一个要素是在信息感知这个方面。全面信息采集是实现物联网的基础。第二个要素就是传送网。无所不在、泛在化的无线通信网络是实现物联网的重要设施。第三个要素就是信息处理。其中最重要的就是如何低成本处理海量信息。2.2 物联网体系架构总述物联网体系架构总述物联网大致被公认为有三个层次：底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上层则是应用层。1.1.2 visualSTATE事件处理机制1.感知层感知层感知层包括传感器等数
4、据采集设备，包括数据接入到网关之前的传感器网络。感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术。2.网络层网络层物联网的网络层将建立在现有的移动通信网和互联网基础上。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，其包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解及基于感知数据决策和行为的理论和技术。3.应用层应用层物联网的应用层利用经过分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务。应用层是物联网发展的目的。2.3.1 感知层概述感知层概述 感知层由各种类型的采集和控制模块组成，如温度传感应器、声音感应器、振动感应器、压力
5、感应器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制功能，还包括数据接入到网关之前的传感器网络。感知层是物联网的重要基础。2.3.2 物联网关键技术之一物联网关键技术之一RFID RFID是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID基本上由三部分组成：标签、读写器和天线。具体技术将在第3章详细介绍。2.3.3 传感器网络概述传感器网络概述 传感器是
6、机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元：传感单 元（由传感器和A/D转换功能模块组成)、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括定位系统、移动系统及电源自供电系统等。2.3.3 传感器网络概述传感器网络概述面向物联网的传感器网络技术研究包括以下方面：1.先进测试技术及网络化测控。2.智能化传感器网络节点研究。3.传感器网络组织结构及底层协议研究。4.对传感器网络自身的检测与控制。5.传感
7、器网络的安全。2.3.4 传感器网络的结构传感器网络的结构WSN节点的基本组成包括如下几个基本单元：传感单元（由传感器和A/D转换功能模块组成)、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）及能量单元。按照分工的不同，传感器网络又可以细分为末梢节点层和接入层。末梢节点层由各种类型的采集和控制模块组成，如温度感应器、声音感应器、振动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制功能。接入层由基站节点（sink节点）和接入网关（Access Gateway）组成，完成应用末梢各节点信息的组网控制和信息汇集，或完成向末梢节点
8、下发信息的转发等功能。也就是末梢节点之间完成组网后，如果末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后,通过接入网关完成和承载网络的连接。2.3.4 传感器网络的结构传感器网络的结构2.3.4 传感器网络的结构传感器网络的结构末梢节点与接入层构成了物联网的信息采集和控制，其按照接入网络的复杂性不同可分为简单接入方式和多跳接入方式。简单接入就是在采集设备获取信息后直接通过有线或无线方式将信息直接发送至承载网络，如图所示。目前RFID读写设备主要采用简单接入方式，此方式可用于终端设备分散、数据量的业务应用。2.3.4 传感器网络的结构传感器网络的结构多跳接入是利用WSN技术，将具
9、有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式，各节点能根据环境的变化，自主地完成网络自适应组织和信息的传递。由于节点间距离较短，一般采用多跳方式进行通信。传感器网络最终将信息通过接入网关传递到承载网络。典型的无线传感器设备有ZigBee、UWB等。多跳接入方式适用于终端设备分别集中、终端与网络间传递数据量较小的应用。通过采用多跳接入方式可以降低末梢节点、接入层和承载网络的建设投资和应用成本，以及方便建设实施工作和提升接入网络的健壮性，如图所示。2.4.1 网络层的组成网络层的组成 网络层可以细分为承载网络层和应用控制层。承载网络主要由计算机网络和通信网络构成。应用控制层由各种应用服务器组
10、成（包括数据库服务器），主要功能包括对采集数据的汇集、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件的触发等。2.4.1 网络层的组成网络层的组成2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网 物联网是互联网的延伸，但物联网并不是互联网的翻版，也不是互联网的一个接口。由于物联网作为互联网的扩展，使其具备了互联网的特性。物联网不仅能够实现由人找物，而且能够实现以物找人，通过对人的规范性回复进行识别，还能够做出方案性的选择。互联网和物联网的比较，如下表所示。2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网2.4.3 云计算与物联网云计算与物联网 云计算是分布式计算技术的一种，其最基本的概念是透过网络将庞大的计算处理程序
11、自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析后将处理结果回传给用户。2.4.3 云计算与物联网云计算与物联网云计算具有以下特点：1.超大规模2.虚拟化3.高可靠性4.通用性5.高可扩展性6.按需服务7.极其廉价云计算与物联网各自具备很多优势，把云计算与物联网结合起来，可以看出，云计算其实就相当于一个人的大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网云计算与物联网的结合方式可以分为：1.单中心，多终端2.多中心，大量终端3.信息、应用分层处理，海量终端以上三种只是云计算与物联网结合方式的粗线条的勾勒，也许已经有很多模式或者
12、方式在实际应用当中了，两者的结合方式还需要继续探索研究。2.4.2 互联网与物联网互联网与物联网云计算和物联网都是新兴事物，不过现在已经有了很多的应用。但是，两者结合的案例目前还是比较少的。有了云计算中心的廉价、超大量的处理能力和存储能力，有了物联网无处不在的信息采集，这两者结合，将出现整个星球的生物都联系起来的奇妙情景。云计算与物联网的结合是互联网络发展的必然趋势，它将引导互联网和通信产业的发展。2.5 应用层应用层应用层是物联网发展的目的。软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及。物联网的发展面临互联网发展初期相似的问题，那就是
13、如何解决内容应用丰富和商业运营模式的问题。物联网是通信网络的应用延伸，是信息网络上的一种增值应用，有别于语音电话、短信等基本的通信需求。因此，物联网发展初期面临着广泛开展需求挖掘及投资消费引导的工作。2.5 应用层应用层物联网主要应用类型2.5 应用层应用层总体来说，物联网将在提升信息传送效率、改善民生、提高生产率、降低企业管理成本等方面发挥重要作用。从实际价值和购买能力来看，企业将有望成为物联网应用的第一批用户，其应用也将是物联网发展初期的主要应用。从企业点点滴滴应用开始，逐步延伸扩大，推进产业链成熟和应用的成熟。2.6.1 物联网的服务类型物联网的服务类型根据物联网自身特征，其应该提供以下
14、几类服务：1.联网类服务。物品标识、通信和定位。2.信息类服务。信息采集、存储和查询。3.操作类服务。远程配置、监测、远程操作和控制。4.安全类服务。用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测和攻击防御。5.管理类服务。故障诊断、性能优化、系统升级和计费管理服务。根据不同领域物联网的应用需求，以上服务类型可以进行相应地扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统的主要依据。因此，也可以根据物联网的不同应用来构建不同的体系结构。2.6.2 物联网的节点分类物联网的节点分类为了构建物联网的体系结构，首先需要划分物联网中网络节点的类型。物联网节点可以分成无源CPS节点、有源CPS节
15、点、互联网CPS节点，其特征从以下方面进行描述：电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、联网能力和连接能力。2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构根据以上物联网节点的分类，可以进一步研究可能存在的连接类型。例如，物联网节点之间存在无源节点与有源节点、有源节点与有源节点及有源节点与互联网节点之间的连接，这些类型的连接结构构成了物联网互联的体系结构。由于物联网的异构性，通用物联网体系结构由三部分构成：无源节点与有源节点互联结构、有源节点与有源节点互联结构、有源节点与互联网节点互联结构。2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构无源节点与有源节点互联结构如图所示。2.6.3 物联网
16、互联体系结构物联网互联体系结构有源节点与有源节点互联结构如图所示。2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构有源节点与互联网节点互联结构如图所示。2.6.3 物联网互联体系结构物联网互联体系结构在以上定义的物联网体系结构中，物联网物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；物联网数据链路层协议 提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可 靠、高效传递数据的功能，具有较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。2.7 国内外物联网体系结
17、构的研究国内外物联网体系结构的研究目前,物联网还没有一个广泛认同的体系结构,最具代表性的物联网架构是欧美支持的EPCglobal物联网体系架构和日本的Ubiquitous ID(UID)物联网系统，针对国家领域的物品编码标准体系有NIDA（韩国互联网发展处）提出的mRFID Code（可移动的RFID编码）。EPCglobal和泛在ID中心(Ubiquitous ID center)都是为推进RFID标准化而建立的国际标准化团体,我国也积极参与了上述物联网体系,正在积极制定符合我国发展情况的物联网标准和架构。2.7.1 UID技术体系结构技术体系结构日本在电子标签方面的发展始于20世纪80年代
18、中期的实时嵌入式系统TRON，T-Engine是其核心的体系架构。在T-Engine论坛领导下,泛在ID中心设立在东京大学，于2003年3月成立,并得到日本政府经产省、总务省及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。UID中心建立的目的是为了建立和普及自动识别“物品”所需的基础技术，最终实现“计算无处不在”的理想环境。2.7.1 UID技术体系结构技术体系结构UID技术体系架构由泛在识别码(uCode)、泛在通信器、信息系统服务器和uCode解析服务器等4部分构成。U
19、ID使用uCode作为现实世界物品和场所的标识，UC从uCode电子标签中读取uCode获取这些设施的状态，并控制它们，UC类似于PDA终端。UID能在多种行业中得到广泛应用，其是将现实世界用uCode标签的物品、场所等各种实体和虚拟世界中存储在信息服务器中各种相关信息联系起来，实现“物物互联”。而且，UID是一个开放的架构，它的规范是对大众公开的。2.7.2 物联网的自主体系结构物联网的自主体系结构物联网的自主体系结构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，其采用自主通信技术。自主通信是以自主件为核心的通信，自主件在端到端层次及中间结点执行网络控制面已知的或新出现的任务，可以确
20、保通信系统的可进化特性。物联网的自主体系结构包括数据面、控制面、知识面和管理面。如图所示。2.7.2 物联网的自主体系结构物联网的自主体系结构数据面主要用于数据分组的传递；控制面通过向数据面发送配置报文，优化数据面的吞吐量及可靠性；知识面提供整个网络信息的完整视图，并且提炼成为网络系统的知识，用于指导控制面的适应性控制；管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互，提供物联网的自主能力。2.7.2 物联网的自主体系结构物联网的自主体系结构自主特征主要由STP/SP协议栈和智能层取代传统的TCP/IP协议栈，如图所示。STP和SP分别表示智能传送协议和智能协议。物联网节点的智能层主要用于协商交互
21、节点之间STP/SP的选择，用于优化无线链路上的通信和数据传送，满足异构物联网设备之间的联网需求。2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构基于EPC的物联网是在计算机互联网的基础上，利用全球统一的物品编码技术、RFID技术、无线数据通信技术等，实现全球范围内的单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平，降低物流成本，被誉为具有革命性意义的新技术，引起了世界各国企业的广泛关注。典型的EPC物联网由信息采集系统、PML（physical markup language,实体描述语言）信息服务器、对象名解析服务器（ONS）和Savant系统4部分组成，如图所示。2.7.3 基于基于E
22、PC的物联网结构的物联网结构物品物品2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构1.信息采集系统信息采集系统由产品电子标签、读写器、驻留有信息采集软件的上位机组成，主要完成产品的识别和EPC的采集与处理。EPC是Auto-ID中心为每个物理目标分配的唯一可查询的标识码，其内含的一串数字可代表产品类别和制造商、生产日期和地点、有效日期、应运往何地等信息。同时，随着产品在工厂内的转移或变化，这些数据可以实时更新。2.PML信息服务器PML信息服务器由产品生产商建立并维护，储存着这个生产商生产的所有商品的文件信息。根据事先规定的原则对产品进行编码，并利用标准的PML对产品的名称、生产厂家、生产
23、日期、重量、体积、性能等详细信息进行描述，从而生成PML文件。一个典型PML的服务器的原理图如图所示。2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构（1）Web服务器它是PML信息服务器中唯一直接与客户端交互的模块，是位于整个PML信息服务器最前端的模块，可以接收客户端的请求，进行解析、验证，确认无误后发送给SOAP引擎，并将结果返回给客户端。2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构（2）SOAP引擎它是PLM信息服务器上所有已部署服务的注册中心，可以对所有已部署服务进行注册，提供相应组件的注册信息，将来自Web服务器的请求定位到对应的服务处理程序，并将处理结果返回给Web服务器
24、。（3）服务处理程序它是客户端请求的服务实现程序，包括实时路径更新程序、路径查询程序和原始信息查询程序等。（4）数据存储单元它用于PML信息服务器端数据的存储，主要用于客户端请求数据的存储，存储介质包括各种关系数据库或者一些中间文件，如PML文件。在整个物联网系统中，PML信息服务器主要提供以下三个功能：实时路径信息的存储、产品路径信息查询和产品原始信息查询。2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构3.ONSONS的作用是在各信息采集节点与PML信息服务器之间建立联系，实现从产品EPC到产品PML信息之间的映射。当前，典型的ONS服务用来定位某一EPC对应的PML信息服务器。ONS服
25、务是联系前台Savant软件和后台PML信息服务器的网络枢纽，并且ONS的设计与架构都以Internet域名解析服务（DNS）为基础。因此，可以使整个EPC网络以Internet为依托，迅速架构并顺利延伸到世界各地。ONS的体系结构如下图所示，它是一个分布式的系统架构，主要由以下几部分组成：（1）映射信息（2）ONS服务器（3）ONS解析器（4）ONS本地缓存2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构2.7.3 基于基于EPC的物联网结构的物联网结构4.Savant系统Savant系统在物联网中处于读写器和企业应用程序之间，相当于物联网的神经系统。Savant系统采用分布式结构，层次化
26、地组织、管理数据流，具有数据搜集、过滤、整合与传递等功能，因此，能将有用的信息传送到企业后端的应用系统或者其他Savant系统中。Savant系统需要对数据进行相应的处理，其中，最关键的三方面为：（1）冗余数据过滤（2）数据聚合（3）信息传递2.8 物联网的安全策略和统一接入控制物联网的自主体系结构研究是目前物联网体系架构的主要研究内容。在“物物相连感知世界”的物联网时代的背后，是一场看不见的战争如何保护物联网系统的安全性，抵御各种威胁和侵害。安全策略是物联网时代必须要解决的核心问题，尤其是面向物联网的安全策略涉及国家安全、社会秩序和经济活动的有序开展，涉及世界范围内经济发展的竞争力。物联网的
27、安全策略是建立整个物联网体系架构的指导方针，是必须明确设立的安全保障决策规范，是系统安全管理的依据。在物联网时代，安全策略的主要问题是：（1）大多数安全策略仅仅以发现网络漏洞为目标，缺乏完整性；（2）大多数安全策略的标准、过程等相关元素界限模糊，没有明确的界定；2.8 物联网的安全策略和统一接入控制（3）大多数安全策略是按照业务流程制定的，虽然安全策略的框架元素直接有一定的逻辑关系，但对策略的可跟踪性没有明确的界定和实现。针对传统信息安全产品没有统一标准、缺乏互操作性、易于形成安全盲区等问题，IDC最早提出了统一威胁管理（unified threat management，UTM）的理念。在构
28、建物联网自主体系结构的同时，必须非常明确异构物联网之间所存在的互联问题。统一接入控制（UAC）所提供的全面的网络接入控制解决方案同时兼顾了物联网终端的安全性和网络接入的安全性。本章总结本章主要概括的讲述了物联网的工作原理和特性、物联网的体系架构、物联网感知层、网络层、应用层的概念、多视角下的物联网结构、国内物联网体系结构的研究、物联网的安全策略和UAC概念。本章围绕物联网的结构组成进行了概括性地阐述。先介绍了物联网的工作原理和特性，让读者对物联网工作特点有个总体的把握，然后对物联网的体系架构进行了论述，又分别从感知层、网络层、应用层介绍物联网的架构，使读者对物联网的架构有了全面的认识，并介绍了
29、多视角下的物联网结构，分析了物联网的互联体系结构。同时，本章还介绍了国内外对物联网体系结构的研究状况，全面介绍了基于EPC结构的物联网结构。最后，介绍了物联网的安全策略和美国在物联网建设、实施中提出的UAC方案。希望读者可以通过本章的讲解对物联网有更进一步的了解。思考题1.如何低成本、高效地处理传感网采集的信息？2.短距离无线传输数据目前都用哪些技术？3.你认为3G技术是否能够完成信息传送的任务，为什么？4.你认为物联网应该分为几层结构？5.在你身边还有哪些物联网的应用？6.你认为RFID技术就是传感器网络吗，为什么？7.你认为传感器网络发展的最大技术瓶颈是什么？8.你对无线传感器节点的结构组成有什么新的观点？9.你对WSN的哪个技术热点感兴趣，为什么？10.你认为可作为物联网信息传送的网络有哪些？思考题11.你认为物联网和互联网哪个范围更为广泛？12.物联网的发展对NGI和移动通信网有哪些影响？13.你的身边有哪些物联网的应用？14.物联网的发展将会产生哪些新的应用行业？15.以服务类型为依据的物联网的结构有哪些？16.联网互连的体系结构和三层结构有哪些异同？17.除了本节讲述的EPC架构下的物联网，你还知道其他架构下的物联网吗？18.物联网的安全策略包含哪些要素？19.UAC技术与NAP、RSA技术的关系是什么？
