物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法的比較研究

王 偉

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河南 鄭州 450053)

一 物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)一詞由國(guó)際電信聯(lián)盟在2005年11月正式提出，在全球引起了極大的轟動(dòng)，吸引了世界各國(guó)的關(guān)注。國(guó)際電信聯(lián)盟認(rèn)為，“世界上的所有物體都可以通過(guò)Internet進(jìn)行信息交換，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任何物體之間的互聯(lián)，并通過(guò)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算?！蔽锫?lián)網(wǎng)的建設(shè)涉及多門(mén)技術(shù)，比如射頻識(shí)別技術(shù)、納米技術(shù)、傳感器技術(shù)以及智能技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)不僅可以使人與人之間、物與物這間的交流奕成可能，最終將使人類(lèi)社會(huì)、物理世界以及信息空間融為一體。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)之后在世界信息產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的第三次科技浪潮。近些年，很多國(guó)家的政府部門(mén)都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)一些相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了調(diào)研，并制定了一系列的發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)的科技部由2007年的11月份發(fā)布了《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，將物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)納入了國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也將其列入了國(guó)家的科技重大專(zhuān)項(xiàng)中。很多國(guó)家和高校都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)始工作，提供了一些很好的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，但是都沒(méi)有將設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的方法指出來(lái)。

二 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概念和相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化的信息系統(tǒng)而言，體系結(jié)構(gòu)主要是指說(shuō)明其系統(tǒng)的組成部件以及各部分之間的關(guān)系，以及如何指導(dǎo)該設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一些原則的抽象。這種體系結(jié)構(gòu)可以確保系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中所做的每一個(gè)技術(shù)選擇都要符合系統(tǒng)的預(yù)期要求。由此可見(jiàn)，只有在建立了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)以后，才可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算系統(tǒng)。我們往往從兩個(gè)角度去理解物聯(lián)網(wǎng)級(jí)成的部件以及這些部件之間的關(guān)系。

(1)從功能的角度來(lái)看。就是將組成系統(tǒng)的部件按照其功能的不同劃分為若干層次，一般是由下層部件為上層部件服務(wù)，而上層部件對(duì)下層部件進(jìn)行控制。

(2)從模型的角度來(lái)看?？梢詫⒉考g的連接關(guān)系采用模型編排的方法進(jìn)行表示。一般是以某一體系結(jié)構(gòu)去指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有以下幾個(gè)方面：(1)水平性。主要是指系統(tǒng)可以集成信息處理、傳輸和通信技術(shù)，可以將其應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。(2)對(duì)于環(huán)境的感知?？梢詫?duì)周?chē)沫h(huán)境的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后將這背地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)義的表達(dá)和查詢(xún)解析，進(jìn)而加以推理。(3)可擴(kuò)展性。整個(gè)系統(tǒng)的性能不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的增加而降低其速度。(4)環(huán)境的交互性。該系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)于環(huán)境的感知得到一些數(shù)據(jù)，并根據(jù)其得出的決策和觸發(fā)的任務(wù)，產(chǎn)生相關(guān)的操作指令，從而達(dá)到對(duì)感知對(duì)象實(shí)行控制。(5)自適應(yīng)性。該系統(tǒng)可以隨著環(huán)境的變化不斷調(diào)自身的配置參數(shù)以及功能。(6)抗毀性。在一定的受損的情況下，系統(tǒng)仍然能夠正常的工作。(7)安全性。該系統(tǒng)對(duì)用戶的訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行了設(shè)置，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，提高抵抗攻擊的能力。(8)互操作性。不同的系統(tǒng)之間通過(guò)它們協(xié)定的規(guī)則可以互相訪問(wèn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)共享。

三 連接方式

體系結(jié)構(gòu)包含的抽象原則可以分為服務(wù)和協(xié)議兩個(gè)層次進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和設(shè)計(jì)之前，還要考慮物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備之間的物理連接關(guān)系。主要有以下幾種方式。

(1)直接連接的方式。智能的物品可以直接接入網(wǎng)絡(luò)與其他物品或服務(wù)器相連接。這種連接的模式對(duì)智能物品在計(jì)算和組網(wǎng)方面的需求比較高，對(duì)網(wǎng)關(guān)的需求較低。對(duì)于節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)模型的配置并不是很靈活。

(2)利用網(wǎng)關(guān)輔助連接。主要是指智能物品通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入后與其他的物品和遠(yuǎn)程的服務(wù)器相連接。這種連接的模式對(duì)于智能物品在組網(wǎng)和計(jì)算的方面需要較低，對(duì)于網(wǎng)關(guān)的需求高，與直接連接的方式相比較，其對(duì)節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)模型的配置很靈活。

(3)利用服務(wù)器進(jìn)行輔助連接。智能物品可能通過(guò)一個(gè)公共的本地支撐服務(wù)器匯聚以后與遠(yuǎn)程的服務(wù)器相連。這種連接的方式對(duì)于網(wǎng)關(guān)和計(jì)算的要求低，對(duì)于其組網(wǎng)的能力而要求比較高，對(duì)于節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)模型的配置很靈活。

四 實(shí)現(xiàn)方法

1.服務(wù)發(fā)現(xiàn)

服務(wù)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是建立大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須解決的問(wèn)題。EPCglobal系統(tǒng)中，采用了一個(gè)公布式架構(gòu)存儲(chǔ)物品和環(huán)境信息，在對(duì)某一物品進(jìn)行查詢(xún)時(shí)，可能涉及多個(gè)組織的EPC信息系統(tǒng)，從而為發(fā)現(xiàn)所有的相關(guān)信息倉(cāng)庫(kù)以組成一個(gè)完整的查詢(xún)操作結(jié)果。BRIDGE項(xiàng)目提出了兩種服務(wù)發(fā)現(xiàn)的架構(gòu)，一種是基于同步信息資源模型，另一種是基于查詢(xún)中繼模型。

2.語(yǔ)義服務(wù)

現(xiàn)在基于Wcb服務(wù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)一般采用XML、JSON和EXI語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述，同時(shí)通過(guò)預(yù)告定義的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了使系統(tǒng)能夠自動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和集成，一些研究人員將語(yǔ)義網(wǎng)的概念應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)中，以提供物聯(lián)網(wǎng)的語(yǔ)義服務(wù)。

3.安全服務(wù)

保證標(biāo)識(shí)與感知數(shù)據(jù)的安全性是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)之一。與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全不同，物聯(lián)網(wǎng)不僅需要保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全，而且還要保證在采集過(guò)程中的安全。目前已經(jīng)有一些具體的物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)提出了比較安全的機(jī)制。比如說(shuō)以智能化的居室和健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為例，針對(duì)6LoWPAN的移動(dòng)性問(wèn)題和RFID/NFC的安全性問(wèn)題，提出了安全消息交換。有學(xué)者為EPCglobal系統(tǒng)提出了一種安全的傳輸模型，來(lái)滿足ONS查詢(xún)和物品信息傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)的安全需求。我認(rèn)為可以采用以下3種方式對(duì)于數(shù)據(jù)的安全進(jìn)行保證：一是基于對(duì)稱(chēng)密鑰的偽隨機(jī)數(shù)加密機(jī)制;二是基于對(duì)稱(chēng)密鑰的密碼樹(shù)機(jī)制;三是基于對(duì)非對(duì)稱(chēng)密鑰的GPS信息進(jìn)行加密機(jī)制。

五 結(jié)束語(yǔ)

本文從功能角度將目前已經(jīng)提出的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為后端集中式和前端分布式的兩種類(lèi)型，指出了物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展方向。也可以基于這兩個(gè)體系結(jié)構(gòu)衍生出滿足不同應(yīng)用需求的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。這樣既可以保證未來(lái)建立的物聯(lián)網(wǎng)體系具有一定的統(tǒng)一性，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)以及融合，也有利于滿足不同的系統(tǒng)的各自需求。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展空間是巨大，它會(huì)給我們的生活帶來(lái)更大的方便。

[1]陳海明，崔莉，謝開(kāi)斌.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法的比較研究[J]

[2]任彥.網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下C2組織的知識(shí)服務(wù)建模方法研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.