當(dāng)物品也可以上網(wǎng)

王琰

摘 要：因特網(wǎng)的開放式標(biāo)準(zhǔn)和分散式設(shè)計，給予創(chuàng)新和發(fā)展更少的障礙，戰(zhàn)勝了有競爭性的專屬系統(tǒng)和集中控制。物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)是指揮控制技術(shù)和分布式解決方案之間的爭論，它首先是組織結(jié)構(gòu)上的，而不是技術(shù)層面的。物聯(lián)網(wǎng)需要后者，并且開放性將最終獲勝。

關(guān)鍵詞：因特網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；集中控制系統(tǒng)；分布式終端

通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，最早是在1969年。此后，全球網(wǎng)絡(luò)便從電腦主機的連接發(fā)展到個人電腦和現(xiàn)代移動裝置的連接。到2010年，聯(lián)網(wǎng)的電腦數(shù)量超過了地球上的人口數(shù)量。

然而，當(dāng)我們周圍的東西也開始聯(lián)網(wǎng)時，這其中的一部分被稱作“物聯(lián)網(wǎng)”，之前那些令人印象深刻的發(fā)展也不再炫目。由于技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在讓一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器花1美元就變指尖大小成為可能。當(dāng)小型計算器嵌入日常用品后，能通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收信息，以至于出現(xiàn)下面的情形不足為奇：咖啡機可以在人起床時開機，并在杯子裝入洗碗機時關(guān)機；交通燈可以同道路聯(lián)絡(luò)，為周圍路口的車輛規(guī)劃路線；建筑物可以通過掌握人們的方位和所從事的事情，更高效地運行；通過匯總所有來自各種設(shè)備上的數(shù)據(jù)，就能及時監(jiān)控整個星球的健康狀況。

用這些方式連接數(shù)字世界和物理世界，對于二者來說都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。但是，除非物聯(lián)網(wǎng)借鑒因特網(wǎng)的歷史，否則這種未來將不會實現(xiàn)。因特網(wǎng)的開放式標(biāo)準(zhǔn)和分散式設(shè)計，給予創(chuàng)新和發(fā)展更少的障礙，戰(zhàn)勝了有競爭性的專屬系統(tǒng)和集中控制。物聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)是指揮控制技術(shù)和分布式解決方案之間的爭論，它首先是組織結(jié)構(gòu)上的，而不是技術(shù)層面的。物聯(lián)網(wǎng)需要后者，并且開放性將最終獲勝。

1 互聯(lián)生活

物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是科幻小說，它已經(jīng)初步實現(xiàn)了。當(dāng)前實現(xiàn)互聯(lián)的一些物品通過公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一些則通過安全專網(wǎng)進行通訊，但是它們共享共同協(xié)議，這允許它們交互操作來幫助解決深層次的問題。

以降低能耗為例。建筑用電占了整個美國用電的四分之三，但是其中大約三分之一被浪費了。當(dāng)自然光可以利用時使用照明燈，并且當(dāng)室外的天氣更加舒適或者房間空閑時進行制冷。有時風(fēng)扇在往錯誤的方向吹風(fēng)，或者制熱和制冷系統(tǒng)同時運行。巨大的浪費依然持續(xù)，是因為恒溫器和照明燈泡的運行方式在建筑物建造時已經(jīng)設(shè)定。只有當(dāng)公共建設(shè)本身隨著傳感器和驅(qū)動器的聯(lián)網(wǎng)，變得智能化，建筑物的能效才能夠在其使用期內(nèi)得到改善。

醫(yī)療保健是美好愿景的另外一個領(lǐng)域。例如，藥物的管理不善，導(dǎo)致醫(yī)療保健系統(tǒng)每年為此耗費數(shù)十億美元。連接了網(wǎng)絡(luò)的藥架和藥瓶，能夠提醒健忘的病人何時吃藥，藥劑師何時重新配方，醫(yī)生何時漏掉了服藥。如果老年人摔倒了，地板會進行求助，這有助于老年人獨立生活。穿戴式傳感器能夠全天監(jiān)控人的活動，并且充當(dāng)私人教練，以此改善健康并節(jié)省開支。

無數(shù)未來的智能房屋，尚未引起人們的興趣。但物聯(lián)網(wǎng)的成功應(yīng)用就將不一樣。冰箱能夠與食品雜貨店聯(lián)絡(luò)再次訂購食物，與體重秤進行通訊來監(jiān)測飲食，在用電高峰期與電力設(shè)施溝通來降低電力消耗，當(dāng)需要設(shè)備需要維修時與廠商聯(lián)系。電燈和開關(guān)能夠隨使用的空間和時間的變化進行調(diào)節(jié)。連接日歷、床和汽車的溫度調(diào)節(jié)器，可以在房屋主人的方位基礎(chǔ)上計劃進行制熱和制冷。在公用事業(yè)提供電力和水暖的今天，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用能夠帶來安全、舒適和便利。

城市中，物聯(lián)網(wǎng)將能夠收集大量的各種新數(shù)據(jù)。掌握交通工具、公用設(shè)施和人口的流動，對于最大化生產(chǎn)效率是必不可少的，但在傳統(tǒng)意義上，它即使能監(jiān)測也不會十分充分。如果每個街燈、消防栓、公交車和人行橫道都與互聯(lián)網(wǎng)相連，那么城市就能形成它們中哪個正常運行哪個沒有正常運行的實時讀數(shù)。正如一些城市已經(jīng)在做的，市政廳會與開發(fā)商分享開源數(shù)據(jù)集而不是封閉這些信息。

天氣、農(nóng)業(yè)投入和污染程度，隨著地域差異會發(fā)生很多變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接的費用還比較高時，這些現(xiàn)象就已全部能夠被精確測量。大自然的互聯(lián)網(wǎng)，能夠幫助保護各種自然資源。

對物聯(lián)網(wǎng)的最終理解是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸真實事物。用戶已經(jīng)能夠發(fā)送物體說明書，然后通過例如3-D打印機和激光切割機等個人數(shù)字化制作工具進行制造。隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實物、實物轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，長長的制造業(yè)供應(yīng)鏈就可以被在互聯(lián)網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)到當(dāng)?shù)厣a(chǎn)設(shè)備的這一過程所替代，進而隨時隨地生產(chǎn)所需物品。

2 回到未來

了解因特網(wǎng)本身的原理，有助于了解物聯(lián)網(wǎng)的工作原理。

因特網(wǎng)成功的第一個秘密是它的體系結(jié)構(gòu)。在因特網(wǎng)開始發(fā)展的19世紀(jì)六七十年代，電線連接電話到電話局的總機。這種設(shè)置類似于城市中的每條道路都穿過環(huán)形交通樞紐，雖易于識別方向但會導(dǎo)致市中心的交通擁堵。為了避免這種問題，因特網(wǎng)的開發(fā)商創(chuàng)造了一種分布式網(wǎng)絡(luò)，類似于車輛在真實城市中行駛的道路網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計使數(shù)據(jù)避開了交通阻塞，并使管理者可以在需要的地方增加容量。

因特網(wǎng)發(fā)展的第二個關(guān)鍵，是把數(shù)據(jù)分解成單個單元，并在網(wǎng)絡(luò)傳輸后進行重組。這個過程被稱作“包交換技術(shù)”，它像一個鐵路系統(tǒng)，在其中，每個火車都可獨立行駛。去往不同目的地的車輛可以共享相同的軌道，而無需等一輛長火車通過，并且去往相同地方的車輛不必都使用相同的路線。只要每輛車有各自的地址，每個交匯點能夠指示軌道通往的地方，車輛就能夠在到達時匯合。包交換技術(shù)通過這種方式傳輸數(shù)據(jù)，使因特網(wǎng)更加可靠、強健和高效。

第三個重要決定是使數(shù)據(jù)在不同種類的網(wǎng)絡(luò)間傳輸成為可能，以至于信息可以經(jīng)過建筑物里的電線，進入光纜穿越一座城市，然后到達衛(wèi)星傳送到另一大陸。為了實現(xiàn)這一過程，計算機科學(xué)家開發(fā)了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，使數(shù)據(jù)包編址方式標(biāo)準(zhǔn)化。在鐵路方面有同等意義的發(fā)展是標(biāo)準(zhǔn)軌距的引進，使火車可以在國境邊界上穿越。IP標(biāo)準(zhǔn)，能允許大量不同種類的數(shù)據(jù)在共同協(xié)議的基礎(chǔ)上穿行。

第四個至關(guān)重要的選擇是讓因特網(wǎng)的功能寄居在網(wǎng)絡(luò)末端，而不是中間節(jié)點，以此來控制流量。這種稱為“末端對末端法則”的設(shè)計，使得新應(yīng)用無需升級整個網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)電話的性能僅能與它所連接的總局交換機同步，但是因特網(wǎng)分層的體系結(jié)構(gòu)避免了這個問題。

在線留言、音頻和視頻流、電子商務(wù)、搜索引擎和社會媒體，全部是在幾十年前發(fā)明的系統(tǒng)上發(fā)展起來的，新的應(yīng)用程序可以在這些基礎(chǔ)上創(chuàng)造出來。

遺憾的是，雖然上述選擇產(chǎn)生了很好的效益，但直到最近，它們都沒有被除了計算機以外的物聯(lián)系統(tǒng)所分享。

相反，從制冷和制熱到家用電子產(chǎn)品的每項產(chǎn)業(yè)，都創(chuàng)造了自己的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，不光指定了設(shè)備間的交流方式，還指定了能夠交流的內(nèi)容。這種封閉式模式或許可以在一個確定的域名里工作，但是不限制了創(chuàng)造者最初設(shè)想的未來種種可能性。此外，每種這些標(biāo)準(zhǔn)都遇到了因特網(wǎng)已經(jīng)解決了的同樣問題：如何給設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)名稱，如何在網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)送信息，如何控制流量，以及如何保障通信安全。

盡管使用因特網(wǎng)去連接物體，而不是為每種產(chǎn)業(yè)重新發(fā)明網(wǎng)絡(luò)輪，可能現(xiàn)在顯得合乎邏輯，但這迄今為止還不是慣例。原因之一是，制造商想建立專有控制。因特網(wǎng)沒有收費站，但是如果特定產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)商能夠控制設(shè)備間使用的通信標(biāo)準(zhǔn)，它就可以向使用者收費。

要調(diào)和這一問題，必須得出這樣的結(jié)果，即專用的解決方案能比通用的因特網(wǎng)表現(xiàn)地更好。但這些選擇方案并沒有得到很好的發(fā)展，且缺少因特網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模和可靠性。它們的設(shè)計者高估了以互聯(lián)互通為代價的最優(yōu)功能。

對于任何特殊用途來說，因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)都不是完美的，但相比其他，其實都已足夠好。專有網(wǎng)絡(luò)不僅需承擔(dān)維持多樣且不相容標(biāo)準(zhǔn)的高昂費用，而且還缺乏安全性。因特網(wǎng)數(shù)十年受到的攻擊，使其形成了一個完善防御措施的巨大研究者和供應(yīng)商群體，現(xiàn)在正好可以應(yīng)用于防護物聯(lián)通信。

最終的問題是費用。因特網(wǎng)最先依賴于幾十萬美元的大型計算機，然后是一千美元的私人電腦。

因特網(wǎng)經(jīng)濟到目前為止是從電燈泡和門把手的經(jīng)濟上分離出來的，但開發(fā)商從未想過讓這樣的物體聯(lián)網(wǎng)會具有商業(yè)價值，一千美元照明開關(guān)的市場畢竟是有限的。因此，幾十年來，物體保持非聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

3 大物體小程序

但是經(jīng)濟或者技術(shù)上的障礙不再擋道于物聯(lián)網(wǎng)。使物聯(lián)網(wǎng)成為可能的是默默無聞的微控制器，它由一個小量內(nèi)存和外圍部分封裝而成的簡單處理器組成。微控制器僅有幾毫米大小，花費幾美分就可以制造，只需用數(shù)毫瓦的電力，以至于它可以依靠一個蓄電池或者小太陽能電池運行幾年。不像以數(shù)億字節(jié)內(nèi)存標(biāo)榜的私人電腦，微控制器只能儲存幾千字節(jié)。雖然這并不夠支撐今天臺式機程序的運行，但卻能與因特網(wǎng)發(fā)展時期的設(shè)備相匹配。

1995年前后，研究者在麻省理工開始使用這些元素來簡化因特網(wǎng)連接。從丹尼·科恩開始，這個項目進一步與一大群因特網(wǎng)原創(chuàng)者合作，目的是將因特網(wǎng)擴展到物體上。既然“下一代互聯(lián)網(wǎng)”早已用來指代互聯(lián)網(wǎng)提速項目，我們只能稱這種更慢、更簡單的互聯(lián)網(wǎng)為“零代互聯(lián)網(wǎng)”。

零代互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是為最小的設(shè)備設(shè)置IP。通過把智能燈泡和智能開關(guān)直接聯(lián)網(wǎng)，這些設(shè)備可以自行開閉，而無需通過與互聯(lián)網(wǎng)相連的控制器進行聯(lián)絡(luò)。這樣，新的應(yīng)用程度將被創(chuàng)造出來以連接電燈和開關(guān)，可以不受控制器容量的限制。

讓物體進入因特網(wǎng)，簡化了眾多疑難問題。考慮到電子產(chǎn)品代碼（為人熟悉的條形碼成功者），零售商開始在它們的產(chǎn)品上使用通過無線電頻率識別的標(biāo)簽。這些標(biāo)簽中的信息也可以被因特網(wǎng)數(shù)據(jù)包替代，以至于物體可以內(nèi)含隨環(huán)境變化的使用說明；商店里的收銀臺、藥瓶上的標(biāo)簽?zāi)軌蚺c商品數(shù)據(jù)庫進行交流；在醫(yī)院，它又能連接到病人的檔案。

隨著互聯(lián)網(wǎng)連接的簡化，零代互聯(lián)網(wǎng)項目也簡化了物體間的網(wǎng)絡(luò)。永遠(yuǎn)追求更快的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致每種數(shù)據(jù)傳輸媒介的標(biāo)準(zhǔn)因其都需要自己特殊的預(yù)防措施而呈現(xiàn)很大不同。但是對于莫爾斯碼來說，無論它是使用旗幟什么介質(zhì)進行傳輸，其實看起來都一樣，并且同樣地，零代互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包在某種程度也獨立于其媒介。就像IP，它不是最理想的，但是它用速度換來了廉價和簡潔。高速并不是必需的，燈泡畢竟用不著看寬帶電影。

另外一個使因特網(wǎng)拓展到物體的創(chuàng)新，是從IP的舊版本到新版本的更新?lián)Q代。當(dāng)最初標(biāo)準(zhǔn)IPv4的設(shè)計者在1981年發(fā)行它的時候，使用32個二進數(shù)位（每位一個0或者一個1）來存儲每個IP地址，考慮到總數(shù)超過40億的IP地址，把唯一的識別符分配到了每個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。IPv4用完了所有地址后，它現(xiàn)正在被一新的版本IPv6替代。新標(biāo)準(zhǔn)使用128個二進制數(shù)位的IP地址，創(chuàng)造出了比宇宙星辰還多的可能識別符。

但是，IPv6仍然需要處理物聯(lián)網(wǎng)的獨特要求。隨著內(nèi)存、速度和功率上的限制，設(shè)備能夠在網(wǎng)絡(luò)上間歇性地出現(xiàn)和消失，要么是為了節(jié)能，要么是因為它們正在行進中。并且，在足夠大的數(shù)量中，甚至是簡單的傳感器也可以擊垮現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，因為一座城市可能擁有數(shù)百萬的電表和插座。所以，要推動互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的延展，以滿足這些需求。

4 英特網(wǎng)發(fā)展的必然性

盡管物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)在的技術(shù)上是可行的，但是其應(yīng)用受到了舊問題的挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的區(qū)別是信息寄存于何處：在擁有自己IP地址的智能設(shè)備里，還是在有線連接私人聯(lián)網(wǎng)控制器的非智能設(shè)備里。令人困惑的是，后面這種裝備本身還頻繁地被描述為物聯(lián)網(wǎng)的一部分。把IP拓展到網(wǎng)絡(luò)的末端，可以使創(chuàng)新只停留在它的邊緣；把設(shè)備連接到因特網(wǎng)，間接造成了對它們的使用障礙。

在使用“智能電網(wǎng)”這個術(shù)語的時候，其含義同樣出現(xiàn)了相互矛盾。智能電網(wǎng)承諾，通過智能化地控制高峰時期的用電負(fù)荷，動態(tài)地調(diào)控價格來刺激能源效率的提升，用許多小的可再生資源供電給電網(wǎng)，來減少對發(fā)電廠的需求。在不那么明智、實用主義的方法中，這些功能全部將集中控制。在相互矛盾的、以因特網(wǎng)為中心的方法中則不會，因為它分散的特性將要考慮開發(fā)商設(shè)計節(jié)能應(yīng)用程序的市場。

讓電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，明顯增加了網(wǎng)絡(luò)安全問題，但是集中控制將只會放大問題。因特網(wǎng)的歷史表明，隱藏式安全根本就行不通。以安全的名義對它們的內(nèi)在運行保密的系統(tǒng)，一貫被證明比那些允許自身被外人檢查和挑戰(zhàn)的系統(tǒng)更易受到攻擊。用來保護英特網(wǎng)通訊的開放式協(xié)議和程序，是龐大的專家團隊不斷開發(fā)和試驗的結(jié)果。

此外，在涉及安全的問題上，人是最通常的弱點，而不是技術(shù)。無論一個系統(tǒng)如何安全，也難以避免人為因素的干擾。集中性的控制，引來了一個在分散式系統(tǒng)中不存在的弱點。

因特網(wǎng)的發(fā)展，極大地超出了人們的預(yù)期。因特網(wǎng)的很多應(yīng)用驅(qū)動了其發(fā)展，讓人們驚訝不已，但它們并不是任何最初計劃中的組成部分。它們是開放式建筑風(fēng)格的結(jié)果，總給出乎意料留有余地。同樣地，今天人們看待物聯(lián)網(wǎng)的視角，肯定也會在實踐的發(fā)展面前黯然失色。但是，因特網(wǎng)的歷史為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了原則，指引它以可行、強健、安全和令人鼓舞的創(chuàng)新方式發(fā)展。