物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)發(fā)展研究

李曉輝

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

綜 述 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.005

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)發(fā)展研究

李曉輝

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放式發(fā)展、建立新型物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作問(wèn)題的重要途徑。本文在總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析提出物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的概念內(nèi)涵，深入剖析了其歷史根源和發(fā)展現(xiàn)狀，討論了其發(fā)展的關(guān)鍵要素，最后提出了利用物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一些建議。

物聯(lián)網(wǎng); 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu); 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施; 互聯(lián)互通互操作

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為信息技術(shù)未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。其發(fā)展至今，經(jīng)歷了幾個(gè)有明顯特征的階段：

第一階段(1995-2004)，可被稱為基于RFID的物聯(lián)，以RFID、電子產(chǎn)品編碼等為代表，強(qiáng)調(diào)利用射頻識(shí)別標(biāo)簽將物品接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物品信息的數(shù)字化以及物品狀態(tài)的跟蹤。

第二階段(2004-2012)，可被稱為基于局域網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)，以無(wú)線傳感網(wǎng)、單一行業(yè)應(yīng)用等為代表，強(qiáng)調(diào)利用無(wú)線傳感器、局域網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)物體與網(wǎng)絡(luò)的連接，進(jìn)行信息交換與共享。

第三階段(2012-)，是物聯(lián)網(wǎng)目前正在經(jīng)歷的階段。隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；f(xié)同化發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，其多元性、復(fù)雜性、綜合性的特征逐漸凸顯，比如，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的種類、數(shù)量、智能化水平突飛猛進(jìn)；人們不僅關(guān)注物聯(lián)，也開(kāi)始關(guān)注物控；人們不僅需要單一物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的應(yīng)用服務(wù)，也開(kāi)始需要跨區(qū)域跨行業(yè)的應(yīng)用服務(wù)能力等等。所有這些，都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)單一、封閉、內(nèi)聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)很難滿足發(fā)展需求，煙囪式建設(shè)模式帶來(lái)的技術(shù)成本高、重復(fù)建設(shè)多、物體/信息共享難、系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作性差等問(wèn)題成為發(fā)展瓶頸。打破垂直應(yīng)用的煙囪壁壘、建立支持萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、形成跨區(qū)域跨行業(yè)互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，成為這一階段的發(fā)展熱點(diǎn)。因此，這一階段可被稱為基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)階段?！伴_(kāi)放物聯(lián)”是這一階段的重要標(biāo)志，互聯(lián)互通是這一階段的本質(zhì)需求。

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)，正是這一時(shí)期的發(fā)展產(chǎn)物。它對(duì)于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放式發(fā)展、建立新型物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、提升物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)能力、促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆炸式發(fā)展等具有重要意義。

本文在總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析提出了物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的概念內(nèi)涵，剖析了它產(chǎn)生的歷史根源，研究了其發(fā)展現(xiàn)狀，討論了其關(guān)鍵要素，最后提出了利用物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的意見(jiàn)和建議。

1 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)

1.1 概念內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)的概念自提出以來(lái)，一直在不斷演進(jìn)和發(fā)展。目前，具有一定共識(shí)的物聯(lián)網(wǎng)定義，是指利用信息網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)整合感知、識(shí)別、傳輸、處理等各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的無(wú)縫銜接，最終滿足人們對(duì)各類資源的動(dòng)態(tài)感知、智能控制、高效利用、科學(xué)管理和智能決策。

從這個(gè)定義看，物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)，是要實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的高度融合，徹底打破傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式。因此，物體、設(shè)備、智能硬件、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、軟件、服務(wù)等，都是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要素。隨著規(guī)模化、協(xié)同化、智能化的發(fā)展需求，這些要素之間的關(guān)聯(lián)將變得十分復(fù)雜。一個(gè)典型例子就是，當(dāng)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要接入成百上千乃至更大規(guī)模不同廠家、不同協(xié)議、不同接口的設(shè)備時(shí)，開(kāi)發(fā)效率、維護(hù)效率、更新?lián)Q代的難度和成本將急劇增加。而這恰恰是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至現(xiàn)階段面臨的重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。軟件、硬件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)在接口、協(xié)議、服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)等方面的巨大差異，和人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)便捷、簡(jiǎn)單、智能的服務(wù)需求是矛盾的。正因如此，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究重點(diǎn)開(kāi)始從物聯(lián)應(yīng)用轉(zhuǎn)向如何更好地提供支持萬(wàn)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)能力。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)，正是基于此產(chǎn)生的。

目前，尚無(wú)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的統(tǒng)一定義。在總結(jié)分析物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，本文提出一個(gè)參考定義如下：

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)，指的是可以支持物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放系統(tǒng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

這里的“開(kāi)放系統(tǒng)”指的是：系統(tǒng)按照內(nèi)部模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；系統(tǒng)組件經(jīng)最小改變就能在多種系統(tǒng)中進(jìn)行移植和利用；系統(tǒng)組件能以靈活的方式進(jìn)行集成并與本地和遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的其他組件方便地進(jìn)行互操作。

該定義強(qiáng)調(diào)了以下幾個(gè)重點(diǎn)：

(1)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

(2)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)，關(guān)注的是承載各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需要的基礎(chǔ)共性能力，這些基礎(chǔ)共性能力越強(qiáng)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的支持就越好。比如物體的接入、管理、標(biāo)識(shí)、尋址、通信、服務(wù)等問(wèn)題。

(3)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)，倡導(dǎo)的核心是“開(kāi)放”，開(kāi)放的目的是實(shí)現(xiàn)跨界的融合。它最直接的效果，就是能夠有效促進(jìn)跨區(qū)域、跨行業(yè)、跨網(wǎng)絡(luò)、跨系統(tǒng)、跨平臺(tái)的各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的互聯(lián)互通互操作，以及大大減少系統(tǒng)的重復(fù)投資與建設(shè)、推進(jìn)公共資源發(fā)展，并以此細(xì)分產(chǎn)業(yè)角色和分工、激發(fā)開(kāi)放式應(yīng)用的巨大潛能。

(4)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的本質(zhì)是要確定物聯(lián)網(wǎng)體系中各種要素的層次關(guān)系和關(guān)鍵接口，并采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。通過(guò)提供頂層設(shè)計(jì)框架和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)指導(dǎo)或支持物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)。

1.2 歷史根源

雖然物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)是一個(gè)新概念，但開(kāi)放系統(tǒng)本身，其發(fā)展歷史卻由來(lái)已久。對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律的研究，不僅能夠讓我們更好地理解開(kāi)放的概念和內(nèi)涵，而且有助于我們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的研究取得更加深入的進(jìn)展。

開(kāi)放系統(tǒng)的概念，最早可追溯到上世紀(jì)80年代。早在大型機(jī)時(shí)期，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等的技術(shù)和產(chǎn)品相對(duì)單一和壟斷，各大計(jì)算機(jī)公司以專有系統(tǒng)為主。進(jìn)入80年代的個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)期，隨著Unix操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化以及RISC微處理器體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，開(kāi)放系統(tǒng)的萌芽正式產(chǎn)生。當(dāng)時(shí)對(duì)開(kāi)放的認(rèn)識(shí)，是以許可證方式，提供體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)源碼給任何需要者。在當(dāng)時(shí)專有體系結(jié)構(gòu)和專有操作系統(tǒng)處于全盛時(shí)期的情況下，這種觀念無(wú)疑是一大進(jìn)步。但這種“開(kāi)放”意識(shí)和倡導(dǎo)開(kāi)放系統(tǒng)者強(qiáng)調(diào)的要團(tuán)結(jié)各廠商力量參與競(jìng)爭(zhēng)尚有差距。因此，人們又提出對(duì)“開(kāi)放”的共識(shí)應(yīng)當(dāng)是：公開(kāi)未來(lái)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃、公開(kāi)征集相關(guān)的技術(shù)、公開(kāi)決定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的過(guò)程。這三個(gè)“公開(kāi)”充分顯示出開(kāi)放系統(tǒng)強(qiáng)大的生命力。個(gè)人計(jì)算機(jī)以及之后的互聯(lián)網(wǎng)從小到大蓬勃發(fā)展，正是開(kāi)放系統(tǒng)思想最生動(dòng)的體現(xiàn)。由于公開(kāi)化和標(biāo)準(zhǔn)化的影響，能夠激勵(lì)眾多廠商參與開(kāi)發(fā)遵循標(biāo)準(zhǔn)界面的軟件、硬件和系統(tǒng)，并逐漸成為流通產(chǎn)品。顯然，利用這些流通產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，必然能夠縮短開(kāi)發(fā)周期、減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，而且能夠最大化的解決系統(tǒng)的功能擴(kuò)充、更新?lián)Q代、兼容移植、互聯(lián)互通等問(wèn)題。因此，開(kāi)放系統(tǒng)的概念，在90年代后期逐漸走向成熟。

開(kāi)放系統(tǒng)不僅在民用領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，在軍事信息系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中也發(fā)揮了重要作用。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以前，美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)的信息系統(tǒng)(以C4I系統(tǒng)為代表)，基本屬于各軍種獨(dú)立建設(shè)的專用或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)。隨著一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的設(shè)想被提上日程，這些大型復(fù)雜系統(tǒng)聯(lián)通性差、采購(gòu)壓力大、開(kāi)發(fā)成本高、新技術(shù)難以快速注入等問(wèn)題不斷暴露。尤其在經(jīng)歷了海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后，美軍很快意識(shí)到這類系統(tǒng)在快速適應(yīng)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)任務(wù)方面存在很大缺陷。于是，1994年，美軍率先提出要利用開(kāi)放系統(tǒng)工程的方法，通過(guò)“建立單一的、統(tǒng)一的國(guó)防部技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，約束今后國(guó)防部所有C4ISR系統(tǒng)的采辦”[1]，實(shí)現(xiàn)從分立系統(tǒng)建設(shè)向綜合系統(tǒng)建設(shè)(以C4ISR系統(tǒng)為代表)的模式轉(zhuǎn)變，以增加信息戰(zhàn)能力，最終奪取作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。1995年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了包括軍用計(jì)算機(jī)、軟件工程、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換、分布式計(jì)算、用戶接口等各種標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的信息管理技術(shù)體系結(jié)構(gòu)框架[2-4]，規(guī)定了國(guó)防部今后所有C4ISR系統(tǒng)采辦、開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)需要的目標(biāo)內(nèi)容，正式拉開(kāi)了軍用開(kāi)放系統(tǒng)發(fā)展的序幕。隨后的20多年，美國(guó)一直在持續(xù)出臺(tái)和更新各種綱領(lǐng)性的頂層設(shè)計(jì)文件，用以規(guī)范三軍的信息系統(tǒng)研制。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，開(kāi)放系統(tǒng)戰(zhàn)略，為美軍在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)思想指導(dǎo)下改變發(fā)展模式、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)、并確保轉(zhuǎn)型過(guò)程中作戰(zhàn)效能持續(xù)性提升等起到了非常關(guān)鍵的作用。

從以上分析可以看出，開(kāi)放系統(tǒng)的價(jià)值在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中得到了最充分的展現(xiàn)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性和分布性非常需要利用開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)解決資源共享、特別是互操作性等問(wèn)題。這也是為什么物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段，必然要走向開(kāi)放式發(fā)展的原因之一。

1.3 發(fā)展現(xiàn)狀

歐盟、美國(guó)、韓國(guó)、日本等，都是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展走在前列的國(guó)家，尤其在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化等方面開(kāi)展了大量工作，有的甚至成為國(guó)家級(jí)的發(fā)展重點(diǎn)。

歐盟方面，高度重視物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新，擁有一套相對(duì)完善的政策體系，涵蓋了包括技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、管理、未來(lái)愿景等在內(nèi)的眾多領(lǐng)域，并且持續(xù)發(fā)布信息化戰(zhàn)略框架、行動(dòng)計(jì)劃和戰(zhàn)略研究路線圖。其中，“第七研究框架計(jì)劃(Framework Program7, FP7)”和“地平線2020科研計(jì)劃”就是典型代表。FP7框架中，提出了兩個(gè)比較典型的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)方案：SENSEI架構(gòu)[5]和IOT-A架構(gòu)[6]。SENSEI架構(gòu)一共分為三層：通信服務(wù)層、資源層和應(yīng)用層，通信服務(wù)層用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)映射，資源層用于提供統(tǒng)一的交互接口，應(yīng)用層則為用戶及第三方提供調(diào)度接口。SENSEI架構(gòu)通過(guò)定義服務(wù)訪問(wèn)接口和語(yǔ)義規(guī)范提供了一套統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)。IOT-A架構(gòu)是SENSEI架構(gòu)的增強(qiáng)版，尤其在互操作性方面做了重點(diǎn)提升。IOT-A架構(gòu)一共分為四層：無(wú)線通信協(xié)議層、M2M API層、IP層和應(yīng)用層。其中，M2M API層定義了各類物聯(lián)網(wǎng)資源交互的接口，是實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一物物通信接口的橋梁。IP層則用于提供實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)資源共享的互聯(lián)技術(shù)。IOT-A架構(gòu)提供了一套較為完備的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)參考模型。

美國(guó)方面，一直在戰(zhàn)略層面布局物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。不僅發(fā)布了包括總統(tǒng)創(chuàng)新伙伴計(jì)劃、先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃等在內(nèi)的一系列國(guó)家戰(zhàn)略，將物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)等列為影響國(guó)家潛在利益的關(guān)鍵技術(shù)。而且積極推進(jìn)工業(yè)界龍頭企業(yè)，共同參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)框架等技術(shù)協(xié)議的制定，以期利用物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來(lái)重塑美國(guó)的制造業(yè)優(yōu)勢(shì)。目前美國(guó)在體系架構(gòu)方面的成果主要有Physical-net架構(gòu)[7]和CPS架構(gòu)[8]。Physical-net架構(gòu)分為四層：服務(wù)提供層、網(wǎng)關(guān)層、協(xié)調(diào)層和應(yīng)用層。它最大的特點(diǎn)是，底層感知設(shè)備能夠直接提供服務(wù)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)層進(jìn)行服務(wù)收集與分發(fā)，從而有效分離了應(yīng)用需求與資源分配環(huán)節(jié)，能夠很好地解決多用戶環(huán)境下異構(gòu)資源的管理與規(guī)劃問(wèn)題。CPS架構(gòu)則由美國(guó)自然基金委提出，它以構(gòu)建可控、可信、可擴(kuò)展的CPS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的融合為目標(biāo)。其最大的特點(diǎn)是，物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、自治、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)、精確控制等能力，有助于實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)。

韓國(guó)方面，它是全球?qū)拵占奥首罡叩膰?guó)家。2006年，韓國(guó)確立了u-Korea戰(zhàn)略，旨在建立無(wú)所不在的信息社會(huì)，將物聯(lián)網(wǎng)作為三大基礎(chǔ)建設(shè)重點(diǎn)之一。2013年10月，韓國(guó)政府發(fā)布了ICT研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃“ICT WAVE”，將物聯(lián)網(wǎng)列為10大關(guān)鍵技術(shù)。韓國(guó)科學(xué)信息通信技術(shù)和未來(lái)規(guī)劃部(MSIP)2014年推出物聯(lián)網(wǎng)國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃，進(jìn)一步推動(dòng)ICT與其它產(chǎn)業(yè)的融合。韓國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)方面的典型代表，是由韓國(guó)電子與通信技術(shù)研究所(ETRI)提出的USN架構(gòu)[9]。USN架構(gòu)包括五層：感知層、接入網(wǎng)層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層、中間件層和應(yīng)用平臺(tái)層，強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要作用。目前已形成國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)標(biāo)準(zhǔn)。

日本方面，自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，相繼發(fā)布了e-Japan、u-Japan、i-Japan計(jì)劃。其在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)方面的典型代表是由uID中心提出的uID架構(gòu)[10]。uID架構(gòu)主要由uCode、uCode標(biāo)簽、eTRON認(rèn)證機(jī)構(gòu)、信息服務(wù)器、uCode解析服務(wù)器和泛在通信器等部分構(gòu)成，目標(biāo)是基于uCode建立與推廣物品自動(dòng)識(shí)別技術(shù)并最終構(gòu)建一個(gè)無(wú)處不在的計(jì)算環(huán)境。

除此之外，各大標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的發(fā)展。ISO/IEC、OGC SWE提出了傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和傳感器Web使能框架；ITU-T從下一代網(wǎng)絡(luò)的角度研究泛在傳感網(wǎng)，并提出分層的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(包括端點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)/應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層)[11]；ETSI、3GPP等提出了端到端的M2M體系架構(gòu)[12]，主要側(cè)重于機(jī)器到機(jī)器的通信架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力增強(qiáng)；oneM2M自成立以來(lái)，在需求、架構(gòu)、語(yǔ)義等方面積極開(kāi)展研究，目前正在開(kāi)展基于表征狀態(tài)轉(zhuǎn)移風(fēng)格(RESTful)[13]的體系架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

中國(guó)方面，具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要有：無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院提出的“六域”模型[14]、中國(guó)電科提出的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系e-things架構(gòu)[15]。“六域”模型將物聯(lián)網(wǎng)劃分為六個(gè)域：用戶域、目標(biāo)對(duì)象域、感知控制域、服務(wù)提供域、運(yùn)維管控域以及資源交換域，對(duì)不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行抽象，明確了應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信和信息交換等層面的功能實(shí)體和接口關(guān)系。e-things架構(gòu)則提出以物體描述模型為基礎(chǔ)，以物聯(lián)港和物體標(biāo)識(shí)解析為核心的基本框架，致力解決對(duì)物體標(biāo)識(shí)解析、接入管理、傳輸服務(wù)、搜索交互等基礎(chǔ)能力的統(tǒng)一支持。

總體來(lái)看，各大研究機(jī)構(gòu)提出的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)各具特色，但它們都有一些共同特征，即都非常重視架構(gòu)層級(jí)的邏輯劃分以及接口標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。這些都是開(kāi)放思想的具體體現(xiàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷豐富以及架構(gòu)研究的不斷深入，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)將會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1.4 關(guān)鍵要素

從前述內(nèi)容可以看出，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的核心是開(kāi)放，本質(zhì)是要提供一套物聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)框架以及開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)或支持物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)。因此，它的關(guān)鍵要素主要包括：參考模型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及共性開(kāi)放平臺(tái)。

1.4.1 參考模型

參考模型的作用是明確系統(tǒng)的層次劃分和功能分級(jí)，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的元素、各元素之間的交互關(guān)系、構(gòu)成模式以及模式之間的限制等進(jìn)行抽象描述。

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的參考模型，應(yīng)充分體現(xiàn)開(kāi)放的特征，從各種差異明顯的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中提煉共性需求、進(jìn)行共性抽象，清晰地展示物聯(lián)網(wǎng)各組成要素之間的層次關(guān)系、需求-服務(wù)關(guān)系、交互關(guān)系等，并考慮對(duì)各種新技術(shù)發(fā)展的兼容性。利用參考模型，能夠快速確定需要標(biāo)準(zhǔn)化的界面和服務(wù)，形成具有統(tǒng)一性的標(biāo)準(zhǔn)輪廓。參考模型指導(dǎo)能夠形成參考架構(gòu)，參考架構(gòu)與不同領(lǐng)域需求結(jié)合又形成具體領(lǐng)域的架構(gòu)，最終為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、采購(gòu)、生產(chǎn)、維護(hù)、升級(jí)等提供統(tǒng)一的可供參考的依據(jù)。

為了提高參考模型的實(shí)用性，在確定界面和服務(wù)等的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不是唯一限定的。每個(gè)要素可以有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，一旦選定了具體標(biāo)準(zhǔn)，就構(gòu)成了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輪廓。從標(biāo)準(zhǔn)本身的發(fā)展趨勢(shì)看，正在逐步從硬件走向軟件、從抽象程度低走向抽象程度高。標(biāo)準(zhǔn)界面的抽象程度越高，隱蔽化技術(shù)越復(fù)雜，隱蔽的程度就越高，對(duì)用戶和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)就更加有力。

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

應(yīng)當(dāng)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是配合參考模型共同使用的。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的一個(gè)重要目標(biāo)，就是提升系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作性。從技術(shù)角度看，就是要促進(jìn)應(yīng)用程序在多種類和多版本的產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)可移植性開(kāi)發(fā)。這里重點(diǎn)討論兩個(gè)問(wèn)題，一是標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容，二是選擇或制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要遵循的一些原則。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，異構(gòu)性最大的資源主要是物體資源和網(wǎng)絡(luò)資源(包括計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、服務(wù)、通信等各種資源)。因此，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)首要關(guān)注的就是物體的標(biāo)準(zhǔn)化描述，其次是網(wǎng)絡(luò)資源的標(biāo)準(zhǔn)化交互。物體標(biāo)準(zhǔn)化描述，最大的價(jià)值就是支持網(wǎng)絡(luò)中所有單元對(duì)物體信息的一致理解，這其中包含了物體的基本屬性、物體的連接特征、物體的感知控制能力、物體支持的交互方式等等。網(wǎng)絡(luò)資源，涉及的內(nèi)容則很多，包括物理介質(zhì)、通信資源、計(jì)算資源、中間件資源、服務(wù)資源等等，需要在數(shù)據(jù)交換、資源調(diào)度、服務(wù)封裝等方面充分考慮標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。

明確了需要標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容，還需要注意選擇或制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的一些原則。選擇或制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須遵循開(kāi)放性、成熟性和可用性原則。開(kāi)放性包括技術(shù)和來(lái)源兩個(gè)方面，技術(shù)方面包括衡量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的互操作性、可擴(kuò)展性、可移植性/技術(shù)獨(dú)立性；來(lái)源是指標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從ISO標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行選擇。成熟性是指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的成熟程度，即標(biāo)準(zhǔn)是否被廣泛使用、標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)用了多長(zhǎng)時(shí)間及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量一致性檢驗(yàn)是否可行。開(kāi)放性和成熟性通常是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的考核評(píng)價(jià)，可用性則是指衡量系統(tǒng)對(duì)接口標(biāo)準(zhǔn)的可用程度，如果接口標(biāo)準(zhǔn)不能滿足系統(tǒng)的最低要求，就是可用性差，仍然不能采用。

1.4.3 共性開(kāi)放平臺(tái)

如果說(shuō)參考模型和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范屬于理論指導(dǎo)，那么共性平臺(tái)就是實(shí)際運(yùn)行的軟硬件環(huán)境。根據(jù)參考模型和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開(kāi)發(fā)和建設(shè)的共性平臺(tái)，具有真正意義上的開(kāi)放性。

目前，國(guó)內(nèi)外很多大公司都推出了針對(duì)傳感器、智能設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。國(guó)外有Xively、Arrayent、Device Cloud by Etherios、Nimbits、Thingspeak等，國(guó)內(nèi)有Yeelink、OneNet、e-things、華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。它們多數(shù)定位于開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云平臺(tái)，重點(diǎn)解決異構(gòu)設(shè)備接入、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)化等問(wèn)題，例如，很多平臺(tái)都用到了云計(jì)算技術(shù)，規(guī)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和接入方式，都集成了第三方應(yīng)用，允許第三方硬件接入到平臺(tái)，并與其交互數(shù)據(jù)等等。

這些平臺(tái)都有一些共同特征，即都將共性、開(kāi)放作為發(fā)展目標(biāo)。雖然它們與目前各機(jī)構(gòu)提出的物聯(lián)網(wǎng)參考模型及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍有差別(很多參考模型尚未工程化和產(chǎn)品化，很多平臺(tái)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)目前則還只是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，但標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品化本身就是可以雙輪驅(qū)動(dòng)螺旋式演進(jìn)的事物。從物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；?、協(xié)同化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，最終是要實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的發(fā)展愿景，成為全球性的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，建立在開(kāi)放模型及標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下的開(kāi)放平臺(tái)，不僅在分布式、可移植、可伸縮、模塊化、容錯(cuò)、資源共享等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且非常便于各種應(yīng)用增添新的系統(tǒng)功能，并且在擴(kuò)充或者升級(jí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響最小。這也是開(kāi)放架構(gòu)、開(kāi)放系統(tǒng)的意義所在。

2 發(fā)展建議

物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)極具發(fā)展?jié)撃艿念I(lǐng)域之一。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的研究，將為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放式發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用做出重要貢獻(xiàn)。建議在總結(jié)開(kāi)放架構(gòu)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，高度重視以下幾方面工作：

(1)高度重視開(kāi)放系統(tǒng)戰(zhàn)略，作為國(guó)家層面的戰(zhàn)略普及和推廣實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放互聯(lián)戰(zhàn)略；

(2)建立技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，明確界面和接口，重視互操作性、可移植性、可伸縮性；

(3)制定開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

(4)制定設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)指南，指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放系統(tǒng)建設(shè)；

(5)結(jié)合技術(shù)發(fā)展和需求牽引，不斷修正和更新物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放體系架構(gòu)的內(nèi)涵，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新。

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李曉輝(1980—)，女，湖南人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、物體服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放中間件等。

E-mail:lxh330@163.com

Research on the Open Architecture of IOT

LI Xiao-hui

(North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

The open architecture of IOT is an important approach to promote the open development for IOT, construct the new type of IOT infrastructure and solve the problem of interconnection and interoperability between IOT systems.The basic concept of the open architecture of IOT is described, the history root and current situation is deeply analyzed, the key points for development are discussed, and at last some proposals for constructing IOT systems are proposed.

IOT (internet of things); open architecture of IOT; IOT infrastructure; interconnection and interoperability

2016-05-20

2016-08-31

中國(guó)電科主導(dǎo)類創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.JJ120102)

：A

1673-5692(2016)05-478-06