物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

孫文，馬進(jìn)，張大偉

（1.沈陽(yáng)海關(guān)，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.融硅思創(chuàng)沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

物聯(lián)網(wǎng)是由各種現(xiàn)代科技設(shè)備組成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等各種硬件和軟件的高速發(fā)展，利用傳感、射頻識(shí)別、RFID等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)物理空間與數(shù)字空間的無(wú)縫連接?？萍荚诎l(fā)展，人類的需求也不斷增加，需要一種智能、信息全面的“智慧地球”。物聯(lián)網(wǎng)也隨之融入人們的生活當(dāng)中并且不斷完善，通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，更加完善物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的及時(shí)更新。

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下5條原則：（1）多樣性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)類型的不同，分成多種類型的體系結(jié)構(gòu)。（2）時(shí)空性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間、空間和能源方面的需求。（3）互聯(lián)性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠平滑地與互聯(lián)網(wǎng)連接。（4）安全性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠防御大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊。（5）堅(jiān)固性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須具備堅(jiān)固性和可靠性。

1 物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身的特征，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該提供以下幾類服務(wù)。

（1）聯(lián)網(wǎng)類服務(wù)：物品標(biāo)識(shí)、通信和定位。（2）信息類服務(wù)：信息采集、存儲(chǔ)和查詢。（3）操作類服務(wù)：遠(yuǎn)程配置、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程操作和控制。（4）安全類服務(wù)：用戶管理、訪問(wèn)控制、事件報(bào)警、入侵檢測(cè)、攻擊防御。（5）管理類服務(wù)：故障診斷、性能優(yōu)化、系統(tǒng)升級(jí)、計(jì)費(fèi)管理服務(wù)。

以上是通用物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型集合，根據(jù)不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，以上服務(wù)類型可以進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展或裁剪。物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型是設(shè)計(jì)和驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要依據(jù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)分類

為了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，首先需要?jiǎng)澐治锫?lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的類型。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)可以分成無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)、有源CPS結(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)，其特征從以下方面進(jìn)行描述：電源、移動(dòng)性、感知性、存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力、聯(lián)網(wǎng)能力、連接能力。

源CPS結(jié)點(diǎn)，就是具有電子標(biāo)簽的物品，這是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量最多的結(jié)點(diǎn)，例如攜帶電子標(biāo)簽的人可以成為一個(gè)無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)。無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)一般不帶電源，可以具有移動(dòng)性，具有被感知能力和少量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，不具備計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)能力，提供被動(dòng)的T2T連接。

有源CPS結(jié)點(diǎn)，具備感知、聯(lián)網(wǎng)和控制能力的嵌入式系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的核心結(jié)點(diǎn)，例如裝備了可以傳感人體信息的穿戴式電腦的人可以成為一個(gè)有源CPS結(jié)點(diǎn)。有源CPS帶有電源，可以具有移動(dòng)性、感知、存儲(chǔ)、計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)能力，提供T2T、H2T、H2H連接。

互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)，具備聯(lián)網(wǎng)和控制能力的計(jì)算系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的信息中心和控制中心，例如具有物聯(lián)網(wǎng)安全性、可靠性要求的，能夠提供時(shí)間和空間約束服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)就是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)。互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)不是一般的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，它是屬于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的結(jié)點(diǎn)，采用了互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互連接，但具有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中特有的時(shí)間和空間的控制能力，配備了物聯(lián)網(wǎng)專用的安全性和可靠性的控制體系?；ヂ?lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)具有不間斷電源，不具備移動(dòng)性，可以具有感知能力，具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)、計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)能力，可以提供H2T、H2H連接。

3 物聯(lián)網(wǎng)互連體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的分類，可以進(jìn)一步研究可能存在的連接類型，例如物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)之間存在無(wú)源結(jié)點(diǎn)與有源CPS結(jié)點(diǎn)，有源CPS與有源CPS結(jié)點(diǎn)，以及有源CPS結(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)之間的連接，這些類型的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)互連的體系結(jié)構(gòu)。

由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性，我們建議的通用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成：無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)與有源CPS結(jié)點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)，有源CPS結(jié)點(diǎn)與有源CPS結(jié)點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)，有源CPS結(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)。

無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)與有源CPS結(jié)點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)如圖1所示，無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)通過(guò)物理層協(xié)議與有源CPS結(jié)點(diǎn)連接，例如通過(guò)RF ID協(xié)議，有源CPS可以獲取無(wú)源CPS結(jié)點(diǎn)上電子標(biāo)簽的信息。

有源CPS結(jié)點(diǎn)之間通過(guò)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)議交互，實(shí)現(xiàn)有源CPS結(jié)點(diǎn)之間的信息采集、傳遞和查詢?？紤]到大部分有源CPS結(jié)點(diǎn)資源限制十分嚴(yán)格，有源CPS結(jié)點(diǎn)不適合配置已有的IP協(xié)議；配置的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議也應(yīng)該是面向物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可以保證可靠、高效、節(jié)能地采集、傳遞和查詢信息，滿足物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)交互的應(yīng)用需求。

有源CPS結(jié)點(diǎn)需要通過(guò)CPS網(wǎng)關(guān)，才能連接互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點(diǎn)。CPS網(wǎng)關(guān)實(shí)際上是一個(gè)有源CPS結(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點(diǎn)的組合，其中實(shí)現(xiàn)了完整的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧。這樣，通過(guò)CPS網(wǎng)關(guān)，可以在應(yīng)用層與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間信息傳遞，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的互通、互連和互操作。這種互連結(jié)構(gòu)可以允許不同類型的物聯(lián)網(wǎng)采用滿足自身需要的聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化不必要的聯(lián)網(wǎng)功能，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖1 有源cps結(jié)點(diǎn)與互網(wǎng)cps結(jié)點(diǎn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

在以上定義的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)物理層協(xié)議，提供在物理信道上采集和傳遞信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，提供對(duì)物理信道訪問(wèn)控制、復(fù)用，在鏈路層安全、可靠、高效傳遞數(shù)據(jù)的功能，具有較為完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服務(wù)質(zhì)量的保證；應(yīng)用層協(xié)議，提供信息采集、傳遞、查詢功能，具有較為完整的用戶管理、聯(lián)網(wǎng)配置、安全管理、可靠性控制能力。