2.1 物联网的参考体系架构

2.1.1 物联网的参考体系架构概述

物联网参考架构是物联网发展的顶层设计，关系到物联网产业链上下游产品之间兼容性、可扩展性和互操作性。物联网参考体系结构是物联网应用的基础。因此，了解和掌握物联网参考体系架构，有利于理解物联网的应用需求和技术需求。

2.1.2 物联网的参考体系架构需求

物联网参考体系架构的需求如下。

（1）自治功能。为了支持不同的应用领域、不同的通信环境以及大量不同类型的设备，物联网参考架构应支持自治功能，使通信设备能够实现网络的自动配置、自我修复、自优化化和自我保护。

（2）自动配置。物联网参考架构应支持自动配置，使物联网系统可对组件（如设备和网络）的增加与删除自适应。

（3）可扩展性。物联网参考架构应支持不同规模、不同复杂度、不同工作负载的大量应用，同时也能支持包含大量设备、应用、用户、巨大数据流等系统。相同组件不仅要能够运行在简单系统上，同时也要能够运行在大型复杂的分布式系统中。

（4）可发现性。物联网参考架构支持发现服务，可使物联网的用户、服务、设备和来自设备的数据根据不同准则（如地理位置信息、设备类型等）被发现。

（5）异构设备。物联网参考体系架构支持不同类型设备的异构网络，类型包括通信技术、计算能力、存储能力和移动性及服务提供者和用户。同时，物联网参考架构也须支持在不同网络和不同操作系统之间的互操作性。

（6）可用性。为了实现物联网服务的无缝注册与调用，物联网参考体系架构应支持即插即用的功能。

（7）标准化的接口。物联网参考架构组件的接口应该采用定义良好的、可解释说明的、明确的标准。具有互操作性的设备通过标准化的接口能支持内部组件的定制化服务。为了访问传感器信息和传感器观察结果，应具有标准化的Web服务。

（8）定义良好的组件。物联网需要连接异构组件来完成不同的功能。物联网参考架构应提供特点鲜明的组件，并用标准化的语义和语法来描述组件。

（9）时效性。时效性就是在指定的时间内提供服务，完成请求者需求响应。为了处理物联网系统内一系列不同级别的功能，时效性必须要满足。当使用通信和服务功能时，为了保持相互关联事件之间的同步性，有必要进行时间同步。时效性在物联网系统中是很重要的。

（10）位置感知。物联网参考架构必须支持物联网的组件能与物理世界进行交互，需要及时向用户报告物理对象的位置，例如智能物流。因此，物联网组件要有位置感知功能。位置精度的要求将会基于用户应用的不同而改变。

（11）情感感知。物联网参考架构应该支持自定义的情感感知能力。

（12）内容感知。物联网参考架构须通过内容感知以优化服务，如路径选择和基于内容路由通信。

（13）可靠性。物联网参考架构应在通信、服务和数据管理功能等方面提供适当的可靠性。物联网参考架构应具有鲁棒性，并具有应对外部扰动、错误检测和修复而进行变化的能力。

（14）安全。物联网参考架构应该支持安全通信、系统访问控制和管理服务以及提供数据安全的功能。

（15）保密性。物联网参考架构应该能实现物联网的保密性和隐私性的功能。

（16）电源和能源管理。物联网参考架构必须支持电源和能源管理，尤其是在电池供电的网络里面。不同的策略适合不同的应用，包含低功耗的组件、限制通信范围、限制本地处理和存储容量、支持睡眠模式和可供电模式等。

（17）可访问性。物联网参考架构必须支持可访问性。在某些应用领域，对于物联网系统的可访问性是非常重要的，例如在环境生活辅助系统（Ambient Assisted Living, AAL）里面，有重要的用户参与系统的配置，操作和管理。

（18）继承组件。物联网参考体系架构应支持原有组件的集成和迁移功能。这样不会限制未来系统的优化和升级。

（19）人体连接。物联网参考架构须能够支持实现人体连接功能。在符合法律法规的前提下，为了提供与人体有关的通信功能，保证特殊的服务质量，还需要提供可靠、安全及隐私保护等保障。

（20）服务相关的需求。物联网参考架构必须支持相关的服务需求，如优先级、语义等服务、服务组合、跟踪服务、订阅服务，这些服务会根据应用领域的不同而改变，例如在一些位置识别的应用里面可能需要制定精度的定位服务。

2.1.3 物联网的体系架构研究现状

目前针对物联网体系架构，IEEE、ISO/IEC JTC1、ITU-T、ETSI、GSI等组织均在进行研究。下面是这几个组织对物联网体系架构研究的输出成果。

1. ISO/IEC JTC1

ISO/IEC JTC1是国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会的缩写。目前，无线传感器网络ISO/IEC 29182系列标准由JTC1 WG7（第七工作组）无线传感器工作研究组制定完成。ISO/IEC 29182系列成果主要分为7个部分，其中ISO/IEC 29182-1主要对传感网的特点和需求进行基本的概述。ISO/IEC 29182-2主要提供了传感网领域的术语，对传感网的概念进行专业性描述。ISO/IEC 29182-3提供了传感器网络的参考体系架构，如图2-1所示。这个通用传感网架构可以供传感器网络设计者、软件开发商、系统集成商和服务提供商应用，以满足客户的要求，包括任何适用的互操作性要求。根据图2-1传感器的参考体系架构，又可以构建出传感器网络应用和服务的实体模型，这是ISO/IEC 29182-4部分的内容。该模型提供了有关组成一个传感器网络的各种实体的基本信息。图2-2是传感网实体模型。

从图2-1描述可知，该参考架构分为3个域，即是感知域、网络域、服务域。

（1）感知域。感知域不仅要完成数据采集、处理和汇聚等功能，同时完成传感节点、路由节点和传感器网络网关的通信和控制管理功能，按照功能类别来划分，包含如下功能。

感知数据类：包括数据采集、数据存储、数据处理和数据通信，数据处理将采集的数据经过多种处理方式提取出有用的感知数据。数据处理功能可细分为协同处理、特征提取、数据融合、数据汇聚等。数据通信包括传感节点、路由节点和传感器网络网关等各类设备之间的通信功能，包括通信协议和通信支撑功能。通信协议包括物理层信号收发、接入调度、路由技术、拓扑控制、应用服务。通信支撑功能包括时间同步和节点定位等。

控制管理类：包括设备管理、安全管理、网络管理、服务管理，反馈控制实现对设备的控制，该项为可选。

（2）网络域。网络域完成感知数据到应用服务系统的传输，不需要对感知数据处理，包含如下功能。

感知数据类：数据通信体现网络层的核心功能，目标是保证数据无损、高效地传输。它包含该层的通信协议和通信支撑功能。

控制管理类：主要指现有网络对物联网网关等设备接入和设备认证、设备离开等管理，包括设备管理和安全管理，这项功能实现需要配合应用层的设备管理和安全管理功能。

（3）服务域。服务域的功能是利用感知数据为用户提供服务，包含如下功能。

感知数据类：对感知数据进行最后的数据处理，使其满足用户应用，可包含数据存储、数据处理、信息通信、信息提供。数据处理可包含数据挖掘、信息提取、数据融合、数据汇聚等。

控制管理类：对用户及网络各类资源配置、使用进行管理。可包括服务管理、安全管理、设备管理、用户管理和业务管理。其中，用户管理和业务管理为可选项。

ISO/IEC JTC1 SC6 WG7（第六分技术委员会的第七工作组）致力于对未来网络（FN）的研究，旨在创造一系列新的网络体系结构、网络设计方法和协议标准。未来网络项目开发计划有三个阶段，第一阶段是问题和总体要求研究，第二阶段是未来网络架构/框架的建立，第三阶段是未来网络网络协议的制定。目前的成果为ISO/IEC TR 29181系列标准的制定。该系列标准包含了7个部分，分别是未来网络的概念、问题和需求、未来网络命名和寻址方案、交换和路由技术、未来网络流动性问题、未来网络的安全问题、未来网络媒体分发、未来媒体服务组合这7个部分。

为了建立科学、合理的物联网参考体系结构，ISO/IEC JTC1 SWG 5（第五特别工作组）于2012年成立。JTC1 SWG5完成了关于物联网参考体系架构研究报告，针对物联网参考架构需求、要求及模型等提出分析。目前ISO/IEC JTC1 WG10（第十工作组）物联网工作组正针对物联网参考架构标准项目进行研究和标准化工作。

2. ITU-T

国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）对物联网的架构研究主要成果有ITU-T Y.2060、ITU-T Y.2063、ITU-T Y.2069和ITU-TY.2080等。ITU-T Y.2060描述了物联网参考模型的每一层的功能。此外也定义了物联网参考模型的生态系统和商业模式，如图2-3所示。

ITU-T Y.2069收集了在ITU-T发表的物联网相关的术语和定义，主要包括RFID、普适计算机、物联网网络、M2M等方面的术语和定义。ITU-T Y.2080是分布式网络功能架构。如图2-4所示，分布式业务网络（Distributed Service Network，DSN）一个覆盖网络，为了在下一代网络（NGN）环境中支持各种多媒体服务和应用，它提供了分布式功能和管理功能。

ITU-T Y.2063概述了Web架构，阐释了服务层、适应层和物理层三层架构以及每一层的功能。ITU-T F.744描述了传感网网络中间件的服务和要求并阐述了传感网（Sensor Network，USN）中间件的功能模型。ITU-T F.771介绍了由基于标签识别的物理实体，ID标签（RFID或条码），ID的终端，网络和服务的功能域触发的多媒体信息访问功能模型。ITU-T H.621介绍了由基于标签的识别触发的多媒体信息访问功能架构。ITU-T Y.IoT定义了物联网应用网关的功能结构，并介绍物联网网关的功能实体。本文档正在制定中。

3. ETSI

欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）在物联网架构的主要成果是ETSI TS 102 690标准，它描述了端到端的M2M功能架构，如图2-5所示，包括功能实体和相关联的参考点的描述。M2M功能架构主要关注服务层方面，并采取底层的端至端服务。

（1）应用实体（AE）：应用实体为端至端的M2M解决方案提供应用逻辑。应用程序实体可以快速地跟踪应用程序，如远程血糖监视应用程序，远程电力计量和控制应用程序。

（2）通用服务实体（CSE）：通用服务实体包括一系列的M2M环境下常见的服务功能，如管理功能、安全机制等。

（3）基础网络服务实体（NSE）：基础网络服务实体为通用服务实体提供服务如设备管理、位置定位等服务。底层网络服务实体也在M2M系统中提供实体间数据传输功能。

4. GS1

在全球产品电子编码（Electronic Product Codeglobal，EPCglobal）里，国际物品编码协会（Globe Standard 1，GS1）EPCglobal架构框架为其相关标准集合体，包括软件、硬件、资料标准以及核心服务等，由EPCglobal及其代表共同经营运作，目标是推进EPC编码的使用，促进商业圈和电脑应用的结合，达成有效供应链管理。从图2-6基于RFID的物联网应用架构的描述可知，一个物联网主要由EPC（产品电子编码）编码体系、射频识别系统、EPC中间件、发现服务和EPC信息服务5个部分组成。

（1）EPC编码体系：物联网实现的是全球物品的信息实时共享，要实现全球物品的统一编码，即对在地球上任何地方生产出来的任何一件产品都要给它打上电子标签。在这种电子标签里携带有一个电子产品编码，并且全球唯一。电子标签包含了该物品的基本识别信息。

（2）射频识别系统：射频识别系统包括EPC标签和读写器。EPC标签是编号的载体，当EPC标签贴在物品上或内嵌在物品中时，该物品与EPC标签中的产品电子代码就建立起了一对一的映射关系。通过RFID读写器可以实现对EPC标签内存信息的读取。这个内存信息通常就是物品电子码，它经读写器上报给物联网中间件，经处理后存储在分布式数据库中。用户查询物品信息时只要在网络浏览器的地址栏中，输入物品的编码，就可以实时获悉物品的各种信息。在供应链管理应用中，可以通过产品唯一标识，查询到产品在整个供应链上的处理信息。

（3）EPC中间件：要实现各个应用环境或系统的标准化以及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间，须设置一个通用平台和接口，通常将其称之为中间件。EPC中间件实现RFID读写器和后端应用系统之间的信息交互，捕获实时信息和事件，或上行给后端应用数据库系统以及ERP系统，或下行给RFID读写器。EPC中间件一般采用标准的协议和接口，是连接RFID读写器和信息系统的纽带。

（4）发现服务（Discovery Service）：EPC信息发现服务包括对象名称解析服务（Object Naming Service，ONS）以及配套服务，基于电子产品代码，获取EPC数据处理信息。

（5）EPC信息服务（EPC Information Service，EPCIS）：EPCIS即EPC系统的软件支持系统，用以实现最终用户在物联网环境下访问EPC信息。

图2-6所示为一个典型物联网应用的基本体系架构。该应用系统由三个子系统组成，EPC射频识别系统、中间件系统和互联网系统。其中RFID识别系统包含EPC标签和RFID读写器。中间件系统含有EPC信息服务（EPC Information Services，EPCIS）、实体标记语言（Physical Markup Language，PML）以及对象名解析服务（Object Name Service，ONS）及其存储系统。中间件系统建立在计算机互联网的基础上，提供EPC数据的传输、转换和数据加工功能，并实现EPC的跟踪和查询等服务。

5. IEEE

电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的P2413工作组正进行物联网体系架构的研究，该工作组希望定义一个物联网体系架构框架，包含了各种物联网领域的描述，物联网领域的抽象的定义，识别出了不同的物联网领域之间的共性，提供一个参考模型，这个参考模型定义了各物联网类别之间的关系（例如、交通、医疗等），还有常见的体系结构元素。

2.1.4 物联网的网络架构

综上所述，我们能得到物联网网络架构如图2-7所示，由感知层、网络层和应用层组成。感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。应用层包括应用支持子层和各种物联网应用。应用支持子层为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

如果拿人来比喻物联网的话（见图2-8），感知层就像皮肤和五官，用来识别物体、采集信息；传送层则是神经系统，将信息传递到大脑；大脑将神经系统传来的信息进行存储和处理，使人能从事各种复杂的事情，这就是各种不同的应用。