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物联网开放体系架构发展研究

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资料介绍

物联网开放体系架构是推动物联网开放式发展、建立新型物联网基础设施、解决物联网应用系统互联互通互操作问题的重要途径.本文在总结物联网发展规律的基础上,分析提出物联网开放体系架构的概念内涵,深入剖析了其历史根源和发展现状,讨论了其发展的关键要素,最后提出了利用物联网开放体系架构推动物联网发展的一些建议.

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第5期

2016年10月

q詹-tt舛簟

Journal

残学瓤

V01．“No．5

0ct．2016

of CAEIT

o≈ gN蠕℃≈ s女gN辱≈ ≈ 与)

《

述-3

doi：10．3969／j．issn．1673— 5692．2016．05．005

也乱=写吨手乱=石Ⅵ#斗e石＼2写吨手^s写迮步

物网开放体系架构展研究

李

(

北

算技研究所，北京100083)

摘要：物网开放体系架构是推

用系互通互操作

开放体系架构的概念内涵，深入剖析了其史根源和

出了利用物网开放体系架构推展的一些建

：物网；物网开放体系架构；物网基施；互互通互操作

物

网开放式展、建立新型物网基

施、解决物

网

互

的重要途径。本文在

物

网

展

律的基上，分析提出物

网

展

状，

了其展的关要素，最后提

物

网

。

关

中

分

号：TP39

文献

：A

文章号：1673-5692(2016)05478-06

Research on the

Architecture of IOT

Open

LI Xiao— hui

China Institute of

(NoAh

Computing Technology，Beijing 100083，China)

architecture of IOT is an

the

for

open development

Abstract：The

IOT，construct

open

important approach

promote

of interconnection and

the new

of IOT infrastructure and solve the

interopera-

type

problem

between lOT

basic

of the

architecture of IOT is

described，the

open

bility

systems．The

concept

history

at last

discussed，and

root and current situation is

for

are

deeply analyzed，the key points

development

some

for

IOT

are

proposals

constructing

systems

proposed．

and

architecture of

Key words：IOT(internet

lOT；IOT infrastructure；interconnection

things)；open

interoperability

的

接，行信息交与共享。

第三段(2012一)，是物网目前正在

的

引

物

言

段。随着物

网

模化、同化

展

日益明

，其多元性、复性、合性的特征逐

凸

，比

；人

网技

和

被誉信息技未来争的

如，

不

网

的种、数量、智能化水平突

猛

制高点和

升

的核心

力。其展至今，

关注物，也开始关注物控；人

不

需要

了几个有明特征的段：

第一段(1995— 2004)，可被称基于RFID

的物，以RFID、代表，利用

将物品接人网物品信息的数

字化以及物品状的跟踪。

第二段(2004— 2012)，可被称基于局域网

一物网系提供的用服，也开始需要跨区域

子

品

等

跨行

网的展提出新的挑

网系

的技成本高、重复建多、物体／信息共享、系

的

用服能力等等。所有些，都

物

射

，

。

一、封、内的物

很

足展需求，烟囱式建模式来

互

直

互通互操作性差等

成

展瓶。打破垂

的物，以无

利用无

感网、一行

感器、局域网

用等代表，

物体与网

用的烟囱壁、建立支持万物互的基

网

、

等

收稿日期：2016-05— 20

基金目：中国科主

修

日期：2016-08-31

新基金目(No．JJl20102)

万方数据

479

2016年第5期

李

：物网开放体系架构展研究

里的“开放系 ”指的是：系按照内部模

形成跨区域跨行

互

的网

基

施，成

一

化、接口准化的原

就能在多种系

行

；系

件

最小改

件能

段的

网

展

点。因此，

一段可被称基于互

中

行移植和利用；系

的物

网

段。“开放物 ”是

一

段的

以灵活的方式行集成并与本地和程系中的其

他件方便地行互操作。

重要志，互互通是

一

段的本需求。

物

网开放体系架构，正是

物。它于推

网基施、提升物网公共服能力、促

用爆炸式展等具有重要意

本文在

出了物网开放体系架构的概念内涵，剖析了它

生的史根源，研究了其状，了其关

素，最后提出了利用物网开放体系架构推

展的意和建

一

期的

展

物

网开放式展、建立新型物

定

(1)物

。

了以下几个重点：

当是独立于物网用的基物

物

网

。

物

网

展

律的基上，分析提

(2)物网开放体系架构，关注的是承各种

用所需要的基共性能力，些基共性

用的支持就越好。比如物体

物

网

展

要

能力越

，

物

网

物

的接人、管理、

、

址、通信、服

等

。

网

。

(3)物网开放体系架构，倡的核心是“开

放”，开放的目的是跨界的融合。它最直接的

效果，就是能有效促跨区域、跨行、跨网、跨

、跨平台的各种物用之的互互通互

操作，以及大大减少系的重复投与建、推

物网开放体系架构

系

网

公

1．1概念内涵

共

源

展，并以此

用的巨大潜能。

(4)物网开放体系架构的本是要确定物

网体系中各种要素的次关系和关接15，并采用

开放束。通提供框架和开放

准，来指或支持物网开放系、开

分

角色和分工、激开放

物

网的概念自提出以来，一直在不断演

展。目前，具有一定共的物网定，是指利用

信息网，有机整合感知、理等各个

物理世界与信息世界的无接，最

源的感知、智能控制、高效利用、

和

式

、

，

足

准行

人

各

的

、

科学管理和智能决策。

运行和

。

从

个定看，物网的本，是要

物理世

1．2 史根源

界和信息世界的高度融合，底打破

的生

和

、

生活方式。因此，物体、

、智能硬件、网

、

然物网开放体系架构是一个新概念，但开

放系本身，其史却由来已久。开放系

律的研究，不更好地理解开放

的概念和内涵，而且有助于我网开放体系

架构的研究取得更加深入的展。

开放系的概念，最早可追溯到上世 80年

件、服等，都是物网系要素。随着模化、

展

同化、智能化的展需求，些要素之的关

得十分复。一个典型例子就是，当一个物

将

网

展

能

我

物

用需要接入成百上千乃至更大模不同厂家、不

、不同接13的，开效率、效率、更

代的度和成本将急增加。而恰恰是物

展至段面的重要件、硬件、

、网在接口、、服准等方面的巨大差

网便捷、

矛盾的。正因如此，人

从物

能力。物网开放体系架构，正是基于此生的。

同

新

网

系

代。早在大型机期，算机、网等的技

一和断，各大算机公司以有系

和

品

。

相

主。

、

人80年代的个人算机期，随着Unix操作系

的准化以及RISC微理器体系构的准

异，和人

物

、智能的服需求是

网的研究重点开始

物

化，开放系的萌芽正式生。当

开放的

，

用

向如何更好地提供支持万物互的网

是以可方式，提供体系构和操作系

源

任何需要者。在当

有体系构和有操作系

目前，尚无

。在分析物

物

网

网开放体系架构的一定

律的基上，本文提

于全盛期的情况下，

种

念无疑是一大步。

的要

各厂商力量参与争尚有差距。因此，人又提

展

但

种“开放”意和倡开放系者

出一个参考定如下：

物

网开放体系架构，指的是可以支持物

建的网体系构。

网

出

“开放”的共

当是：公开未来的开

划、

开放系

公开征集相关的技、公开决定

准

范的程。

万方数据

480

2016年第5期

中嚼；舛譬善If雹障譬瓤

三个“公开”充分示出开放系

大的生命力。

前列的国家，尤其在物网体系架构和准化等方

个人算机以及之后的互网从小到大蓬勃展，

正是开放系思想最生的体。由于公开化和

面开展了大量工作，有的甚至成国家

的

展

重点。

准化的影响，能激励众多厂商参与开遵循

界面的件、硬件和系，并逐流通品。

，必然能短开

用，而且能最大化的解决系

准

欧盟方面，高度重

完善的政策体系，涵盖了包括技

理、未来愿景等在内的众多域，并且持

略框架、行划和略研究路

“第七研究框架划(Framework

物

网

新，有一套相

成

、用、准、管

然，利用些流通

周期、减少开

品

系

布信息

。其中，

的

。

化

功能充、更新代、兼容移植、互互通等

Program7，FP7)”

因此，开放系的概念，在90年代后期逐走向

和“地平 2020科研划”就是典型代表。FP7框

成熟。

架中，提出了两个比典型的物网体系架构方案：

SENSEI架构"1和IOT— A架构∞J。SENSEI架构一

开放系

不

在民用域蓬勃展，在事信

程中也了重要作用。海湾

国的信息系 (以C4I系

代表)，基本属于各种独立建用或有系

。随着一体化合作想被提上日程，

息系的建

争

共分

三

：通信服

有网

、

源

和

用

，通信服

以前，美国等

事

用于

基

施的服映射，

源

用于提供一的交互接口，

三方提供度接口。SENSEI架构通

接口和范提供了一套一的网与信息服

用

及第

的

些

定服

大型复

新技

系

通性差、采

力大、开成本高、

不断暴露。尤其在

以快速注入等

。IOT— A架构是SENSEI架构的增版，尤其在

互操作性方面做了重点提升。IOT— A架构一共分

了海湾争之后，美很快意

到

系在快速

四

：无通信

、M2M API 、IP

了各

不同无通信

和用

适

复

多

的作任方面存在很大缺陷。于

API

定

物

网

源交互

一物物

是，1994年，美率先提出要利用开放系工程的

方法，通 “建立一的、一的国防部技体系

构，束今后国防部所有C4ISR系的采 ”⋯ ，

。其中，M2M

的接口，是

通信接口的梁。IP

用于提供

。IOT— A架构提供了一套

完的物网体系构参考模型。

广域范

内

源共享的互

技

从分立系

建

向

合系

建 (以C4ISR系

代表)的模式

，以增加信息能力，最

取

作

。1995年，美国国防部布了包括

用

美国方面，一直在

布了包括

略

面布局物

网

展。

算机、件工程、操作系、数据管理、数据交、分

布式算、用接口等各种准在内的信息管理技

体系构框架旧。4 J，定了国防部今后所有

不

新伙伴划、先制造伙伴

划等在内的一系列国家略，将物网、信息物理

(Cyber— Physical System，CPS)等列影响国

家潜在利益的关。而且极推

，共同参与工准框架等技

制定，以期利用物展来重塑美国的制造

系

C4ISR系

容，正式拉开了用开放系

20多年，美国一直在持出台和更新各种

文件，用以范三的信息系研制。

，开放系略，在网中心思想指

展模式、型升、并确保程中

采

、开、使用和

需要的目

展的序幕。随后的

性的

内

技

工界

企

互

网

的

。目前美国在体系架构方面的成果主要有Physi．

cal— net架构r刊和CPS架构旧J。Physical— net架构

当

美

分

四

：服提供、网关

、

能

和

用

。

，

下改

作

型

它最大的特点是，底感知

直接提供服

效能持性提升等起到了非常关的作用。

从以上分析可以看出，开放系的价在网

并通网关

行服收集与分，从而有效分离

境中得到了最充分的展

性和分布性非常需要利用开放系

享、特是互操作性等

展到一定段，必然要走向开放式展的原因

，

是因

网

的异

了用需求与源分配，能很好地解决多用

技

解决源共

境下异构源的管理与

由美国自然基金委提出，它以构建可控、可信、可

展的CPS网物理世界与信息世界的融合

。其最大的特点是，物理具有算、通信、

自治、、精确控制等能力，有助于算、

划

。CPS架构

。

也是什么物网

，

目

之一。

程

1．3 展状

通信与物理系的一体化

国方面，它是全球

。

欧盟、美国、国、日本等，都是物

网

展走在

普及率最高的国家。

万方数据

481

2016年第5期

李

：物网开放体系架构展研究

2006年，国确立了u— Korea 略，旨在建立无所

不在的信息社会，将物网作三大基重点

之一。2013年10月，国政府布了ICT研究与

划“ICT WAVE”，将物网列 10大关

国科学信息通信技和未来划部(MSIP)

2014年推出物网国家行划，一步推 ICT

与其它的融合。国在物网体系架构方面的

典型代表，是由子与通信技研究所(ETRI)

提出的USN架构∽J。USN架构包括五：感知

接入网、网、中用平台

施的重要作用。目前已形

盟(ITU— T) 准。

日本方面，自上世 90年代中期以来，相

架构

的

划分以及接口准化的

。

些都是开放思想的具体体。随着物

网

用的不

建

断丰富以及架构研究的不断深入，物网开放体系

架构将会生深影响。

物

网

展

开

技

。

1．4关要素

从前述内容可以看出，物网开放体系架构的

核心是开放，本是要提供一套物

架以及开放准，用于指或支持物网开放系

网

框

国

、

基

施

件

和

的

、开、运行和

。因此，它的关要素主

要包括：参考模型、

1．4．1参考模型

准范以及共性开放平台。

，

了物网基

成国

信

参考模型的作用是明确系

构成系的元素、各元素之的交互关系、

构成模式以及模式之的限制等行抽象描述。

网开放体系架构的参考模型，充分体

的

次划分和功能

布了e— Japan、U— Japan、i— Japan 划。其在物

网体系架构方面的典型代表是由ulD中心提出的

分

，

ulD架构¨0|。ulD架构主要由uCode、uCode

eTRON 机构、信息服器、uCode解析服器和

泛在通信器等部分构成，目是基于uCode建立与

推广物品自并最构建一个无不在的

、

物

开放的特征，从各种差异明的物网系中提

共性需求、行共性抽象，清晰地展示物网各

成

技

要素之

等，并考

模型，能快速确定需要准化的界面和服，形成

具有一性的廓。参考模型指形成参

考架构，参考架构与不同域需求合又形成具体

域的架构，最网系、开、采

、升等提供一的可供参考的依据。

了提高参考模型的用性，在确定界面和服

的

次关系、需求一服关系、交互关系

算

境。

各种新技展的兼容性。利用参考

除此之外，各大

准

也在极推

物

网

体系架构的展。ISO／IEC、OGC SWE提出了感

器网体系架构和感器Web使能框架；ITU— T

从下一代网的角度研究泛在感网，并提出分

准

能

物

的

、

的物网体系架构(包括端点、网

、

／

生

个

、

用支撑 )111]；ETSI、3GPP等提出了端到端

、

用

的M2M体系架构¨2|，主要重于机器到机器的通

信架构和物网网能力增；oneM2M自成立以

等的

准

行

不是唯一限定的。每个要素可以有多

，一旦定了具体准，就构成了系

来，在需求、架构、

在开展基于表征状

架构的准化工作。

等方面极开展研究，目前正

格(RESTful)¨引的体系

的

准

廓。从准本身的

展

看，正在逐

移

步从硬件走向件、从抽象程度低走向抽象程度高。

准界面的抽象程度越高，蔽化技越复

，

蔽

中国方面，具有代表性的物网体系架构主要

有：无研究院提出的“六域”模型¨4|、

的程度就越高，

用和用程序开者来就更

物

网

加有力。

1．4．2

准

范

中国科提出的物网开放体系e— things架

构¨5|。“六域”模型将物网划分六个域：用

当

，准范是配合参考模型共同使用的。

域、目

象域、感知控制域、服提供域、运管控

物

网开放体系架构的一个重要目，就是提升系

的互互通互操作性。从技角度看，就是

用程序在多种和多版本的品之

域以及源交域，不同的物网系

明确了用系、网通信和信息交

行抽象，

面的功

之

等

要促

可移植性开

化的内容，二是

能

体和接口关系。e— things架构提出以物体

。

里重点

或制定

两个

准

，一是

准

描述模型

基

，以物港和物体

解析核心

需要遵循的一些

的基本框架，致力解决物体

解析、接入管理、

原

。

服

、搜索交互等基能力的一支持。

于物网来，异构性最大的源主要是物

源和网源(包括算、存、数据、服、通

体来看，各大研究机构提出的物网体系架

体

构各具特色，但它都有一些共同特征，即都非常重

信等各种源)。因此，物网开放体系架构首要

万方数据

482

2016年第5期

中露；舛譬q 限学帆

源的

关注的就是物体的准化描述，其次是网

开放模型及准指下的开放平台，不在分布式、

可移植、可伸、模化、容源共享等方面具有

，而且非常便于各种用增添新的系

功能，并且在充或者升的影响最小。

准化交互。物体准化描述，最大的价就是支

持网中所有物体信息的一致理解，其中

包含了物体的基本属性、物体的接特征、物体的感

、

元

明的

系

知控制能力、物体支持的交互方式等等。网

源，

算

也是开放架构、开放系的意所在。

涉及的内容很多，包括物理介、通信源、

源、中

件

源、服

度、服封装等方面充分考

明确了需要准化的内容，需要注意

的一些原或制定

源等等，需要在数据交

、

。

或

2 展建

源

准化的

物

网是未来极具展潜能的域之一。物

网开放体系架构的研究，将网开放式

展和大用做出重要献。建开放架

制定

准

。

准

，必

推物

遵循开放性、成熟性和可用性原。开放性包括技

和来源两个方面，技方面包括衡量定的

互操作性、可展性、可移植性／技独立性；来源是

模

在

准

构

展

的基上，立足

，高度重以下几方

面工作：

指

准

从ISO 准、国家准、行

。成熟性是指一个

准、

用

(1)高度重开放系

略普及和推广施物网开放互

略，作国家面的

准中

行

准

的成熟程

略；

度，即准是否被广泛使用、准已用了多

(2)建立技体系构，明确界面和接口，重

互操作性、可移植性、可伸性；

及

准

定的量一致性

是否可行。开放性和

成熟性通常是

量系

足系的最低要求，就是可用性差，仍然不能

准的考核价，可用性是指衡

(3)制定开放准，包括国

准；

准、国家准和

接口准的可用程度，如果接口准不能

行

建

(4)制定

开

指南，指

物网开放系

采用。

；

(5) 合技

展和需求引，不断修正和更

1．4．3共性开放平台

如果参考模型和

新物网开放体系架构的内涵，学研用

同

新。

准

范属于理

运行的硬件境。根据参考

范开和建的共性平台，具有真正

指，那

么共性平台就是

模型和

参考文献：

准

tech—

defense

Defense．Department

joint

[1]Department

意

上的开放性。

nical

architecture[DB／OL]．http：／／www．jta．itsi．disa．

目前，国内外很多大公司都推出了

感器、

mil，2001．

智能

的物网平台。国外有Xively、Arrayent、

of Defense．Statement of

work(SOW)for

[2]Department

Device Cloud

Etherios、Nimbits、Thingspeak等，国

内有Yeelink、OneNet、e— things、

阿里物网平台等。它多数定位于开放的物

平台和云平台，重点解决异构接人、数据管理、

common hardware

systems-4(CHS4)[R]．Department

物

网平台、

of Defense

3．9，2009．

report：version

网

architecture

en—

[3]Department

Defense．Open

computing

and

vironment

standards[R]．Department

technologies

服

化等

定

，例如，很多平台都用到了云算技

一的数据格式和接人方式，都集成了第三

Defense

report：version 1．0，2004．

of architecture

en-

computing

Defense．Open

[4]Department

，

of Defense

vironment

design guidance[R]．Department

方

用，允第三方硬件接人到平台，并与其交互数

1．0，2004．

report：vemion

据等等。

C．The

[5]Presser M，Barnaghi M，Eurich M，Villalonga

些平台都有一些共同特征，即都将共性、开放

展目然它与目前各机构提出的物

网参考模型及范仍有差 (很多参考模型尚

未工程化和品化，很多平台依据的准目前

with

the

SENSEI

the

world

physical

projeet：Integrating

作

。

world of the network of the

future[J]．Global

digital

准

Communications

Carsten

Newsletter，2009，47(4)：1-4．

and solutions for

[6]

Magerkurth．Concepts

entity—

只是行

双

准)，但准化和品化本身就是可以

based

namic

of IoT resources and

their

managing dy—

discovery

deliverable

螺旋式演的事物。从物

网

模化、

“万物

”的展愿景，成全球性的基网，建立在

associations[R]．10T— A project

report

D4．3，2012．

同化、智能化的

展

来看，最是要

(下第494

)

互

万方数据

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