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参考自：国家出版基金项目 《物联网与智能制造》 张晶 化学工业出版社

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Author：HYH
Date：2020/7/20

1物联网

物联网有别于互联网，互联网的主要目的是构建一个全球性的信息通信网络，而物联网则侧重信息服务，即利用互联网、无线通信等进行业务信息的传送，服务对象由人转变为包括人在内的所有物品。物联网作为互联网的延伸，通过将智能物件整合到数字世界，面向用户提供个性化和私有化服务。

因此，物联网的体系架构应包括如下内涵：网络体系架构、技术与标准体系、资源与标识体系、产业与应用体系、服务与安全体系。

2物联网网络体系架构

注意：国际上流行多种物联网网络体系架构（包括硬件架构和软件体系），这里只挑选了国内最常见的架构进行讲解。
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——从功能角度建立的物联网体系架构

2.1系统总体架构：USN

USN是从功能角度（将组成系统的模块按照功能分解成若干层次）抽取系统的组成部件及其之间的关系，进而建立物联网系统体系架构。

USN体系架构是由韩国电子与通信技术研究所在2007年瑞士日内瓦召开的ITU下一代网络全球标准化会议（NUN-USI）上提出的。该体系架构将物联网自底向上分为五层，依次为感知网、接入网、网络基础设置、中间件和应用平台。

层名	功能
应用平台	各个行业的具体应用
中间件	负责大规模数据采集与处理的软件组成
网络基础设施	基于后IP技术的下一代互联网NGN
接入网	由网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施
感知网	用于采集与传输环境信息

USN属于后端集中式体系架构，是指物联网中的大部分信息处理任务和用户请求由后端信息服务器或服务支撑平台完成。这种体系架构更方便对物联网资源进行全局优化调度，但信息处理的灵活性与时效性稍差。

由于USN体系架构按照功能层次比较清楚地定义了物联网的组成，目前被我国工业与学术界广泛接受，同时基于USN体系架构衍生出很多改进方案。工业与信息化部电信研究院在其出版的《物联网白皮书（2011年）》中阐述了一种基于USN的简化分层物联网网络架构，包括感知层、网络层和应用层（自下而上）。

层名	功能
应用层	包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用
网络层	实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网
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

USN属于硬件架构。

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——基于WEB服务的物联网软件体系架构参考模型

2.2软件体系架构：M2M

M2M同时包括硬件架构和软件体系，而USN却缺乏后者，有一点我很奇怪，为什么在硬件结构中流行USN，但在软件体系中却流行M2M，从这个角度来看，或许硬件架构的参考模型和软件体系架构的参考模型在一定程度上可以随意组合。

软件体系架构：从不同视角对软件系统的组成进行抽象，同时将系统资源提供的能力抽象为软件构件，进行精确规格说明的图形化或形式化模型。
从采用的软件构件类型来看，软件体系架构分为三种类型，其中一种为基于WEB服务的物联网软件体系架构参考模型。
随着互联网技术的发展，感知和执行设备可以被嵌入WEB服务，通过HTTP等协议为用户提供实时数据服务，并与互联网环境中现有的其他WEB服务组合起来，构成基于WEB服务的物联网系统——Web of Things（WoT）。目前实现WEB服务有两种架构风格，该参考模型又包括两个子类，分别是基于SOAP风格和REST风格的WEB服务物联网软件体系架构。

鉴于前端感知设备的资源受限性，近年来研究者更多地采用REST风格来设计实现物联网的物理实体服务。基于REST风格的WEB服务将位于云端和物端的资源互联起来，成为目前最广泛采用的方法。

M2M是基于REST风格的WEB服务物联网软件体系架构。

M2M（Machine to Machine）是欧洲电信标准组织（ETSI）正在制定的一个物-物通信标准体系结构，用以实现非智能终端设备通过移动通信网络与其他智能终端设备或系统进行通信。

参考：公共物联网（M2M业务）标准

3物联网技术体系

目前主流的物联网分层体系架构，均包含感知层、网络层、应用层三个层次。物联网涉及诸多关键技术，为了系统分析物联网技术体系，可将其划分为感知与识别关键技术、网络通信关键技术、业务与应用关键技术、共性技术和支撑技术。

感知与识别关键技术

感知技术实现对物体与环境信息的采集、压缩与预处理，将模拟量转为数字量。感知技术的关键是传感器设计（指具有信息处理能力的智能传感器，例如微机电系统（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）传感器），其具有微处理器，带有采集、处理、交换信息的能力，是传感技术与微处理器相结合的产物。智能传感器可储存并处理数据，并且传感器之间可进行信息交流。
识别技术实现对物联网中物体标识和位置信息的获取，以实现对目标对象的精准联系与定位。

微机电系统可实现元件的高度集成，是当前传感器领域发展的重点。

多个传感器按照一定的拓扑结构互联即形成了传感器网络，包括有线和无线两种类型。

网络通信关键技术

物联网通信技术根据传输距离可分为两类，一类是短距离通信技术，另一类是广域网通信技术。由于物联网多元化的服务能力要求多个信息终端能够按需组网，因此面向服务需求的信息终端短距离组网技术也是物联网的关键通信技术之一。
物联网常用的短距离通信技术（无线电波、几十米内），有bluetooth,zigbee,wifi,nfc等十多种。
与传统面向互联网的路由算法不同，物联网路由协议的设计需要考虑低功耗。

无线自组织通信技术
是物联网及其类业务的内在要求。传统的无线蜂窝通信网络需要固定的网络架构和系统设备的支持来进行数据的转发和用户服务控制。无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时由其他用户节点进行数据的转发，采用动态路由和移动性管理技术实现物-物信息交互。

IP承载与网络传输技术
是实现物联网海量数据高效传输、汇聚、存储、处理的必然选择。

异构网络融合接入技术
是物联网面向异构终端、异构网络提供多样化服务的关键技术。如今不同制式的无线接入网络共存，这些网络在各方面均存在明显差异，任何单一的网络均难以满足移动用户的泛在接入需求，需要将异构的无线网络协同起来，为用户提供无缝的信息服务。异构网络融合是指通过一定的技术与设备达到不同类型网络的互访，通过资源共享达到节省成本、提高资源使用效率、优化服务质量的目的。

业务与应用关键技术

基于网络技术的不同，可以把物联网业务分为四类：
身份相关业务：利用RFID、二维码等身份标志提供的各类服务
信息汇聚型业务：物联网终端采集、处理信息，经通信网络上报数据，有物联网平台处理，提交具体的应用和服务，实现远程终端的自动控制
协同感知业务：通过物联网终端之间、物联网终端和人之间进行通信，达到终端之间协同处理的目的
泛在服务：无所不在、无所不包、无所不能

支撑技术

嵌入式系统、微机电系统、软件和算法、电源和储能、新材料技术

共性技术

物联网共性技术涉及网络的不同层面，包括架构技术、标识和解析、安全和隐私、网络管理技术

4物联网资源体系

物联网包含终端、网络、频谱、数据、平台等各种资源。

终端资源
物联网时代的终端资源种类发生了量变和质变。

物联网终端是连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。物联网终端通常由外围感知接口、中央处理模块和外部通信接口三部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，将这些传感设备的数据进行读取，通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通信接口发送到以太网的指定中心处理平台。

频谱资源
物联网的巨大规模以及信息交互与传输以无限为主的特点，是无线电频谱成为基础性支撑资源。
物联网有频谱需求的部分主要是感知延伸层和网络层。感知延伸层主要涉及无线传感网的频谱配置，网络层主要涉及无线接入网的频谱配置。

5物联网标识体系

对事物进行标识和识别是实现物联的基础。物联网标识用于在一定范围内唯一识别物联网中的物理和逻辑实体、资源、服务，使网络、应用能够基于标识对目标对象进行控制和管理，以及进行相关信息的获取、处理、传送与交换，最终实现物联网服务的提供。
物联网标识可以分为对象标识、通信标识和应用标识三类，一套完整的物联网应用流程需要由着三类标识共同配合完成。

对象标识
主要用于识别物联网中被感知的物理或逻辑对象。对象标识有一维码、二维码或生物标识等。

通信标识
通信标识主要用于识别物联网中具备通信能力的网络节点，例如手机、读写器、传感器等物联网终端节点以及业务平台、数据库等网络设备节点。现阶段正在使用的编码规范，包括IPV4、IPV6、MAC等。

对于具备通信能力的对象，既可具有对象标识，也具有通信标识，但两者的应用场景和目的不同。

应用标识
用于对物联网中的业务应用（医疗、金融服务等）进行识别。在标识形式上可以为域名、URL等。

在物联网中，不仅需要利用标识对人和物等对象、终端和设备等网络节点以及各类业务应用进行识别，更需要通过标识解析与寻址等技术进行翻译、映射和转换，以获取相应的地址或关联信息，最终实现人与物、物与物的通信以及各类应用。

6物联网服务体系

物联网服务是指在环境感知、信息处理的基础上，通过协同异构终端资源、异构网络资源、多元业务资源，为目标用户提供特定数据、信息或控制的过程。

从基于云的物联网系统结构来看，物联网服务可分为云服务和实体服务两种类型。
1 云服务是指由云端资源提供服务，是物联网处理物理信息的基础构建；
2 实体服务是由实体资源提供的实体服务，是物联网系统提供物理信息并与物理环境进行交互的基础构件。

物联网服务平台

物联网服务平台是解决大规模异构物端设备互联与服务提供的必选方案。

物联网服务平台通常由科研机构、产业联盟或骨干企业承建，面向产业提供标识管理、设备管理、共性技术研发等公共服务。
服务平台处于物联网系统结构的中间环节，向下接收来自智能传感器或传感网的数据，向上为物联网应用开发提供平台支持，并以可视化方式将服务（数据）呈现给用户，通过数据操作实现服务的自动控制。服务平台允许不同类型的物端接入，并由平台中的数据库存储接入平台的物体的原始状态、可调用参数等信息。

基于平台的物联网服务体系架构如图所示，包括服务终端、服务网络、服务平台以及各种应用。

目前基于SOA和web服务技术构建物联网服务平台是主流技术。

7物联网安全体系

物联网本质上是一个异构多网的融合网络。

从分层的角度来看，物联网安全问题可分为感知层安全、网络层安全、应用层安全三个方面。

感知层安全问题
主要包括针对RFID的安全威胁、针对无线传感网的安全威胁和针对移动智能终端的安全威胁。

网络层安全问题
主要包括接入网与核心网络的传输与信息安全问题。

应用层安全问题
主要包含数据处理安全和数据应用安全。