物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用分析與研究

引言

未來的物聯(lián)網(wǎng)世界是一個(gè)什么樣的畫面呢？盡管國內(nèi)各方人士對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義還爭(zhēng)論不休,但多數(shù)人已經(jīng)認(rèn)同物聯(lián)網(wǎng)拓展了互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)的邊境延伸到了物理世界這個(gè)說法。物聯(lián)網(wǎng)是未來互聯(lián)網(wǎng)的一部分，能夠被定義為基于標(biāo)準(zhǔn)和交互通信協(xié)議并具有自配置能力的動(dòng)態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，物理和虛擬的“物件”具有身份、物理屬性、擬人化、使用智能接口并可無縫綜合到信息網(wǎng)絡(luò)中。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)密不可分，因此，在關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，還應(yīng)該對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有所了解。

2010年，我國在政府工作報(bào)告中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)所附的注釋說明是:通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),盡管下一代互聯(lián)網(wǎng)將以支持物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用作為主要目標(biāo)之一，但物聯(lián)網(wǎng)并不是互聯(lián)網(wǎng)的下一代，物聯(lián)網(wǎng)可以說是互聯(lián)網(wǎng)上的一種業(yè)務(wù)或應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)上傳統(tǒng)業(yè)務(wù)相比有不同的特點(diǎn)：在物聯(lián)網(wǎng)以公眾網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的情況下，物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)上面向特定任務(wù)來組織的VPN；互聯(lián)網(wǎng)是全球性的，但物聯(lián)網(wǎng)往往是行業(yè)性的或區(qū)域性的；一些物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用例如智能電網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)承載平臺(tái)的可靠性有很高的要求;物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用的多樣性與承載平臺(tái)的通用性之間需要有中間件來適配;物聯(lián)網(wǎng)的上層即智能信息處理、數(shù)據(jù)挖掘與決策支撐等是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不一定需要的功能。物聯(lián)網(wǎng)作為潛力巨大的新興產(chǎn)業(yè),在國內(nèi)多個(gè)行業(yè)中已經(jīng)有了眾多的成功應(yīng)用案例，在這樣的背景下，開展物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1  物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

目前的物聯(lián)網(wǎng)并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。不同的組織,在不同的時(shí)期給出相近但卻不盡相同的定義。取其中有代表性的定義而言，“物聯(lián)網(wǎng)”(IOT,Internet of Things)指物體通過裝入各種信息傳感設(shè)備,然后與互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)等通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，最終形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，通過電腦或手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化管理。

美國麻省理工學(xué)院于1999年首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念是:可將所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理的網(wǎng)絡(luò)。2005年,在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)在年度報(bào)告中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念的涵義進(jìn)行了擴(kuò)展，正式將物聯(lián)網(wǎng)的概念定義為：信息與通信技術(shù)的目標(biāo)已經(jīng)從任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連接任何人,發(fā)展到連接任何物品的階段，而物體的鏈接就構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)。

IBM提出的“智慧地球”概念的遠(yuǎn)景目標(biāo)是“改變個(gè)人、企業(yè)、組織、政府、自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)交互的方式，使其更加智慧，也就是更加清晰、效率更高、響應(yīng)更靈活和及時(shí)”，其要點(diǎn)是“更透徹的感知和度量、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化”。因此，“物聯(lián)網(wǎng)”實(shí)際上所涉及的內(nèi)容至少包括感知，互聯(lián)互通和智能化等三層。

所謂感知，就是讓物品會(huì)說話，目前使用的有RFID、GPS、視頻、二維碼等；互聯(lián)互通包括互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊(2G/3G/4G)、傳感網(wǎng)、三網(wǎng)合一等;智能化包括各種分析/洞察/處理，其涉及的技術(shù)還包括“云計(jì)算”等。

“物聯(lián)網(wǎng)”之所以火熱，其原因是業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為其一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段的主要形式M2M在2009年全球運(yùn)營商的業(yè)務(wù)收入約為15億美元。2010年的M2M市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2234億美元。美國市場(chǎng)研究公司Forrester預(yù)測(cè)，到2020年，世界上“物物互連”的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比,將達(dá)到30比1,僅僅是在智能電網(wǎng)和機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)方面的市場(chǎng)就有上千億元。因此，“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為是下一個(gè)萬億級(jí)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。圖1所示是全球信息化浪潮發(fā)展示意圖。

作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，感知層的傳感器與芯片有聲學(xué)、振動(dòng)、壓力、溫度、濕度、生物、化學(xué)、CCD、紅外、微波、靜電、RFID、信息處理與傳輸?shù)戎T多芯片；

信息網(wǎng)絡(luò)與傳輸技術(shù)則包括TD-LTE-U.WSN.INON等；

信息處理與存儲(chǔ)方面有曙光、深騰、跨尺度、數(shù)據(jù)密集型超算系統(tǒng)、過程模擬、社會(huì)計(jì)算等；

能源方面有太陽能、燃料電池、同位素、鋰離子；軟件則包括模式識(shí)別、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等。圖2給出了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)圖。

2  物聯(lián)網(wǎng)的安全及隱私

由于物聯(lián)網(wǎng)通常處于自然環(huán)境中，因此，如何長期經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)非常關(guān)鍵，換句話說,物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器技術(shù)提出了新的要求。很多時(shí)候，傳感器在自然界中要放幾年的時(shí)間，有的地方很偏僻，因此，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，功耗就變得更加重要了。而在惡劣環(huán)境中，長期維持網(wǎng)絡(luò)的完整性也十分重要，這就要求網(wǎng)絡(luò)要有冗余的傳感器，能夠替代已經(jīng)損壞的傳感器，做到網(wǎng)絡(luò)的自愈。除了這些自然因素以外，人為因素對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的威脅更大,這是較之互聯(lián)網(wǎng)更為嚴(yán)重的安全和隱私問題。當(dāng)程序復(fù)雜到一定程度或者說軟件代碼足夠長時(shí)，缺陷是不可避免的，可以說,安全問題是IT應(yīng)用與生俱來的。作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層面兩大核心技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID都存在無線信道，如何才能降低由此帶來的信息外泄和無線攻擊的風(fēng)險(xiǎn)？

目前常用的方法是在一些十分敏感的應(yīng)用中不采納公開的標(biāo)準(zhǔn),也不與商用網(wǎng)絡(luò)連接，或?qū)?shù)據(jù)和傳輸進(jìn)行加密。在無線傳輸時(shí)可以釆用專用的協(xié)議和頻點(diǎn)，還可以采用變頻、跳頻、擴(kuò)頻等無線技術(shù)。雖然有時(shí)可以用商業(yè)技術(shù),但在物理上要與商用系統(tǒng)隔離。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的分散式體系結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)路由和拓?fù)涮匦?，傳統(tǒng)的接入認(rèn)證、密鑰分發(fā)和協(xié)商機(jī)制很難應(yīng)用，而必須建立物聯(lián)網(wǎng)訪問控制模型和認(rèn)證體系。傳統(tǒng)的訪問控制策略主要有自主訪問控制(DAC)、強(qiáng)制訪問控制(MAC)和基于角色的訪問控制(RBAC)策略。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特殊性，在此環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)之間均無法確認(rèn)彼此身份；其次，由于用戶出于自身考慮，一般都不愿意把自己的相關(guān)信息提供給對(duì)方，雖可采用匿名等方法來實(shí)現(xiàn)這種目的，但卻增加了訪問控制的難度;此外，在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，大量用戶頻繁進(jìn)出網(wǎng)絡(luò),使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)漕l繁變化，也給訪問控制增加了復(fù)雜性。建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的訪問控制策略,首先要建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的信任管理模型,在信任模型的基礎(chǔ)上，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)確定信任權(quán)重和可靠度，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上應(yīng)用相應(yīng)的訪問控制策略。而建立信任模型與網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境密切相關(guān)，主要是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可用性、數(shù)據(jù)源的真實(shí)性、節(jié)點(diǎn)的匿名性和訪問控制等方面的問題。

3  物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議和應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議還是在TCP/IP協(xié)議之下的管理。但是也有許多新的特色。該方案如果物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)之中，則網(wǎng)絡(luò)管理需要適應(yīng)被管理對(duì)象的移動(dòng)性。這一方面，目前使用的MA-NET(mobile Adhoc network)可以給我們一些借鑒。MANET與無線固定網(wǎng)絡(luò)的不同點(diǎn)在于，MANET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以快速變化。MANET節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式會(huì)根據(jù)承載體的不同有明顯差異，包括運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、加速或減速、運(yùn)動(dòng)路徑、活動(dòng)高度等。由于拓?fù)涞目焖僮兓?，網(wǎng)絡(luò)信息(如路由表)壽命可能很短，必須不斷更新。為了反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，節(jié)點(diǎn)間不得不頻繁交換控制信息。而信息的有效時(shí)間又很短，部分信息甚至從未使用就已經(jīng)被丟棄，這使網(wǎng)絡(luò)的有限帶寬資源浪費(fèi)在信息更新之上。如何節(jié)省信息交換，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理提出了新的要求。目前國內(nèi)外在與物聯(lián)網(wǎng)相近的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)有不少研究，并且取得了一些積極的成果。這些研究和成果雖然沒有標(biāo)記是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，但是從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和管理的角度來看，應(yīng)該是適用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的。從網(wǎng)絡(luò)的工作形態(tài)來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與MANET更加接近。因此這些網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)有可能率先移植進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。MANET等網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理特點(diǎn)和相應(yīng)的網(wǎng)管要求主要體現(xiàn)在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁、低可靠性、電池容量有限、移動(dòng)設(shè)備的多樣性、安全性等方面。

目前,AdHoc網(wǎng)絡(luò)管理方案以分布式網(wǎng)絡(luò)管理為主，大致可以分為三類：基于位置的管理方案、基于移動(dòng)性感知的管理方案以及基于代理和策略驅(qū)動(dòng)的管理方案。

基于位置的管理方案CAANM(clustering algo-rithm applied to the network management,CAANM)方案是一種基于位置管理的方案，基于SNMP(simple network management protocol,SNMP)則采用同ANMP(Adhoc network management protocol,ANMP)類似的結(jié)構(gòu)，不同之處主要體現(xiàn)在管理者可以直接與代理以及簇頭間進(jìn)行信息交互。MUQS方案(man-agement with uniform quorum system,MUQS)是另一種基于位置管理的方案,該方案在邏輯上使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為骨干節(jié)點(diǎn)和非骨干節(jié)點(diǎn)。這個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)僅用于移動(dòng)性管理,路由協(xié)議仍在整個(gè)平面進(jìn)行，即多跳路由可以跨越骨干節(jié)點(diǎn)和非骨干節(jié)點(diǎn)。DLM方案(distributed location management,DLM)方案是一種分布式位置管理方案，使用的是一種格狀的分級(jí)尋址模型，不同級(jí)別的位置服務(wù)器攜帶不同級(jí)別的位置信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，只有很少一部分的位置服務(wù)器需要進(jìn)行更新。在DLM中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有惟一ID,并能通過GPS獲知自身的位置。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍相同的情況下,DLM要求網(wǎng)絡(luò)最小分區(qū)的對(duì)角線長度要小于節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。

基于移動(dòng)性感知的管理方案LFLM(locally for-warding location management,LFLM)是由一種能感知節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的管理方案。LFLM中使用了一種混合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，總體上分為兩級(jí),第一級(jí)是由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成組，每個(gè)組具有組頭(類似于簇和簇頭)；然后由這些組頭組成第二級(jí)，采用第一級(jí)中組的構(gòu)成方法，在第二級(jí)中又形成隊(duì)。LFLM是對(duì)傳統(tǒng)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中基于指針的位置管理方案的一種改進(jìn)，它給出了類似的一種利用指針技術(shù)的位置管理方案。GMM(group mobility management, GMM)方案是一種基于節(jié)點(diǎn)組移動(dòng)性的管理方案，通過觀察節(jié)點(diǎn)群組的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如距離、速度以及網(wǎng)絡(luò)分裂的加速度等)來預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的分裂。GMM的運(yùn)動(dòng)模型比較準(zhǔn)確，主要是采用組運(yùn)動(dòng)加速度這個(gè)參數(shù)提高了對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)準(zhǔn)確度，同時(shí)也提高了對(duì)網(wǎng)絡(luò)分裂和融合預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

基于代理和策略驅(qū)動(dòng)的管理方案GMA(guerril- la management architecture,GMA)是一種基于策略的管理方案。GMA中能力較高的節(jié)點(diǎn)稱為管理節(jié)點(diǎn)，可承擔(dān)智能化的管理任務(wù),GMA采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。管理者(supervisor)進(jìn)行策略的控制和分配，游牧式管理節(jié)點(diǎn)(nomadic manager)通過相互協(xié)同來完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。

4  結(jié)語

就網(wǎng)管技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供應(yīng)用和服務(wù)而言，必須考慮到“物聯(lián)網(wǎng)”有效應(yīng)用的因素。