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主 讲 人:李
玲
吉林大学通信工程学院
1
第2章 物联网体系架构
2
本章教学内容
2.1
概述
2.2
感知层
2.3
网络层
2.4
应用层
3
2.1 物联网概述
2.1.1
物联网应用场景
2.1.2
物联网需求分析
2.1.3
物联网体系架构
4
2.1.1 物联网应用场景
物联网是近年来的热点,人人都在提物联网,
但物联网到底是什么?究竟能做什么?本节将对
几种与普通用户关系紧密的物联网应用进行介绍。
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应用场景一:
当你早上拿车钥匙出门上班,在电脑旁待命
的感应器检测到之后就会通过互联网络自动发起
一系列事件,比如通过短信或者喇叭自动播报今
天的天气,在电脑上显示快捷通畅的开车路径并
估算路上所花时间,同时通过短信或者即时聊天
工具告知你的同事你将马上到达等。
6
应用场景二:
想象一下,联网冰箱可以监视冰箱里的食物,
在我们去超市的时候,家里的冰箱会告诉我们缺少
些什么,也会告诉我们食物什么时候过期。它还可
以跟踪常用的美食网站,为你收集食谱并在你的购
物单里添加配料。这种冰箱知道你喜欢吃什么东西
,依据的是你给每顿饭做出的评分。它可以照顾你
的身体,因为它知道什么食物对你有好处。
7
应用场景三:
用户开通了家庭安防业务,可以通过PC或手机
等终端远程查看家里的各种环境参数、安全状态和
视频监控图像。当网络接入速度较快时,用户可以
看到一个以三维立体图像显示的家庭实景图,并且
采用警示灯等方式显示危险;用户还可以通过鼠标
拖动从不同的视角查看具体情况;在网络接入速度
较慢时,用户可以通过一个文本和简单的图示观察
家庭安全状态和危险信号。
8
物联网在我们日常生活中的应用丰富多彩
9
综上,从体系架构角度将物联网支持的业务应用分3类:
(1)具备物理世界认知能力的应用。根据物理世界的相关信
息,如用户喜好、周边环境等改善用户体验;
(2)在网络融合基础上的泛在化应用。不以业务类型划分,
而是从网络业务提供方式划分,强调泛在网络区别于现
有网络的业务提供方式;
(3)基于应用目标的综合信息服务应用。包括基于应用目标
的信息收集、分发、分析、网络和用户行为决策和执行
。
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2.1.2 物联网需求分析
“物联网”概念的问世,打破了之前的传统
思维。在“物联网”时代,钢筋混凝土、电缆将
与芯片、宽带整合为统一的基础设施。物联网的
本质就是物理世界和数字世界的融合。
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物联网是为了打破地域限制,实现物物之间
按需进行的信息获取、传递、存储、融合、使用
等服务的网络。因此,物联网应该具备如下3个能
力 :全面感知、可靠传递、智能处理。
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(1)全面感知——利用RFID、传感器、二维码等随时随
地获取物体的信息,包括用户位置、周边环境、个体喜好
、身体状况、情绪、环境温度、湿度,以及用户业务感受
、网络状态等。
(2)可靠传递——通过网络融合、业务融合、终端融合
、运营管理融合,将物体的信息实时准确地传递出去。
(3)智能处理——利用云计算、模糊识别等各种智能计
算技术,对海量数据和信息进行分析和处理,对物体进行
实时智能化控制。
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2.1.3 物联网体系架构
目前在业界物联网体系架构也大致被公认为有
这三个层次,底层是用来感知数据的感知层,
第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容
应用层 。
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感知层
感知层是物联网的皮肤和五官—识别物体,采
集信息。
感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和
读写器、摄像头、GPS等。
主要作用是识别物体,采集信息,与人体结构
中皮肤和五官的作用相似。
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网络层
网络层是物联网的神经中枢和大脑—信息传递
和处理。
网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管
理中心和信息处理中心等。
网络层将感知层获取的信息进行传递和处理,
类似于人体结构中的神经中枢和大脑。
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应用层
应用层是物联网的“社会分工”—与行业需求
结合,实现广泛智能化。
应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,
与行业需求结合,实现行业智能化,这类似于
人的社会分工,最终构成人类社会 。
17
18
2.2 感知层
2.2.1
感知层功能
2.2.2
感知层关键技术
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2.2.1 感知层功能
物联网在传统网络的基础上,从原有网络用户终
端向“下”延伸和扩展,扩大通信的对象范围,即
通信不仅仅局限于人与人之间的通信,还扩展到人
与现实世界的各种物体之间的通信。
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物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界
的数据获取问题,包括各类物理量、标识、音
频、视频数据。
感知层处于三层架构的最底层,是物联网发展
和应用的基础,具有物联网全面感知的核心能
力。作为物联网的最基本一层,感知层具有十
分重要的作用。
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感知层包括数据采集和数据短距离传输两部分。
即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理
世界的数据,通过蓝牙、红外、ZigBee等短距离
有线或无线传输技术进行协同工作或传递数据到
网关设备。
此处的短距离传输技术,尤指像蓝牙、ZigBee这
类传输距离小于100m,速率低于1Mbit/s的中低速
无线短距离传输技术。
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2.2.2 感知层关键技术
感知层所需要的关键技术包括传感器、RFID、
二维码标签和识读器、自组织网络、传感器网络、
短距离无线或有线短距离传输技术等。
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传感器技术
计算机类似于人的大脑,而仅有大脑而没有感
知外界信息的“五官”显然是不够的,计算机
也还需要它们的“五官”—传感器。
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传感器功能:
是一种检测装置,能感受到被测的信息,按一
定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息
输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示
、记录和控制等要求。
在物联网系统中,对各种参量进行信息采集和
简单加工处理的设备被称作物联网传感器。
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传感器分类依据:
物理量
工作原理
输出信号的性质
或是分为智能传感器与一般传感器
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传感器是摄取信息的关键器件,它是物联网中
不可缺少的信息采集手段,也是采用微电子技
术改造传统产业的重要方法。
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RFID技术
RFID是射频识别(Radio Frequency
IDentification)的英文缩写,是20世纪90年代
开始兴起的一种自动识别技术,它利用射频信号
通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所
传递的信息实现物体识别。
RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术,也
是物联网感知层的一个关键技术。
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RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,
通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央
信息系统,实现物品(商品)的识别,进而通
过开放式的计算机网络实现信息交换和共享,
实现对物品的“透明”管理。
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RFID系统的组成:
电子标签(Tag),用于存储待识别物品的标识
信息;
读写器(Reader),将约定格式的待识别物品的
标识信息写入电子标签的存储区中,或在读写器
的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存
的信息读取出来;
天线(Antenna),发射或接收射频信号,内置
在电子标签或读写器中。
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RFID技术的工作原理:
电子标签进入读写器产生的磁场后,读写器发出
射频信号;
凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中
的产品信息(无源标签或被动标签),或者主动
发送某一频率的信号(有源标签或主动标签);
读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统进
行有关数据处理。
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RFID特点:
无需接触;
自动化程度高;
耐用可靠;
识别速度快;
适应各种工作环境;
可实现高速和多标签同时识别
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RFID应用:
物流和供应链管理;
门禁安防系统;
道路自动收费;
航空行李处理;
文档追踪;
图书馆管理;
电子支付;
生产制造和装配;
物品监视;
汽车监控。
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二维码技术
二维码也叫二维条码或
二维条形码,是用某种
特定的几何形体按一定
规律在平面上分布(黑
白相间)的图形来记录
信息的应用技术。
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二维码技术原理:
二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内
部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念,使用
若干与二进制相对应的几何形体来表示数值信
息,并通过图像输入设备或光电扫描设备自动
识读以实现信息的自动处理。
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与一维条形码相比,二维码的优势如下:
数据容量更大;
二维码能在横向和纵向两个方位同时表达信息,数
据存储量大大提高了;
数据类型增加,超越了字母和数字的限制。
条形码的相对尺寸小,空间利用率高;
保密性和抗损毁能力提高。
目前,二维码已开始进入流通领域,如我国新发售的
火车票,都已开始采用新型二维码技术。
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二维码的特点:
(1)高密度编码,信息容量大:可容纳多达
1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或
500多个汉字,比普通条码信息容量约高几十
倍。
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(2)编码范围广:二维码可以把图片、声音、
文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编
码,并用条码表示。
(3)容错能力强,具有纠错功能:二维码因穿
孔、污损等引起局部损坏时,甚至损坏面积达
50%时,仍可以正确得到识读。
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(4)译码可靠性高:比普通条码译码错误率百万
分之二要低得多,误码率不超过千万分之一。
(5)可引入加密措施:保密性、防伪性好。
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(6)成本低,易制作,持久耐用。
(7)条码符号形状、尺寸大小比例可变。
(8)二维码可以使用激光或CCD摄像设备识读,
十分方便。
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ZigBee技术
ZigBee是一种短距离、低功耗的无线传输技术
,是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术
,它是IEEE 802.15.4协议的代名词。
ZigBee采用分组交换和跳频技术,并且可使用
3个频段,分别是2.4GHz 的公共通用频段、欧
洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。
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应用:
短距离范围;
数据流量较小的业务;
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技术特点:
数据传输速率低,10~250kbit/s;
低功耗,只有激活和睡眠两种状态,通信循环次数少,工作
周期短,一般两节5号干电池可使用半年;
成本低,速率低,协议简单;
网络容量大,网络最多可支持255个设备;
有效范围小 ,10~75m;
工作频段灵活, 2.4GHz /868MHz/915MHz为免执照频段;
可靠性高,采用了冲突避免机制和预留专用时隙机制,提高
了可靠性。
时延短,从睡眠转入工作状态只需15ms ,节点连接进入网络
只需30ms ,进一步节省了电能。
安全性高,提供了数据完整性检查,采用AES-128的加密算
法,以灵活确定其安全属性。
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蓝牙
蓝牙(Bluetooth)是一种无线数据与话音通信的开放
性全球规范,和ZigBee一样,是一种短距离的无线传
输技术,为固定设备或移动设备之间的通信环境建立
通用的短距离无线接口。
蓝牙采用高速跳频(Frequency Hopping)和时分多址
(Time Division Multiple Access,TDMA)等先进技
术,支持点对点及点对多点通信。
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蓝牙的技术特点:
同时可传输话音和数据;
可以建立临时性的对等连接(Ad hoc
Connection);
开放的接口标准;
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蓝牙的应用:
话音/数据接入;
外围设备互连;
个人局域网(PAN);
在感知层主要是用于数据接入。
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小结
感知层——物联网的感觉器官(相当于人的
皮
肤和五官);
主要作用——信息采集、捕获、物体识别;
关键技术——传感器、RFID、
二维码标签和识
读器、自组织网络、传感器网络、短距离无线
通信、低功耗路由等。
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2.3 网络层
2.3.1
网络层功能
2.3.2
网络层关键技术
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2.3.1 网络层功能
网络层主要承担着数据传输的功能;
在物联网中,要求网络层能够把感知层感知到
的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送,
它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内,
尤其是远距离地传输问题。同时,现有需要对现
有网络进行融合和扩展,利用新技术以实现更加
广阔和高效的互联功能。
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2.3.2 网络层的关键技术
Internet
移动通信网
无线传感器网络
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Internet
Internet采用C/S工作模式,利用TCP/IP协议,与
Internet上的任意主机进行通信的计算机,无论何
种类型、采用何种操作系统,均可看做Internet的
一部分。
物联网也被认为是Internet的进一步延伸。
Internet将作为物联网主要的传输网络之一,它将
使物联网无所不在、无处不在地深入社会每个角落
。
IPv6技术的引用提供了大量的IP地址,为物联网发
展发挥重大作用。
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移动通信网
移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三
部分组成。
无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务
,核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和
传输服务。
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移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方
便、具备移动性等特点,将成为物联网主要的
接入方式和传输载体,为人与人之间通信、人
与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服
务。
在移动通信网中,当前比较热门的接入技术有
3G、Wi-Fi和WiMAX。
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3G——第三代蜂窝移动通信技术,综合了蜂窝、无绳、集群、移
动数据、卫星等各种移动通信系统的功能,与固定电信网的业务
兼容,能同时提供话音和数据业务。3G包括3种主要国际标准,
cdma2000,WCDMA,TD-SCDMA。
Wi-Fi——是由接入点AP和无线网卡组成的无线网络。主流的WiFi技术无线标准有IEEE802.11b及IEEE 802.11g两种,分别可以
提供11Mbit/s和54Mbit/s两种传输速率。传输距离有几百米,可
实现各种便携设备在局部区域内的高速无线连接或接入局域网。
WiMAX——是一种城域网(MAN)无线接入技术,是针对微波和毫米
波频段提出的一种空中接口标准,其信号传输半径可以达到50km
,基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性,WiMAX
不仅能解决无线接入问题,还能作为有线网络接入(有线电视、
DSL)的无线扩展,方便地实现边远地区的网络连接。
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无线传感器网络
无线传感器网络(WSN)的基本功能是将一系列空
间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连
接,从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输
汇总,以实现对空间分散范围内的物理或环境状况
的协作监控,并根据这些信息进行相应的分析和处
理。
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无线传感器网络的特点:
节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为
密集;
由于环境影响和存在能量耗尽问题,节点更容易出现
故障;
环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;
通常情况下,大多数传感器节点是固定不动的;
传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信
能力等都十分有限;
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小结
网络层——物联网的神经中枢和大脑。
主要作用——将感知层获取的信息进行传递和处理
。
网络层关键技术包括——Internet、移动通信网、
无线传感器网络。
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主要的机遇和问题
通信网络将成为物联网的基础承载网络,移动通信
终端也可实现与物联网终端的融合,从而为电信业
务的发展带来新的机遇。
现有通信网络是根据各自的资源进行接入连接并针
对各自的客户目标而设计的,因此形成了目前多种
异构无线接入技术并存的格局。因此,物联网中设
备的接入是一个泛在的、异构的接入。
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物联网的终端发送或者接收数据的种类是多种多样的,包括
声音、视频、语音、数据等。
接入方式多种多样,接入网有移动网络、无线接入网络、固
定网络和有线电视网络。
移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移
动性等特点,将成为物联网主要的接入方式和传输载体.
IP核心网络作为融合的基础承载网络长期服务于物联网,
为整个网络的处理能力的提升,对业务和应用的支持,达
到一个更高的层次;
现有的无线接入网络主要有无线局域网、无线个域网、无
线传感器网络、2G、3G/LTE、WiMAX以及下一代无线网络
等。
网关设备将多种接入手段整合起来,统一接入到电信网络
,可满足局部区域短距离通信的接入需求,实现与公共网
络的连接,同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功
能,而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质
量和安全。
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2.4 应用层
2.4.1
应用层功能
2.4.2
应用层关键技术
60
2.4.1 应用层功能
应用层主要功能就是把感知和传输来的信息进
行分析和处理,做出正确的控制和决策,实现
智能化的管理、应用和服务。
应用层解决的是信息处理和人机界面的问题。
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应用层将网络层传输来的数据通过各类信息系统进行处理
,并通过各种设备与人进行交互。
应用层可划分为两个子层:一个是应用程序层;另一个是
终端设备层。
应用程序层进行数据处理,完成跨行业、跨应用、跨系
统之间的信息协同、共享、互通的功能,包括电力、医
疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理
、家居生活等,可用于政府、企业、社会组织、家庭、
个人等,这正是物联网作为深度信息化网络的重要体现
。
终端设备层主要是提供人机界面,物联网虽然是“物物
相连的网”,但最终是要以人为本的,最终还是需要人
的操作与控制。
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物联网的应用可分为——
监控型(物流监控、污染监控);
查询型(智能检索、远程抄表);
控制性(智能交通、智能家居、路灯控制);
扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。
目前,软件开发、智能控制技术发展迅速,应用层技术将
会为用户提供丰富多彩的物联网应用。同时,各种行业和
家庭应用的开发将会推动物联网的普及,也给整个物联网
产业链带来利润。
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2.4.2 应用层关键技术
M2M
云计算
人工智能
数据挖掘
中间件
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M2M
根据不同场景代表
Machine-to-Machine
Man-to-Machine
Machine-to-Man
Mobile-to-Machine
Machine-to-Mobile
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M2M是现阶段物联网普遍的应用形式,是实现物
联网的第一步。通过几种技术的结合,实现对机
器设备信息的自动获取和自动控制。
M2M将多种不同类型的通信技术有机地结合在一
起,将数据从一台终端传送到另一台终端,也就
是机器与机器的对话。
M2M技术综合了数据采集、GPS、远程监控、电信
、工业控制等技术,可以在安检、自动抄表、机
械服务、自动售货机城市信息化等提供解决方案
。
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M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备联
网和通信能力,其核心理念就是网络一切(
Network Everything)。
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云计算
云计算(Cloud Computing)是分布式计算(
Distributed Computing)、并行计算(
Parallel Computing)和网格计算(Grid
Computing)的发展,或者说是这些计算机科
学概念的商业实现。
云计算通过共享基础资源的方法,将巨大的系
统池连接在一起以提供各种IT服务,用户利用
终端和互联网接入云计算平台来共享资源。
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狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式,通过网络以
按需、易扩展的方式获得所需的资源(硬件、平台、软件)
。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用
者看来是可以无限扩展的,并且可以随时获取、按需使用
、随时扩展、按使用付费。这种特性经常被称为像水电一
样使用的IT基础设施。
广义云计算指服务的交付和使用模式,通过网络以按需、
易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件
、互联网相关的,也可以使用任意其他的服务。
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云计算由于具有强大的处理能力、存储能力、带宽和极
高的性价比,可以有效用于物联网应用和业务,也是应
用层能提供众多服务的基础。
它可以为各种不同的物联网应用提供统一的服务交付平
台,可以为物联网应用提供海量的计算和存储资源,还
可以提供统一的数据存储格式和数据处理方法。
利用云计算大大简化了应用的交付过程,降低交付成本
,并能提高处理效率。同时,物联网也将成为云计算最
大的用户,促使云计算取得更大的商业成功。
70
人工智能
人工智能(Artificial Intelligence)是探索
研究使各种机器模拟人的某些思维过程和智能行
为(如学习、推理、思考、规划等),使人类的
智能得以物化与延伸的一门学科。
该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别
、自然语言处理和专家系统等,目前主要的方法
有神经网络、进化计算、粒度计算等3种。
在物联网中,人工智能技术主要负责分析物品所
承载的信息内容,从而实现计算机自动处理。
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数据挖掘
数据挖掘(Data Mining)是从大量的、不完全的、有噪
声的、模糊的及随机的实际应用数据中,挖掘出隐含的
、未知的、对决策有潜在价值的数据的过程。
数据挖掘主要基于人工智能、机器学习、模式识别、统
计学、数据库、可视化技术等,高度自动化地分析数据
,作出归纳性的推理。
它一般分为描述型数据挖掘和预测型数据挖掘。前者包
括数据总结、聚类及关联分析等;后者包括分类、回归
及时间序列分析等。通过对数据的统计、分析、综合、
归纳和推理揭示事件间的相互关系,预测未来的发展趋
势,为决策者提供决策依据。
72
在物联网中,数据挖掘只是一个代表性概念,
它是一些能够实现物联网“智能化”、“智慧
化”的分析技术和应用的统称。
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中间件
中间件是为了实现每个小的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设置
的一个通用的平台和接口。具有数据的搜集、过滤、整
合与传递等特性。
在物联网中采用中间件技术,以实现多个系统或多种技
术之间的资源共享,最终组成一个资源丰富、功能强大
的服务系统,最大限度地发挥物联网系统的作用。
物联网中间件的主要作用在于将实体对象转换为信息环
境下的虚拟对象,因此数据处理是中间件最重要的功能
。
74
物联网中间件的实现依托于中间件的关键技术
的支持,包括:Web服务、嵌入式Web、上下文
感知技术、嵌入式设备及web of Things等。
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小结
应用层——物联网的“社会分工”,是物联网与行业专业技
术的深度融合,与行业需求结合,实现行业智能化,类似于
人的社会分工,最终构成人类社会 。
主要作用——物联网的信息处理和应用,相当于人所从事的
不同职业。最终面向各类应用,实现信息的存储、数据的挖
掘、应用的决策等。从应用场景看,物联网应用包含工业、
农业、电力、医疗、家居、个人服务等人们可以预见的各种
场景。
关键技术——涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间
件、信息发现等多种技术。
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业务和应用层将通信网络上层的应用信息进行翻译和传
输,进行数据收集和集成,将所有的数据存储、智能分
析等,根据人们的需要将结果呈现给用户。
在智能分析这一层,云计算是控制的核心要素。云计算
技术的运用,使对数以亿计物品的实时动态管理变得可
能。随着物联网应用的发展,终端数量的增长,可借助
云计算处理海量信息,进行辅助决策,提升物联网信息
处理能力。因此,云计算作为一种虚拟化、硬件/软件
运营化的解决方案,可以为物联网提供高效的计算、存
储能力,为泛在链接的物联网提供网络引擎。
77
从目前的物联网应用来看,没有统一建设标准、
规范的物联网接入、融合的管理平台,物联网将
因为各行业的差异无法产生规模效应,提高了使
用复杂度与成本。
各个行业自己建设系统,行业终端需要和行业应
用相关,业务的开展、变更、服务器的变化都将
导致终端需要重新配置,甚至需要更换终端;缺
乏终端的管理手段,没有对终端的告警信息的处
理,对终端的维护十分不便,效率较低。
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从应用层来看,整个社会将提供无所不在的网络,网
络可了解使用者的使用环境与状况,了解不同使用者
的个性与使用习惯,以实现定制化、多元化的服务提
供。
从技术层来看,各类通信网络技术与互联网协议技术
的发展,以及云计算等革新带来的巨变,使得孤立的
、小颗粒的传感网进一步发展成为广泛覆盖、网络互
通、高速传输、无线连接、智能的物联网成为可能。
79
2.5
2.5.1
物联网关键技术
感知节点及终端的关键技术
2.5.2 传感器网络技术
2.5.3
异构网络互联融合及泛在无线通信技术
2.5.4
异构网络的移动性管理和资源管理技术
2.5.5
业务支撑及智能处理关键技术
2.5.6
物联网服务平台技术
2.5.7
安全与标准问题
80
物联网的关键技术包括3个方面:
第一,终端的数据采集、处理、传输、终端网络的部
署和协同等,以无线传感器网络和RFID技术为代表;
第二,异构的接入网络和基础的核心网络,包括基础
的NGN核心网和3G、Wi-Fi、蓝牙等接入技术;
第三,由中间件、信息开放平台和服务支撑平台构成
的应用支撑子层以及物联网应用领域示范系统等。
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物联网技术体系
82
2.5.1 感知节点及终端的关键技术
感知终端/节点不仅能够提供事物本身的信息,而且能够探测、
存储、处理乃至融合各种与事物相关的信息,从而向信息网络空间
提供各种关联信息。
随着微电子技术、嵌入式技术、短距离通信技术、传感器技术、
智能标签技术等信息通信技术的发展与成熟,现实世界中越来越多
的物理实体需要自组织来实现智能环境感知并对其进行自动控制,
并具备通信和信息处理的能力。
通过行业应用促进感知内容的多媒体化、组合化的关键技术;推
动自主知识产权的多元化感知节点的设计和制造;设计终端及感知
节点在组网、协同上的软硬件框架,以使不同感知节点及网络体系
最终能互联互通。
物联网的终端是多样性的,小型化、智能化和低成本是物联网部
署的必然需求,此外物联网需要IPv6地址来支撑。
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2.5.2 传感器网络技术
传感器网络由传感器器件组成的在空间上呈分布式的无
线自治网络,常用来感知环境参数,如温度、湿度、压
力等。最早从军队的应用环境演化而来,目前应用在很
多民用领域。
无线传感器网络的主要研究内容包括通信、组网、管理
和分布式信息处理等多个层面。其中通信与组网主要研
究无线传感器网络通信协议,包括物理层、数据链路层
和网络层。管理与支撑技术使用通信与组网部分提供的
服务,并向应用系统提供服务支持,主要包括拓扑控制
、QoS控制、能源管理、定位和时间同步等。
84
2.5.3 异构网络互联融合及泛在无线通信技术
任何终端节点在物联网中都能实现泛在互联。由节点组成
的网络,如传感器网络、RFID、家居网、个域网、局域网
、体域网、车域网等,架构在基础通信网络上,从而形成
一个广泛互联的网络。宽带、移动、融合、智能化、泛在
化是整个信息通信网络的发展趋势。
物联网要满足未来不同的信息化应用,要求基础网络具有
不同安全可信等级和不同服务质量(QoS)的网络能力。
物联网需要统一的网络架构和协议基础,目前在核心层面
可以考虑NGN/IMS融合,核心协议包含SIP和TCP/IP等,在
接入层面需要考虑多种异构网络的融合和协同。
85
网络的异构性主要体现在——
不同的无线频段特性导致的频谱资源使用的异构性;
不同的组网接入技术所使用的空中接口设计及相关协议,
在实现方式上的差异性和不可兼容性;
业务的多样化;
终端的多样化;
不同运营商针对异构网络所实施的运营管理策略不同。
这种异构性对网络的稳定性、可靠性和高效性带来了挑战,
同时给移动性管理、联合无线资源管理、服务质量保证等带
来了很大的问题。
86
网络融合的主要策略——各种异构网络之间,在基础性网络
构建的公共通信平台上,实现共性的融合与个性的协同。
融合是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间共
性的整合,具体是指各种异构网络与作为公共通信平台
的移动通信网或者下一代网络的融合,从而构成一张无
所不在的大网。
协同是在技术创新和概念创新的基础上对不同系统间个
性的整合,具体是指大网中的各个接入子网通过彼此之
间的协同实现共存、竞争与协作的关系,以满足业务和
应用需求。
不同通信网络的融合是为了更好地服务于异构通信网络
的协同。协同技术是实现多网互通及无线服务的泛在化
、高速化和便捷化的必然选择,也是未来的物联网频谱
资源共享亟待解决的问题。
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异构网络融合的实现分为两个阶段——
连通阶段指各种网络如传感器网络、RFID网络、局域网
、广域网等都能互联互通,感知信息和业务信息传送到
网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。
融合阶段是指在网络连通层面的网络平台上,分布式部
署若干信息处理的功能单元,根据应用需求而在网络中
对传递的信息进行收集、融合和处理,从而使基于感知
的智能服务实现得更为精确。从该阶段开始,网络将从
提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能乃至支
撑服务,并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控
、可信的集中智慧参与的网络架构演进。
异构网络融合是对现有网络分阶段的演进,有效地规划异构
网络融合的研究与应用。
88
实现途径——综合考虑异构网络的新业务、工作模式的特征
和交融、终端设备特征、可扩展性和健壮性的异构融合需求
,并在能量、频谱资源、存储资源、计算能量受限的条件下
,设计泛在无线网络的开放框架,支持泛在网络的智能融合
以及重构,实现各类标签、传感器等的物与物的无缝互联,
支持各种应用服务。
以建设一个开放融合、高效节能、支持泛在移动服务的网络
为目标,通过各种接入技术、业务驱动组网与寻址技术、认
知网络以及泛在移动性管理等关键技术,实现异构网络的融
合与协同。
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异构网络的融合与协同是实现泛在通信技术的关键。
泛在通信技术为物联网数据提供传送通道。
M2M(Machine To Machine)技术是物联网技术的重要部分,
是现有无线通信技术在应用上的创新,已经在国内外有大量
的应用实例。有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输
协议。
IEEE 802.1la/b/g——容易得到较高的数据速率,也容
易得到计算机网络的支持
Zigbee——采用Zigbee协议的终端更容易在恶劣的环境
下完成任务。
90
2.5.4 异构网络的移动性管理和资源管理技术
在异构泛在的网络环境下,网络的异构性和差异
性使现有的移动性管理技术已经无法满足终端在
异构网络间无缝切换、位置管理、终端协作等方
面的需要。必须提供一个开放的、通用的异构网
络移动性管理架构、优化的移动性管理解决方案
。
91
1.802.21标准——异构网络切换管理
IEEE 802.21标准——对异构网络间无缝切换进行规范
用户在网间漫游时能保持畅通的信息服务,即无需用
户干预,可以感知周围可用网络并迅速改变网络的使
用状态,进行无缝切换。例如,内置802.21技术芯片
的手机,能自动感知Wi-Fi、WiMAX及其他3G网络并切
换,不会因网络技术的不同而被迫中断通信。
92
IEEE 802.21核心思想是在层2和层3之间引入一种新的功能模
块——媒介独立切换功能(Media Independent Handover
Function,MIHF ) ,提供异构网络切换服务。
IEEE 802.21标准主要定义5个方面——
无缝切换能力;
区分业务的QoS保障;
最优网络选择;
安全机制;
电源管理。
93
MIHF中定义3个不同的服务
——
媒介独立事件服务(Media
Independent Event
Service,MIES),提供与
链路特性和链路状态动态
变化相对应的触发事件,
如链路上下行的变化、链
路即将发生切换等;
媒介独立命令服务(Media Independent Command Service,MICS),帮助高
层来管理和控制与切换和移动性相关的链路行为,它使用从MIES获得的事件
信息作为其执行切换等动作的依据;
媒介独立信息服务(Media Independent Information Service,MIIS),提
供一种信息模型和相应的处理机制。以使MIHF发现邻近的网络并获得这些网
络的相关信息,如信道信息、MAC地址、安全信息等。MIIS提供的信息有助于
高层更加高效地判断是否需要切换。
94
通过引入MIHF,802.21可以有效改善多模终端在网络发现、
网络选择、切换发起、接口激活和功耗优化等方面的性能。
在MIHF的协助下,异构网络间的切换时延及切换丢包率能够
大幅改善。
IEEE 802.21工作组的标准化工作:
业务连续性(Service Continuity)
应用类型(Application Class)
服务质量(QoS)
网络发现(Network Discovery)
网络选择 (Network Selection)
安全性(Security)
电源管理(Power Management)
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2. 资源调度与管理
异构无线网络包括蜂窝网(2G、3G/LTE)、无线局域网(WLAN)
、认知无线网络等。
异构网络之间共享资源(尤其是频谱资源)进行管理的技术,
将成为由传统无线网络向下一代无线网络演进过程中的关键
问题和核心技术。
为使支持异构融合与动态频谱共享利用的无线网络能够根据
用户需求、频谱资源等约束条件动态调整网络结构,进行资
源优化,解决网络的共存与兼容问题。
统一融合的无线资源管理体系结构的设计应具有可升级、可
扩展、标准化的特点。体系框架中各功能实体之间的交互则
是由协议完成,根据频谱共享利用与无线资源管理关键技术
设计相应的协议,在设计过程中要考虑其标准化、开放化、
灵活性以及与现有技术的可兼容性。
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物联网可以看做是一种能够提供共享频谱资源的频谱池
。频谱池中的频谱资源在使用者看来是可以无限扩展的
,并且可以自动随时获取,按需使用,随时扩展,按使
用付费,而无需向频谱拥有者请求使用权,这样可以实
现动态的频谱共享(DSS)和动态的频谱分配(DSA)。频谱
池将所有分配给不同业务的频谱资源和频谱碎片集中起
来,可以是不连续的,并由软件实现协同管理,无需人
为参与。还可以实现不同系统间的频谱协同调度与管理
。
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异构网络融合的资源优化可以归纳为协作无线资源管理及动态
频谱管理。
协作无线资源管理将整个可用的频谱资源作为一个资源池,利
用集中式和分布式的资源管理方案进行频谱资源的分配和使用
。通过协作无线资源管理(Cooperative RRM)、通用无线资源
管理(Genetic RRM)和具体无线资源管理(Specific RRM)3层无
线资源管理系统架构,充分利用系统资源,提高系统性能。
协作无线资源管理:位于最上层网关处,从总体带宽角度负
责不同运营商间资源的共享与调度。
通用无线资源管理:位于运营商内部,负责内部资源的共享
与调度,即基站间资源的分配与使用。
具体无线资源管理:位于单个基站,负责其内部资源的共享
与调度,即具体分配频带到到各用户终端。
98
无线资源管理不仅包含频谱范围,还包括负载控制、接入控
制和切换等。同时,频谱管理作为与无线资源管理的输入方
,也存在于三层结构中,主要实现频谱聚合,共享等功能。
具体到某一运营商,即单一系统内时,一般使用通用无线资
源管理方法来管理内部资源、频段的分配和使用。在新的架
构中,我们将其所能使用的频段分为固定频段和共享频段两
部分。通常情况下使用多带宽调度器实现业务在这两种频带
上的调度分配,关键性能指示(Key Performance Indicators
,KPI)作为输入数据。KPI下降,说明此时分配的带宽资源已
经不能满足业务需求,需要进行通用无线资源管理或协作无
线资源管理以重新获得系统平衡。在融合架构下,当系统内
资源耗尽时,则需要系统间的频段调度,即使用协作无线资
源管理。
99
动态频谱管理实现的功能是根据业务量的变化,利用终端
的重配置能力,在运营商之间或者异构接入技术之间动态
分配与释放。动态频谱管理处理的是一个综合了技术因素
与经济因素的复合问题:
技术可行性是实现灵活的频谱共享的前提条件,需要
解决快速频谱扫描和测量、干扰控制和管理等问题;
在经济方面,则需要解决频谱二次交易的协商与竞争
,不同交易方的利益分配以及政策监管等问题。
由于用户分配到的带宽可能是不连续的,而零碎的频段又
无法满足用户传送业务的需求,因此在动态频谱管理中,
需要频谱聚合技术,将不连续的带宽加以利用。从而提高
系统性能。
100
无线资源管理是对整个系统的无线资源进行总规划管理的
模块,它的决策结果为动态频谱管理提供基本网络配置(如
基站位置和工作模式)的输入,而动态频谱管理反馈信息将
为无线资源管理下一步调整提供参考。
此外,可以从跨层方面研究支持异构网络融合的无线资源
管理体系协议栈的原型设计,采用基于策略的协议设计方
法,即基于策略的无线资源管理技术、算法、架构等的设
计与实现。总地来说,就是在网络架构高层,通过对于瞬
时或者阶段性的无线通信网络环境的自适应或半自适应感
知技术,对于业务管理、路由机制、接入控制、无线资源
分配策略、功率控制、负载控制、拥塞控制等环节,进行
自适应的基于策略的动态调整。
101
2.5.5 业务支撑及智能处理关键技术
业务支撑首先需要对物联网的业务需求开展研究,包括对
物联网的应用需求和场景的研究,其中通信对象需要考虑
物对物、人对物等,服务对象需要考虑行业应用、家庭应
用、个人应用、接入方式等。通过对相关业务需求和业务
场景的梳理,进行业务功能和特征分析,定义通用的业务
功能。然后抽象物联网网络资源,设计可扩展地支持各类
业务及其复杂合成业务提供的业务架构,研发业务分发平
台和第三方开放业务接口平台,实现与底层异构网络无关
性的业务分发机制。以面向行业信息化服务为主,个人公
共服务为辅,构建公共技术和业务平台,实现数据交换向
信息处理的网络平台转换的目标,完善物联网业务支撑体
系。
102
业务支撑体系需要结合P2P、云计算等分布式计算框架技
术,对经过感知层和网络层送到的数据进行智能的分析和
处理。
云计算是指基于互联网的超级计算模式,也就是把存储
于个人计算机、移动电话和其他设备上的大量信息和处
理器资源集中在一起,协同工作;这是一种在极大规模
上可扩展的信息技术能力,并向外部客户作为服务来提
供的一种计算方式。
103
在开放式的物联网环境中,使用云计算的必要性——
物联网业务类型多、涉及的行业广、应用类型差别大、
业务数据率巨大等特性,传统的硬件环境难以支撑;
运营商长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力,有
必要加以利用,这也是绿色环保的要求;
随着业务开发者、应用部署数量的增加,大量自定义业
务同时运行,其计算能力的要求呈现出增长趋势,对平
台造成性能压力,服务器CPU处理能力以及内存容量,均
难以满足不断增长的业务需求。
在云计算中,不仅是计算能力的集中,也包括数据和软
件的极大集中,云计算中的计算无处不在,其能力无限
强大。
104
2.5.6 物联网服务平台技术
物联网将对信息进行综合分析并提供更智能的服务,推动
人的智能潜力、社会物质和能源资源潜力的充分发挥,使
社会经济运行向高效、优质的合理化方向发展。
物联网的智能业务为各种行业具体应用提供公共服务支撑
环境。建设面向行业的应用子集与共性支撑平台之间的关
系以及平台的开放性与规范性,将成为未来应用部署所要
考虑的关键问题。
105
针对可部署及应用的需求,以掌握泛在网络可管理、可控
制、可信任的自主知识产权为目标,重点解决在大规模自
组织工作模式下的自管理模型方法及关键技术问题,并形
成标准化;
针对泛在网络可运营目标,初步完善泛在网络信息交互的
节点、终端、网关、网元、支撑框架的可信体系,研究泛
在融合的可管、可控、可信平台架构;保证业务质量和体
验质量;支持泛在异构融合多种商业模式,并提供签约协
商等管理功能;保护用户数据隐私。
106
物联网服务平台技术起着承上启下的作用,向上层应用提
供开放的接口,向下屏蔽各种不同接入的差异。
物联网服务平台提供通用的标识、路由、寻址、管理、业
务提供、业务控制与触发、QoS控制、安全性、计费等功能
,这些功能通过中间件(Middleware)技术、对象名称解析
服务(Object Name Service,ONS)技术、物理标记语言
(Physical Markup Language,PML)等关键技术来实现。
107
中间件是一种独立的系统软件或者服务程序,分布式应用
软件借助于中间件在不同的技术之间共享资源。
中间件位于服务器的操作系统和数据库之上,应用软件之
下。
中间件的作用是管理计算机资源和网络通信,连接两个独
立的应用程序或系统软件。可见中间件在此起到“桥梁”
的作用,可以使相连接的系统(即使它们具有不同的接口)
能够交换信息。
中间件是一个信息传递的载体,可以使应用程序工作于多
平台或者多操作系统。中间件在分布式的客户和服务之间
扮演着承上启下的角色,如事务管理、负载均衡以及基于
Web的计算等。也只有在分布式系统中才叫中间件,同时也
把它与系统软件和应用软件区别开来。由此可见,云计算
也是一种中间件。
108
对象名称解析服务ONS是一个自动的网络服务系统,有点类
似于域名解析服务(Domain Name Server,DNS)。它是一种
将一台计算机定位到万维网上某一具体地点的服务,是一
种组织成域层次结构的计算机和网络服务命名系统,主要
用于TCP/IP网络。
当一个电子标签的信息被读取时,产品电子码就传递给了
中间件系统。中间件系统在局域网或因特网上利用ONS寻找
这个产品信息的存储位置。 ONS给中间件系统指明了一个
服务器,在这个服务器上存储该产品相关信息的文件。接
着这个文件就能够在中间件系统中找到,并且存储在这个
文件中的产品的信息将被反馈过来,从而便于供应链的管
理。
109
信息服务系统是用来在物联网中完成信息处理和发布的。
物理标记语言(Physical Markup Language,PML)作为系统
信息的描述语言。
信息服务系统由3部分组成——
数据读取模块主要用于读取数据并指向信息服务系统服
务器;
信息存储模块主要存储一些通用的信息,在产品初始化
时利用此信息生成某一产品的电子标签信息,并存储于
PML文档中;
信息发布模块主要根据数据读取模块的要求,访问相应
的PML文档,生成HTML文档,再返回到数据读取模块进行
显示。
110
信息服务以PML格式存储产品相关信息,供其他的应用进行
查询,并以HTML的格式返回。PML提供了一个描述自然物体
、过程和环境的统一标准,可供工业和商业中的软件开发
、数据存储和分析工具之用,同时还提供一种动态的环境
,并与物体相关的静态的、动态的和统计数据之间实现互
相交换。
111
物联网由电子产品编码(Electronic Product Code,EPC)
标签、解读器、中间件服务器、因特网、ONS服务器、PML
服务器以及众多数据库组成的。
解读器读出的EPC只是一个信息参考(指针),该信息经过网
络,传到ONS服务器,找到该EPC对应的IP地址并获取该地
址中存放的相关的物品信息。而采用分布式Savant软件系
统处理和管理由解读器读取的一连串EPC信息,中间件服务
器将EPC传给ONS,ONS指示中间件服务器到一个保存着产品
文件的PML服务器查找,该文件可由中间件服务器复制,因
而文件中的产品信息就能传到供应链上。
112
113
2.5.7 安全与标准问题
物联网由大量的终端设备构成,缺少人的有效监控,并
且数量庞大,这些特点使得物联网除了具有传统网络的
安全问题之外,还有其自身的安全问题。
物联网的感知延伸层、网络层和应用层都存在安全问题
。
114
感知节点多部署在无人监控的场景中,攻击者可以轻易地接
触到这些设备,从而对它们造成破坏。
传感器网络、自组织网络等作为物联网的末梢网,由于节点
的能量有限,无法提供复杂的安全保护能力。
移动网络作为物联网的主要接入网,也存在一些安全问题。
核心网络具有相对完整的安全保护能力,但是由于物联网中
节点数量庞大,且成集群方式存在,因此会导致网络阻塞,
现有安全机制会割裂物联网机器间的逻辑关系。
物联网业务也存在安全问题。庞大且多样化的物联网平台需
要一个强大而统一的安全管理平台,独立的平台很难处理各
式各样的应用。因此,随着物联网的发展,对物联网安全的
需求日益迫切,需要为物联网提供一套安全保护机制。
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物联网的标准化还处在初期——
物联网的架构如何,各组成部分的关系以及如
何定义接口等都没有统一的标准。
物联网标准体系既包括底层技术的标准,也包
括运营管理的标准,如用户认证、业务流程、
业务标识等相关语义和语法的定义。
116
小
结
物联网通过设备的融合、网络的融合、平台的融合实现服务
的融合、业务的融合和市场化的融合。
设备的融合是指感知终端可以接入移动网络,也可以接入固
定网络,该融合以电子产品为导向开发出一体化的电子产品
。
网络的融合是指用户可使用任一终端(移动台、PDA、PC等)通
过任一方式接入网络(WLAN、GPRS、3G网络等),而且号码可
唯一、账单可唯一,非常方便灵活。
平台的融合是指用户数据集中管理、公用的业务能力平台,
分类的管理平台和应用平台,支撑用户跨业务系统的互操作
,打造物联网业务领域的统一认证系统,实现基于统一账号
、统一密码属性信息的集中认证,从后端整合、提升跨平台
系统的协同,构建综合业务平台。
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服务的融合是指在服务层面能够实现融合,如在固话和移动网
络之间共享收信人的地址、电话号码、用户名称等。有了协同
的发展,可以使物联网中的传输层面,在能力上有一个较大的
提高。
业务的融合是指综合运用移动网与固定网技术及基础设施,从
单一承载的数据业务发展到承载语音、数据、视频等多种业务
。综合利用两网技术与资源是业务融合的重要特征。业务的融
合是网络融合的引擎。
市场化的融合就是以市场机制为引导,把移动和固话的产品和
服务捆绑起来打包销售。例如固话和固话产品捆绑、固话和移
动产品捆绑,移动和移动产品捆绑,不同的产品实现捆绑之后
,用户购买时可以打折。这一方式在美国早就有所体现。在移
固融合后提出的增值服务,为这些企业级的用户服务提供了非
常大的空间。中国的电信运营商可以着力发展这一方面,比如
118
说在供应链的领域、防灾救灾等方面。
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