学术：抓住机遇——全面解析国内外物联网体系架构

原创 2016-11-16 ☞ 学术plus

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司电子信息创新研究院专家朱德成，刘佩云，中国电子科技集团公司第十五研究所郑秋辰。本篇节选自论文《推进开放的物联网发展》，发表于《中国电子科学研究院学报》第9卷第3期。下面和小编一起开始学习吧~

一、我国物联网发展现状

自2009年提出“感知中国”战略以来，中国物联网进入了高速发展的快车道。物联网发展如火如荼，在产业、技术、应用方面取得了大量成果，在区域发展方面形成了一定特色。我国物联网发展呈现出以下特点：

（一）国家高度重视，持续出台推进政策。2010年《政府工作报告》正式将物联网列为国家五大新兴战略性产业之一，明确提出加快物联网的研发应用；《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》在重大专项、优先主题、前沿技术三个层面均列入物联网的内容，国家科技重大专项也将物联网作为主要方向之一；2013年，国家先后发布了《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》、《物联网发展专项行动计划》；今年2月18日，国务院专门召开了全国物联网工作电视电话会议，专题研究和部署推进物联网发展问题，中央政治局委员、国务院副总理马凯出席会议并讲话。上述一系列政策和行动表明，物联网产业持续得到国家的高度重视。

（二）产业形成一定规模，应用系统蓬勃发展。我国物联网已初步具备了一定的产业、技术和应用基础。2013年，我国物联网产业市场规模超过6000亿元；多个行业和地区积极开展试点和示范，在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境保护、智能工业、医疗卫生、智能农业、金融服务业、公共安全等领域取得了重要进展；产业聚集发展态势明显，已初步形成环渤海、长三角、泛珠三角以及中西部地区等四大区域集聚发展的空间格局。

（三）呈现良好发展态势，竞争能力有待提升。在芯片、通信协议、网络、数据存储等领域的技术研发已取得一定成果，覆盖芯片、元器件、软件、设备、系统集成和运营服务的产业链基本形成，总体来讲发展态势良好。但是，我国物联网产业竞争能力，尤其是技术能力还有待提升。以国际标准为例，我国参与重要物联网标准项目数量较少，在一些关键国际标准组织领导席位尚属空白，在相关国际标准组织中影响力较小。

（四）产业联盟陆续发展，国家级创新战略联盟成立

自2009 年以来，我国各省市纷纷依照自身的产业规划与布局积极组织建立相关的物联网产业联盟，目前我国物联网产业联盟达30家以上。

为提升国家物联网产业整体技术创新能力，《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》明确提出组建物联网产业技术创新战略联盟。

2013年10月24日，由国家科技部牵头，在国家物联网部际联席会议14个部委指导下，经过部委和相关联盟推荐，由中国电子科技集团公司等40家单位共同发起，第一个国家级物联网联盟——物联网产业技术创新战略联盟在北京成立。目前，联盟正在组织物联网创新战略研究，力图瞄准物联网发展技术创新需求，找准突破口，实现技术跨越，使技术创新在物联网有序健康发展中发挥更大作用。

二、物联网发展认识

对物联网发展现状进行分析和思考，我们有以下几点认识：

（一）物联网发展方兴未艾。物联网之大超乎我们想象，其规模将远远超过当前互联网的规模，到2020年，预计将有300-500亿台联网设备，每小时数十亿条消息，这些都将对网络基础设施带来空前挑战。

（二）对物联网的认识莫衷一是。现在物联网还没有严格的定义。大家都知道什么是“物联网”，比如智能交通、智能家居、健康管理等等是物联网。但是反过来，“物联网是什么”还众说纷纭。目前还没有形成物联网的基本架构可以使我们对其有一个整体和全面的认识。物联网往往被传统行业作为现行体系的一种补充功能，而我们认为物联网发展的真正潜力在于支持各类应用系统建设、成为实现跨行业互动的开放式的网络基础设施。

（三）物联网处于“烟囱式”发展阶段。当前，物联网还处在以垂直应用为主的“烟囱式”发展阶段，主要以行业应用、闭环应用为主，一定程度上属于内联网、专用网。这种模式建设成本高、物体/信息共享难、应用系统间互联互通难，既难以适应规模化、协同化发展要求，也难以引导和催生物联网更大的、潜在的发展。

（四）开放的共性技术正推进开放的物联网发展。大量工程实践告诉我们，应用系统和共用支撑技术一直在相互促进、滚动发展。一方面，应用系统的发展将催生新的共用支撑技术，另一方面，共用支撑技术又能大大推动应用系统的建设效率。可以说，一代共用技术、一代应用系统。目前，一批开放的接口、协议、软件和服务等共性技术标准正在逐步形成和发展，推动着物联网更加开放的发展。

（五）开放的物联网是解决当前问题的重要途径。构建一种开放、灵活的物联网体系架构，提供开放的普适服务和泛在运行支撑，实现联网设备数据信息和控制功能的便捷共享，将感知网络末梢节点融合到信息空间，可解决“烟囱式”发展瓶颈，满足物联网更大规模发展需求。

（六）推进开放的物联网发展有可能释放其爆炸式发展潜能。物联网的开放式发展可降低物联网建设的技术门槛，提高用户参与度；可打破“烟囱式”系统壁垒，实现应用系统间的互联互通以及物体/信息共享；可促进公共资源发展，减少重复建设，降低建设成本，实现大规模推广；能够激发更广泛的潜在应用，催生新的商业模式。

物联网前景广阔，当前还处于发展的积累阶段，处于爆炸式发展的前夜，在更大规模、真正改变人类生产、生活方式的各个方面还有很大的发展潜力。开放是催生物联网真正潜能、刺激其进一步发展的催化剂。因此可以说，开放是物联网的发展趋势。

三、开放的物联网相关研究

在推进开放的物联网发展方面，国内外已开展相关工作，体系架构研究和平台产品研发等取得了一定进展。

（一）体系架构研究

近年来，欧盟、美国、日本、韩国、法国等在物联网领域开展了大量研究。这些工作的重心由早期的行业物联网应用逐渐向物联网顶层架构转移，提出了多种不同形式的体系架构，旨在指导物联网系统设计，实现统一的数据采集、处理和服务。

其中比较有代表性的有美国麻省理工学院Auto-ID实验室提出的网络化自动标识系统体系结构Networked Auto-ID、日本uID中心提出的基于uID的物联网体系结构、韩国电子与通信技术研究所提出的泛在传感器网络体系结构USN、美国弗吉尼亚大学提出的Physical-net、欧洲电信标准组织提出的M2M 架构，欧盟FP7计划提出的IOT-A、SENSEI，美国自然基金委提出的CPS，以及法国巴黎第六大学提出的自主体系结构AOA等。我们从架构定位、架构特点以及应用/研究现状方面对其进行了分析，具体内容见表3.1-3.3。

上述体系架构可以分为两类，后端集中式和前端分布式。其中，Networked Auto-ID、uID和USN属于后端集中式架构，该架构模式大部分信息处理任务和用户服务请求由后端服务平台完成，系统的规模将受限于后端信息服务器的数据处理能力；M2M、IOT-A、CPS、SENSEI、Physical-net以及AOA属于前端分布式架构，该架构模式大部分信息处理任务和用户服务请求由前端感知设备或网关设备完成，系统不强依赖于后端信息服务平台，即使局部系统毁坏，也不会对整个系统的正常运行带来影响，因此抗毁性较好。两种模式在不同的应用场合各有优势。

表3.1 物联网体系架构研究情况（1）

表3.2 物联网体系架构研究情况（2）

表3.3 物联网体系架构研究情况（3）

(二)平台产品研发

在平台产品研发方面，国内外相关公司已经研发出针对传感器、智能设备的物联网平台，例如Xively、Arrayent、Yeelink、Device Cloud by Etherios、Nimbits以及Thingspeak等等。它们多数定位于开放的通用物联网平台和云平台，试图解决设备接入、数据存储和展现等问题。我们从平台定位、功能、服务对象以及发展现状等方面对其进行了分析，具体内容见表3.4-3.5。

总体来说，这些物联网平台都用到了云计算技术，规定统一的数据格式和接入方式；都集成了第三方应用，并与其交互数据；云平台公司大多采取软硬件结合的策略，同时允许第三方硬件接入到平台。

表3.4 物联网开放平台发展情况（1）

表3.5物联网开放平台发展情况（2）

（三）相关工作分析

当前，物联网体系架构多样，能够支撑不同行业物联网应用系统互联互通和物体/信息共享的通用体系架构尚未形成；物联网发展仍以满足应用需求为主，应用系统的开发主要利用现有的互联网技术，支持物联网特征的专有技术群尚未形成；物联网应用主要还是垂直的行业应用，开放的应用需求尚有很大发展潜力；物联网开放平台主要是后端集中式的“云模式”平台，平台的开放性、通用型不够强，专门针对物体接入管理和服务更靠近前端的分布式的平台（我们可以称之为“海模式”平台）未见报道。

四、中国电科推进开放的物联网发展相关工作

近年来，中国电科承担了大量物联网相关的大型信息系统顶层设计和建设工作，在总结大量工程建设实践经验的基础上，针对物联网应用系统建设的共性需求，提出了一种开放的物联网通用体系架构方案，旨在开发一批物联网水平技术群，打造物联网共性基础设施，形成物联网软硬件运行支撑环境，以支持物联网应用系统的快速建设，实现应用系统间的互联互通，催生新的科技模式、应用模式和商业模式，推进物联网更加开放的发展。

（一）基本思想

物联网通用体系架构的基本思想是：

l 兼容：兼容、拓展、提升互联网基础能力，推动“互联网时代”迈入“物联网时代”

l 开放：立足互联网、Web开放的基础，提升网络对物体连接、管理的整体支撑能力

l 弹性：先解决现有需求，对未来发展留有空间，支持可持续发展

总体来说，是借鉴互联网发展的成功模式，结合物联网应用模式需求，从当前可实现的问题入手，渐进获取，逐步推进。

（二）架构要点

建立物体模型，实现物体向网络物体（或虚拟物体，网络交互的内容）映射，既兼容现有，又兼顾发展；针对物联网通用网络功能需要，在传统的“感、传、知、用”架构中，开发开放的平台层，既可作为实现“物体接入管理、标识解析、应用交互”等通用能力的基础设施平台(实现互联互通互操作），也可作为面向物联网应用开发者的中间件平台(支持应用系统快速开发），还可以是面向服务的运营平台(催生新的商业运营模式）；定义了物联港、物体域名解析TNS新概念，支持开放的建设模式、应用模式和运行模式。

（三）研究进展

按照上述架构方案和实现要点，我们搭建了物联网通用体系架构的体验网，构建了智能家居港、某行业应用港、智慧城市港，以及大型公共服务物联港等应用体验。

一是实现了物体/网络物体功能的统一建模和服务展现；
二是通过架构平台实现网络物体的管理、服务和应用等开放的共性技术环境；
三是推出以物联港为基础的物联网应用系统的建设模式，支持用户自建、服务化应用、系统运营等新的模式；
四是按照网管港、港管物体的理念，可支持用户按照云模式、海模式以及云海结合模式建立运行平台，催生新的商业模式，刺激潜在的应用发展。

（四）架构典型应用

物联网通用体系架构可用于智慧城市顶层设计。

传统的智慧城市建设中，各部门、各行业垂直建设和管理各自的物联网应用系统。这种模式应用与物体耦合度高，难以复用；应用系统各自为政，造成大量重复建设；应用系统间无法互联互通，独立处理各自信息，综合决策难。

通过在智慧城市顶层设计中增加物联网通用体系架构基础平台层，可以支持设备在不同的应用系统间复用，打破“烟囱式”系统壁垒，实现物联网系统间的互联互通，减少重复建设，解决跨部门、跨地区联动等问题。

五、推进开放的物联网发展措施与建议

总体来看，我国物联网发展还处于积累阶段，开放的基础和环境尚不成熟。在推进开放的物联网发展过程中涉及技术研发、交流合作、运营管理、安全保护等多方面的问题，环节众多，需要政府的大力支持以及社会各界的广泛参与。

（一）推进开放的物联网发展要找准着力点

1. 加强顶层设计，加快标准制定

加强顶层设计，建立通用体系架构以指导物联网应用系统建设，打通“烟囱式”行业系统，实现应用系统间的互联互通。加快跨行业、跨领域的物联网标准的制定，包括物联网系统结构等总体标准，物联网标识解析、信息安全、网络管理等基础共性标准，以及行业应用标准。

2. 突破共性关键技术，形成优势平台产品

突破物体接入、物体管理和物体交互等物联网共性关键技术，充分发挥共性水平技术在推动物联网大规模发展方面的作用。研发通用的软硬件产品，构建物联网运行支撑环境，打造便捷易用、安全可靠的物联网水平共性支撑平台。

3. 广泛部署基础设施，积极探索运营模式

在共性平台产品的基础上，建设物联网基础设施并广泛部署，支持多种不同行业以及广域范围内的物体接入与管理。积极探索开放的物联网运营模式，形成完善的物联网运营服务体系。

4. 积极开展示范应用，积累一定用户规模

挖掘开放的物联网应用系统建设模式，积极开展典型应用示范，促进开放的物联网技术、标准和产业的成熟完善。在示范应用的基础上，逐步扩大物联网应用规模，提升物联网应用水平，积累一定的用户规模，形成可持续发展的应用模式。

（二）推进开放的物联网发展需要多方配合

1. 关注国外研究进展，加强国际交流合作

国外在推进开放的物联网发展方面的研究也已起步，积极跟进国外相关研究进展，借鉴国外有潜力的平台产品设计理念，加强国际技术交流与合作，在体系架构、标准研制等方面与境外优秀的企业和科研机构共同探讨，推进开放的物联网发展。

2. 加大创新投入，增强科技创新能力

推进开放的物联网发展，需要从基础研究层面定义创新性理念，突破多种核心关键技术，打造全新的物联网运行支撑环境，构建新型的运营、应用和商业模式。因此需要加大创新投入，通过产学研联合，增强企业技术中心、高等院校、科研院所科技创新能力。

3. 充分发挥联盟作用，加强行业沟通与合作

充分发挥联盟在战略引领、协同创新、产业推动方面的作用，集聚和共享技术创新资源，加强行业沟通与合作研发，突破物联网产业共性和关键技术瓶颈，搭建联合攻关试验验证平台，联合联盟各成员单位，共同做好需要大家共同推动、一家难以做到、没有做到的事情。

4.注重人才培养，重视信息安全

专业人才是推进开放的物联网发展的重要执行力量，因此，必须充分认识人才培养的重要意义，将其提高到战略发展高度，重视人才培养、使用和引进。物联网的开放式发展使物联网系统面临更加严峻的安全挑战，因此要高度重视物联网安全研究，将安全架构有机融入物联网体系架构，从设计安全转向安全设计，保障物联网系统安全稳定可靠的运行。

结语