物联网应用层关键技术研究

2011-06-27乔亲旺

电信科学 2011年1期

乔亲旺

（工业和信息化部电信研究院北京100037）

1 引言

物联网（Internet of things）概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，早期的物联网是指依托射频识别（RFID）技术和设备，按约定的通信协议与互联网相结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联、可交换和共享而形成的网络。随着技术和应用发展，物联网内涵不断扩展，目前业内对物联网内涵暂时还没有达成共识。2011年5月工业和信息化部电信研究院发布了《物联网白皮书》，对物联网的内涵给出了阐述：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的[1]。

物联网发展的关键要素包括由感知、网络和应用层组成的3层网络架构，如图1所示。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。网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用，应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

当前，学术领域和应用领域普遍将物联网研究聚焦物联网的感知层，强调对物理世界的感知和信息采集，而对网络层和应用层的重视不足。对于物联网来讲，感知层的数据采集只是物联网首要环节，而对感知层所采集海量数据的智能分析和数据挖掘，以实现对物理世界的精确控制和智能决策支撑才是物联网的最终目标，也是物联网智慧性体现的核心，这一目标的实现离不开应用层的支撑，因此本文聚焦在物联网应用层关键技术的研究。

如果从应用层的角度来看物联网，物联网可以看作是一个基于通信网、互联网或专用网络的，以提高物理世界的运行、管理、资源使用效率等水平为目标的大规模信息系统[2]。这一信息系统的数据来自于感知层对物理世界的感应，并将产生大量引发应用层深度互联和跨域协作需求的事件，从而使得上述大规模信息系统表现出如下特性。

（1）数据实时采集，具有明显实效特征

物联网中通过对物理世界信息的实时采集，基于所采集数据进行分析处理后，进行快速的反馈和管理，具有明显的实效性特征，这就对应用层需要对信息进行快速处理提出了要求。

（2）事件高度并发，具有不可预见性

对物理世界的感知往往具有多个维度，并且状态处于不断变化之中，因此会产生大量不可预见的事件，从而要求物联网应用层具有更高的适应能力。

（3）基于海量数据的分析挖掘

感知层信息的实时采集特性决定了必然产生海量的数据，这除了存储要求之外，更为重要的是基于这些海量数据的分析挖掘，预判未来的发展趋势，才能实现实时的精准控制和决策支撑。

（4）自主智能协同

物联网感知事件的实时性和并发性，需要应对大量事件应用的自动关联和即时自主智能协同，提升对物联网世界的综合管理水平。

综上所述，物联网数据实时采集、事件高度并发、海量数据分析挖掘、自主智能协同的特性要求从新的角度审视物联网应用层的建设需求，因此需要针对性地研究物联网应用层的集成、体系架构和标准规范。

2 物联网与云计算

云计算模式起源于互联网公司对特定的大规模数据处理问题的解决方案，具有高效、动态、可以大规模扩展的计算资源处理能力，这一特征决定了云计算能够成为物联网最高效的工具，使物联网中数以兆计的物理实体的实时动态管理和智能分析更容易实现，物联网也将成为云计算最大的应用需求，但是必须要强调的是物联网应用不一定完全依赖云计算实现[3]。

云计算具有弹性收缩、快速部署、资源抽象和按用量收费的特性[4]，按照云计算的服务类型可以将云分为3层：基础架构即服务、平台即服务和软件即服务，如图2所示。基础架构即服务位于最底层，该层提供的是最基本的计算和存储能力，以计算能力提供为例，其提供的基本单元就是服务器，包括CPU、内存、存储、操作系统及一些软件。在这其中自动化和虚拟化是核心技术，自动化技术使得用户对资源使用的请求可以以自行服务的方式完成，无需服务提供者的介入，在此基础上实现资源的动态调度；虚拟化技术极大提高了资源使用效率，降低使用成本，虚拟化技术的动态迁移功能能够带来服务可用性的大幅度提高。平台即服务位于3层服务的中间，服务提供商提供经过封装的IT能力，包括开发组件和软件平台两种类型的能力，这个层面涉及两个关键技术，一是基于云的软件开发、测试及运行技术，另一个是大规模分布式应用运行环境，这种运行环境使得应用可以充分利用云计算中心的海量计算和存储资源，进行充分扩展，突破单一物理硬件的资源瓶颈，满足大量用户访问量的需求。软件即服务位于最顶层，在这一层所涉及的关键技术主要包括Web2.0中的Mashup、应用多租户技术、应用虚拟化等技术。

从上述对云计算的3层的类型分析可以看出，基于云计算模式第一层物联网海量数据的存储和处理得以实现，基于第2层可以进行快速的软件开发和应用，而基于第3层可以使更多的第三方参与到服务提供中来。

从目前的发展现状来看，云计算与物联网的结合处于初期发展阶段，目前主要基于云计算技术进行通用计算服务平台的研发，而物联网领域对事件高度并发、海量数据分析挖掘、自主智能协同的需求特性仍有一定的差距，实现两者的深度融合仍有一段很长的路要走。

3 软件和算法

对于物联网来讲，最为重要的就是基于感知层采集数据的信息处理和应用集成，从而获取价值性信息来指导物理世界更加高效运转。软件和算法在物联网的信息处理和应用集成中发挥重要作用，是物联网智慧性的集中体现。这其中的关键技术主要包括面向服务的体系架构（service-oriented architecture，SOA）和中间件技术，重点包括各种物联网计算系统的感知信息处理、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系结构与软件平台研发等。

面向服务的体系架构是一种松耦合的软件组件技术，它将应用程序的不同功能模块化，并通过标准化的接口和调用方式联系起来，实现快速可重用的系统开发和部署。SOA可提高物联网架构的扩展性，提升应用开发效率，充分整合和复用信息资源。目前，SOA在国际上尚没有统一的概念和实施模式，SOA相关标准规范正在多个国际组织（如 W3C、OASIS、WS-I、TOG、OMG 等）中研究制定，在已发布的84项SOA相关标准规范中，尚以Web Services标准为主，缺乏能支撑SOA工程和应用的标准，这些规范及标准仅在各个标准组织或企业内形成初步体系，不同组织标准间存在重复甚至冲突。目前，中间件呈现出多样化的发展态势，国际上最主要的中间件产品是IBM Websphere和Oralce（BEA）Weblogic应用服务器套件。

4 信息和隐私安全技术

信息安全和隐私保护是物联网发展中重要的一个环节。物联网发展及技术应用在显著提高经济和社会运行效率的同时，也势必对国家和企业、公民的信息安全和隐私保护问题提出严峻的挑战。安全和隐私技术包括安全体系架构、网络安全技术、“智能物体”的广泛部署对社会生活带来的安全威胁、隐私保护技术、安全管理机制和保证措施等。

与传统网络相比较，由于物联网注重数据的采集和数据分析挖掘，因此物联网所带来的信息安全、数据安全、网络安全、个人隐私等更加突出，同时基于云计算模式的数据私密性、完整性和安全性如何保障都是重要的安全要素。比如：RFID标签预先被嵌入与人息息相关的物品之中，这也就意味着这些物品甚至包括用户自身都处于被监控的状态，这直接导致嵌入标签势必会使个人的隐私权问题受到潜在的威胁；如果基于物联网采集的海量数据处理权限和分析结果不能得到有效保护，可能对商业秘密、公共安全等造成重大的影响，而且伴随采集数据量的增加则其重要程度不断提升。

目前，物联网相关安全技术和隐私保护手段的研究都处于较初级阶段，相关安全技术研究与应用思路都以单一场景为依托，已有的安全方案和保护策略无法在多个层面上适应变化的应用环境，无法满足日益迫切的业务应用安全需求。

整体而言，提升物联网的安全保障能力需要加强在核心领域的安全保障技术研究和部署，同时不断完善和制定相应的法律法规、注重采取相应措施，通过技术和制度双轮驱动、并行发展的机制来实现安全保障能力。

5 应用层标准体系

物联网标准是国际物联网技术竞争的制高点，这是一个庞大的体系，涵盖架构标准、通信协议、标识标准、安全标准、应用标准、数据标准、信息处理标准等方面[1]，本文仅对应用层的标准体系进行初步研究。

在物联网应用层中应用层标准体系主要包括应用层架构标准，云计算技术标准，软件和算法标准，行业、公众应用类标准以及相关安全标准体系。应用层架构重点是面向对象的服务架构，包括SOA体系架构、面向上层业务应用的流程管理、业务流程之间的通信协议、元数据标准以及SOA安全架构标准。云计算技术标准重点包括开放云计算接口、云计算开放式虚拟化架构（资源管理与控制）、云计算互操作、云计算安全架构等。软件和算法技术标准包括数据存储、数据挖掘、海量智能信息处理和呈现等。安全标准重点包括安全体系架构、安全协议、支持融合网络的认证和加密技术、用户和应用隐私保护、虚拟化和匿名化、面向服务的自适应安全技术标准等。

6 其他关键技术

标识是物联网关键资源之一，标识和解析技术是对物理实体、通信实体和应用实体赋予的或其本身固有的一个或一组属性，并能实现正确解析的技术。物联网的标识主要包括物体标识和通信标识，物联网标识和解析技术涉及不同的标识体系、不同体系的互操作、全球解析或区域解析、标识管理等。目前来看，物联网的标识体系标准众多，这就带来了兼容性和协作共享方面的难题，也带来了管理方面的难度，因此标准化是未来的重点解决问题。

网络管理技术是物联网对现实物联网空间的控制技术，重点包括管理需求、管理模型、管理功能、管理协议等。为实现对物联网广泛部署的“智能物体”的管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发适合的管理协议。