当物品也可以上网

王琰

摘 要：因特网的开放式标准和分散式设计，给予创新和发展更少的障碍，战胜了有竞争性的专属系统和集中控制。物联网所面临的挑战是指挥控制技术和分布式解决方案之间的争论，它首先是组织结构上的，而不是技术层面的。物联网需要后者，并且开放性将最终获胜。

关键词：因特网；物联网；集中控制系统；分布式终端

通过网络传输数据，最早是在1969年。此后，全球网络便从电脑主机的连接发展到个人电脑和现代移动装置的连接。到2010年，联网的电脑数量超过了地球上的人口数量。

然而，当我们周围的东西也开始联网时，这其中的一部分被称作“物联网”，之前那些令人印象深刻的发展也不再炫目。由于技术的发展，现在让一个网络服务器花1美元就变指尖大小成为可能。当小型计算器嵌入日常用品后，能通过互联网发送和接收信息，以至于出现下面的情形不足为奇：咖啡机可以在人起床时开机，并在杯子装入洗碗机时关机；交通灯可以同道路联络，为周围路口的车辆规划路线；建筑物可以通过掌握人们的方位和所从事的事情，更高效地运行；通过汇总所有来自各种设备上的数据，就能及时监控整个星球的健康状况。

用这些方式连接数字世界和物理世界，对于二者来说都会产生深远影响。但是，除非物联网借鉴因特网的历史，否则这种未来将不会实现。因特网的开放式标准和分散式设计，给予创新和发展更少的障碍，战胜了有竞争性的专属系统和集中控制。物联网所面临的挑战是指挥控制技术和分布式解决方案之间的争论，它首先是组织结构上的，而不是技术层面的。物联网需要后者，并且开放性将最终获胜。

1 互联生活

物联网不仅仅是科幻小说，它已经初步实现了。当前实现互联的一些物品通过公共网络发送数据，另一些则通过安全专网进行通讯，但是它们共享共同协议，这允许它们交互操作来帮助解决深层次的问题。

以降低能耗为例。建筑用电占了整个美国用电的四分之三，但是其中大约三分之一被浪费了。当自然光可以利用时使用照明灯，并且当室外的天气更加舒适或者房间空闲时进行制冷。有时风扇在往错误的方向吹风，或者制热和制冷系统同时运行。巨大的浪费依然持续，是因为恒温器和照明灯泡的运行方式在建筑物建造时已经设定。只有当公共建设本身随着传感器和驱动器的联网，变得智能化，建筑物的能效才能够在其使用期内得到改善。

医疗保健是美好愿景的另外一个领域。例如，药物的管理不善，导致医疗保健系统每年为此耗费数十亿美元。连接了网络的药架和药瓶，能够提醒健忘的病人何时吃药，药剂师何时重新配方，医生何时漏掉了服药。如果老年人摔倒了，地板会进行求助，这有助于老年人独立生活。穿戴式传感器能够全天监控人的活动，并且充当私人教练，以此改善健康并节省开支。

无数未来的智能房屋，尚未引起人们的兴趣。但物联网的成功应用就将不一样。冰箱能够与食品杂货店联络再次订购食物，与体重秤进行通讯来监测饮食，在用电高峰期与电力设施沟通来降低电力消耗，当需要设备需要维修时与厂商联系。电灯和开关能够随使用的空间和时间的变化进行调节。连接日历、床和汽车的温度调节器，可以在房屋主人的方位基础上计划进行制热和制冷。在公用事业提供电力和水暖的今天，物联网的应用能够带来安全、舒适和便利。

城市中，物联网将能够收集大量的各种新数据。掌握交通工具、公用设施和人口的流动，对于最大化生产效率是必不可少的，但在传统意义上，它即使能监测也不会十分充分。如果每个街灯、消防栓、公交车和人行横道都与互联网相连，那么城市就能形成它们中哪个正常运行哪个没有正常运行的实时读数。正如一些城市已经在做的，市政厅会与开发商分享开源数据集而不是封闭这些信息。

天气、农业投入和污染程度，随着地域差异会发生很多变化。当网络连接的费用还比较高时，这些现象就已全部能够被精确测量。大自然的互联网，能够帮助保护各种自然资源。

对物联网的最终理解是通过网络传输真实事物。用户已经能够发送物体说明书，然后通过例如3-D打印机和激光切割机等个人数字化制作工具进行制造。随着数据转化为实物、实物转化为数据，长长的制造业供应链就可以被在互联网上传送数据到当地生产设备的这一过程所替代，进而随时随地生产所需物品。

2 回到未来

了解因特网本身的原理，有助于了解物联网的工作原理。

因特网成功的第一个秘密是它的体系结构。在因特网开始发展的19世纪六七十年代，电线连接电话到电话局的总机。这种设置类似于城市中的每条道路都穿过环形交通枢纽，虽易于识别方向但会导致市中心的交通拥堵。为了避免这种问题，因特网的开发商创造了一种分布式网络，类似于车辆在真实城市中行驶的道路网络。这种设计使数据避开了交通阻塞，并使管理者可以在需要的地方增加容量。

因特网发展的第二个关键，是把数据分解成单个单元，并在网络传输后进行重组。这个过程被称作“包交换技术”，它像一个铁路系统，在其中，每个火车都可独立行驶。去往不同目的地的车辆可以共享相同的轨道，而无需等一辆长火车通过，并且去往相同地方的车辆不必都使用相同的路线。只要每辆车有各自的地址，每个交汇点能够指示轨道通往的地方，车辆就能够在到达时汇合。包交换技术通过这种方式传输数据，使因特网更加可靠、强健和高效。

第三个重要决定是使数据在不同种类的网络间传输成为可能，以至于信息可以经过建筑物里的电线，进入光缆穿越一座城市，然后到达卫星传送到另一大陆。为了实现这一过程，计算机科学家开发了互联网协议，使数据包编址方式标准化。在铁路方面有同等意义的发展是标准轨距的引进，使火车可以在国境边界上穿越。IP标准，能允许大量不同种类的数据在共同协议的基础上穿行。

第四个至关重要的选择是让因特网的功能寄居在网络末端，而不是中间节点，以此来控制流量。这种称为“末端对末端法则”的设计，使得新应用无需升级整个网络。传统电话的性能仅能与它所连接的总局交换机同步，但是因特网分层的体系结构避免了这个问题。

在线留言、音频和视频流、电子商务、搜索引擎和社会媒体，全部是在几十年前发明的系统上发展起来的，新的应用程序可以在这些基础上创造出来。

遗憾的是，虽然上述选择产生了很好的效益，但直到最近，它们都没有被除了计算机以外的物联系统所分享。

相反，从制冷和制热到家用电子产品的每项产业，都创造了自己的网络标准，不光指定了设备间的交流方式，还指定了能够交流的内容。这种封闭式模式或许可以在一个确定的域名里工作，但是不限制了创造者最初设想的未来种种可能性。此外，每种这些标准都遇到了因特网已经解决了的同样问题：如何给设备分配网络名称，如何在网络之间发送信息，如何控制流量，以及如何保障通信安全。

尽管使用因特网去连接物体，而不是为每种产业重新发明网络轮，可能现在显得合乎逻辑，但这迄今为止还不是惯例。原因之一是，制造商想建立专有控制。因特网没有收费站，但是如果特定产业的供应商能够控制设备间使用的通信标准，它就可以向使用者收费。

要调和这一问题，必须得出这样的结果，即专用的解决方案能比通用的因特网表现地更好。但这些选择方案并没有得到很好的发展，且缺少因特网系统的规模和可靠性。它们的设计者高估了以互联互通为代价的最优功能。

对于任何特殊用途来说，因特网的网络标准都不是完美的，但相比其他，其实都已足够好。专有网络不仅需承担维持多样且不相容标准的高昂费用，而且还缺乏安全性。因特网数十年受到的攻击，使其形成了一个完善防御措施的巨大研究者和供应商群体，现在正好可以应用于防护物联通信。

最终的问题是费用。因特网最先依赖于几十万美元的大型计算机，然后是一千美元的私人电脑。

因特网经济到目前为止是从电灯泡和门把手的经济上分离出来的，但开发商从未想过让这样的物体联网会具有商业价值，一千美元照明开关的市场毕竟是有限的。因此，几十年来，物体保持非联网状态。

3 大物体小程序

但是经济或者技术上的障碍不再挡道于物联网。使物联网成为可能的是默默无闻的微控制器，它由一个小量内存和外围部分封装而成的简单处理器组成。微控制器仅有几毫米大小，花费几美分就可以制造，只需用数毫瓦的电力，以至于它可以依靠一个蓄电池或者小太阳能电池运行几年。不像以数亿字节内存标榜的私人电脑，微控制器只能储存几千字节。虽然这并不够支撑今天台式机程序的运行，但却能与因特网发展时期的设备相匹配。

1995年前后，研究者在麻省理工开始使用这些元素来简化因特网连接。从丹尼·科恩开始，这个项目进一步与一大群因特网原创者合作，目的是将因特网扩展到物体上。既然“下一代互联网”早已用来指代互联网提速项目，我们只能称这种更慢、更简单的互联网为“零代互联网”。

零代互联网的目标是为最小的设备设置IP。通过把智能灯泡和智能开关直接联网，这些设备可以自行开闭，而无需通过与互联网相连的控制器进行联络。这样，新的应用程度将被创造出来以连接电灯和开关，可以不受控制器容量的限制。

让物体进入因特网，简化了众多疑难问题。考虑到电子产品代码（为人熟悉的条形码成功者），零售商开始在它们的产品上使用通过无线电频率识别的标签。这些标签中的信息也可以被因特网数据包替代，以至于物体可以内含随环境变化的使用说明；商店里的收银台、药瓶上的标签能够与商品数据库进行交流；在医院，它又能连接到病人的档案。

随着互联网连接的简化，零代互联网项目也简化了物体间的网络。永远追求更快的网络，导致每种数据传输媒介的标准因其都需要自己特殊的预防措施而呈现很大不同。但是对于莫尔斯码来说，无论它是使用旗帜什么介质进行传输，其实看起来都一样，并且同样地，零代互联网数据包在某种程度也独立于其媒介。就像IP，它不是最理想的，但是它用速度换来了廉价和简洁。高速并不是必需的，灯泡毕竟用不着看宽带电影。

另外一个使因特网拓展到物体的创新，是从IP的旧版本到新版本的更新换代。当最初标准IPv4的设计者在1981年发行它的时候，使用32个二进数位（每位一个0或者一个1）来存储每个IP地址，考虑到总数超过40亿的IP地址，把唯一的识别符分配到了每个联网设备。IPv4用完了所有地址后，它现正在被一新的版本IPv6替代。新标准使用128个二进制数位的IP地址，创造出了比宇宙星辰还多的可能识别符。

但是，IPv6仍然需要处理物联网的独特要求。随着内存、速度和功率上的限制，设备能够在网络上间歇性地出现和消失，要么是为了节能，要么是因为它们正在行进中。并且，在足够大的数量中，甚至是简单的传感器也可以击垮现存的网络基础设施，因为一座城市可能拥有数百万的电表和插座。所以，要推动互联网协议的延展，以满足这些需求。

4 英特网发展的必然性

尽管物联网在现在的技术上是可行的，但是其应用受到了旧问题的挑战。物联网与互联网关键的区别是信息寄存于何处：在拥有自己IP地址的智能设备里，还是在有线连接私人联网控制器的非智能设备里。令人困惑的是，后面这种装备本身还频繁地被描述为物联网的一部分。把IP拓展到网络的末端，可以使创新只停留在它的边缘；把设备连接到因特网，间接造成了对它们的使用障碍。

在使用“智能电网”这个术语的时候，其含义同样出现了相互矛盾。智能电网承诺，通过智能化地控制高峰时期的用电负荷，动态地调控价格来刺激能源效率的提升，用许多小的可再生资源供电给电网，来减少对发电厂的需求。在不那么明智、实用主义的方法中，这些功能全部将集中控制。在相互矛盾的、以因特网为中心的方法中则不会，因为它分散的特性将要考虑开发商设计节能应用程序的市场。

让电网联网，明显增加了网络安全问题，但是集中控制将只会放大问题。因特网的历史表明，隐藏式安全根本就行不通。以安全的名义对它们的内在运行保密的系统，一贯被证明比那些允许自身被外人检查和挑战的系统更易受到攻击。用来保护英特网通讯的开放式协议和程序，是庞大的专家团队不断开发和试验的结果。

此外，在涉及安全的问题上，人是最通常的弱点，而不是技术。无论一个系统如何安全，也难以避免人为因素的干扰。集中性的控制，引来了一个在分散式系统中不存在的弱点。

因特网的发展，极大地超出了人们的预期。因特网的很多应用驱动了其发展，让人们惊讶不已，但它们并不是任何最初计划中的组成部分。它们是开放式建筑风格的结果，总给出乎意料留有余地。同样地，今天人们看待物联网的视角，肯定也会在实践的发展面前黯然失色。但是，因特网的历史为物联网的发展提供了原则，指引它以可行、强健、安全和令人鼓舞的创新方式发展。