物联网开放体系架构发展研究

李晓辉

(华北计算技术研究所，北京 100083)

综 述 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.005

物联网开放体系架构发展研究

李晓辉

(华北计算技术研究所，北京 100083)

物联网开放体系架构是推动物联网开放式发展、建立新型物联网基础设施、解决物联网应用系统互联互通互操作问题的重要途径。本文在总结物联网发展规律的基础上，分析提出物联网开放体系架构的概念内涵，深入剖析了其历史根源和发展现状，讨论了其发展的关键要素，最后提出了利用物联网开放体系架构推动物联网发展的一些建议。

物联网; 物联网开放体系架构; 物联网基础设施; 互联互通互操作

0 引 言

物联网技术和产业被誉为信息技术未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。其发展至今，经历了几个有明显特征的阶段：

第一阶段(1995-2004)，可被称为基于RFID的物联，以RFID、电子产品编码等为代表，强调利用射频识别标签将物品接入网络，实现物品信息的数字化以及物品状态的跟踪。

第二阶段(2004-2012)，可被称为基于局域网络的物联，以无线传感网、单一行业应用等为代表，强调利用无线传感器、局域网络等实现物体与网络的连接，进行信息交换与共享。

第三阶段(2012-)，是物联网目前正在经历的阶段。随着物联网规模化、协同化发展趋势日益明显，其多元性、复杂性、综合性的特征逐渐凸显，比如，联网设备的种类、数量、智能化水平突飞猛进；人们不仅关注物联，也开始关注物控；人们不仅需要单一物联网系统提供的应用服务，也开始需要跨区域跨行业的应用服务能力等等。所有这些，都对物联网的发展提出新的挑战。传统单一、封闭、内联的物联网系统很难满足发展需求，烟囱式建设模式带来的技术成本高、重复建设多、物体/信息共享难、系统互联互通互操作性差等问题成为发展瓶颈。打破垂直应用的烟囱壁垒、建立支持万物互联的基础网络、形成跨区域跨行业互动的网络基础设施，成为这一阶段的发展热点。因此，这一阶段可被称为基于互联网络的物联网阶段。“开放物联”是这一阶段的重要标志，互联互通是这一阶段的本质需求。

物联网开放体系架构，正是这一时期的发展产物。它对于推动物联网开放式发展、建立新型物联网基础设施、提升物联网公共服务能力、促进物联网应用爆炸式发展等具有重要意义。

本文在总结物联网发展规律的基础上，分析提出了物联网开放体系架构的概念内涵，剖析了它产生的历史根源，研究了其发展现状，讨论了其关键要素，最后提出了利用物联网开放体系架构推动物联网发展的意见和建议。

1 物联网开放体系架构

1.1 概念内涵

物联网的概念自提出以来，一直在不断演进和发展。目前，具有一定共识的物联网定义，是指利用信息网络，有机整合感知、识别、传输、处理等各个环节，实现物理世界与信息世界的无缝衔接，最终满足人们对各类资源的动态感知、智能控制、高效利用、科学管理和智能决策。

从这个定义看，物联网的本质，是要实现物理世界和信息世界的高度融合，彻底打破传统的生产和生活方式。因此，物体、设备、智能硬件、网络、协议、软件、服务等，都是物联网系统要素。随着规模化、协同化、智能化的发展需求，这些要素之间的关联将变得十分复杂。一个典型例子就是，当一个物联网应用需要接入成百上千乃至更大规模不同厂家、不同协议、不同接口的设备时，开发效率、维护效率、更新换代的难度和成本将急剧增加。而这恰恰是物联网发展至现阶段面临的重要现实问题。软件、硬件、系统、网络在接口、协议、服务、标准等方面的巨大差异，和人们对物联网便捷、简单、智能的服务需求是矛盾的。正因如此，人们对物联网的研究重点开始从物联应用转向如何更好地提供支持万物互联的网络能力。物联网开放体系架构，正是基于此产生的。

目前，尚无针对物联网开放体系架构的统一定义。在总结分析物联网发展规律的基础上，本文提出一个参考定义如下：

物联网开放体系架构，指的是可以支持物联网开放系统建设的网络体系结构。

这里的“开放系统”指的是：系统按照内部模块化、接口标准化的原则进行设计；系统组件经最小改变就能在多种系统中进行移植和利用；系统组件能以灵活的方式进行集成并与本地和远程系统中的其他组件方便地进行互操作。

该定义强调了以下几个重点：

(1)物联网应当是独立于物联网应用的基础物联网络。

(2)物联网开放体系架构，关注的是承载各种物联网应用所需要的基础共性能力，这些基础共性能力越强，对物联网应用的支持就越好。比如物体的接入、管理、标识、寻址、通信、服务等问题。

(3)物联网开放体系架构，倡导的核心是“开放”，开放的目的是实现跨界的融合。它最直接的效果，就是能够有效促进跨区域、跨行业、跨网络、跨系统、跨平台的各种物联网应用之间的互联互通互操作，以及大大减少系统的重复投资与建设、推进公共资源发展，并以此细分产业角色和分工、激发开放式应用的巨大潜能。

(4)物联网开放体系架构的本质是要确定物联网体系中各种要素的层次关系和关键接口，并采用开放标准进行约束。通过提供顶层设计框架和开放标准，来指导或支持物联网开放系统的设计、开发、运行和维护。

1.2 历史根源

虽然物联网开放体系架构是一个新概念，但开放系统本身，其发展历史却由来已久。对开放系统发展规律的研究，不仅能够让我们更好地理解开放的概念和内涵，而且有助于我们对物联网开放体系架构的研究取得更加深入的进展。

开放系统的概念，最早可追溯到上世纪80年代。早在大型机时期，计算机、网络等的技术和产品相对单一和垄断，各大计算机公司以专有系统为主。进入80年代的个人计算机时期，随着Unix操作系统的标准化以及RISC微处理器体系结构的标准化，开放系统的萌芽正式产生。当时对开放的认识，是以许可证方式，提供体系结构和操作系统源码给任何需要者。在当时专有体系结构和专有操作系统处于全盛时期的情况下，这种观念无疑是一大进步。但这种“开放”意识和倡导开放系统者强调的要团结各厂商力量参与竞争尚有差距。因此，人们又提出对“开放”的共识应当是：公开未来的开发计划、公开征集相关的技术、公开决定标准规范的过程。这三个“公开”充分显示出开放系统强大的生命力。个人计算机以及之后的互联网从小到大蓬勃发展，正是开放系统思想最生动的体现。由于公开化和标准化的影响，能够激励众多厂商参与开发遵循标准界面的软件、硬件和系统，并逐渐成为流通产品。显然，利用这些流通产品设计系统，必然能够缩短开发周期、减少开发费用，而且能够最大化的解决系统的功能扩充、更新换代、兼容移植、互联互通等问题。因此，开放系统的概念，在90年代后期逐渐走向成熟。

开放系统不仅在民用领域蓬勃发展，在军事信息系统的建设过程中也发挥了重要作用。海湾战争以前，美国等军事强国的信息系统(以C4I系统为代表)，基本属于各军种独立建设的专用或专有系统。随着一体化联合作战的设想被提上日程，这些大型复杂系统联通性差、采购压力大、开发成本高、新技术难以快速注入等问题不断暴露。尤其在经历了海湾战争之后，美军很快意识到这类系统在快速适应复杂多变的作战任务方面存在很大缺陷。于是，1994年，美军率先提出要利用开放系统工程的方法，通过“建立单一的、统一的国防部技术体系结构，约束今后国防部所有C4ISR系统的采办”[1]，实现从分立系统建设向综合系统建设(以C4ISR系统为代表)的模式转变，以增加信息战能力，最终夺取作战优势。1995年，美国国防部发布了包括军用计算机、软件工程、操作系统、数据管理、数据交换、分布式计算、用户接口等各种标准在内的信息管理技术体系结构框架[2-4]，规定了国防部今后所有C4ISR系统采办、开发、使用和维护需要的目标内容，正式拉开了军用开放系统发展的序幕。随后的20多年，美国一直在持续出台和更新各种纲领性的顶层设计文件，用以规范三军的信息系统研制。应当说，开放系统战略，为美军在网络中心战思想指导下改变发展模式、实现转型升级、并确保转型过程中作战效能持续性提升等起到了非常关键的作用。

从以上分析可以看出，开放系统的价值在网络环境中得到了最充分的展现，这是因为网络的异质性和分布性非常需要利用开放系统技术解决资源共享、特别是互操作性等问题。这也是为什么物联网发展到一定阶段，必然要走向开放式发展的原因之一。

1.3 发展现状

欧盟、美国、韩国、日本等，都是物联网发展走在前列的国家，尤其在物联网体系架构和标准化等方面开展了大量工作，有的甚至成为国家级的发展重点。

欧盟方面，高度重视物联网创新，拥有一套相对完善的政策体系，涵盖了包括技术、应用、标准、管理、未来愿景等在内的众多领域，并且持续发布信息化战略框架、行动计划和战略研究路线图。其中，“第七研究框架计划(Framework Program7, FP7)”和“地平线2020科研计划”就是典型代表。FP7框架中，提出了两个比较典型的物联网体系架构方案：SENSEI架构[5]和IOT-A架构[6]。SENSEI架构一共分为三层：通信服务层、资源层和应用层，通信服务层用于实现现有网络基础设施的服务映射，资源层用于提供统一的交互接口，应用层则为用户及第三方提供调度接口。SENSEI架构通过定义服务访问接口和语义规范提供了一套统一的网络与信息服务。IOT-A架构是SENSEI架构的增强版，尤其在互操作性方面做了重点提升。IOT-A架构一共分为四层：无线通信协议层、M2M API层、IP层和应用层。其中，M2M API层定义了各类物联网资源交互的接口，是实现不同无线通信协议转换为统一物物通信接口的桥梁。IP层则用于提供实现广域范围内资源共享的互联技术。IOT-A架构提供了一套较为完备的物联网体系结构参考模型。

美国方面，一直在战略层面布局物联网发展。不仅发布了包括总统创新伙伴计划、先进制造伙伴计划等在内的一系列国家战略，将物联网、信息物理系统(Cyber-Physical System, CPS)等列为影响国家潜在利益的关键技术。而且积极推进工业界龙头企业，共同参与工业互联网标准框架等技术协议的制定，以期利用物联网发展来重塑美国的制造业优势。目前美国在体系架构方面的成果主要有Physical-net架构[7]和CPS架构[8]。Physical-net架构分为四层：服务提供层、网关层、协调层和应用层。它最大的特点是，底层感知设备能够直接提供服务，并通过网关层进行服务收集与分发，从而有效分离了应用需求与资源分配环节，能够很好地解决多用户环境下异构资源的管理与规划问题。CPS架构则由美国自然基金委提出，它以构建可控、可信、可扩展的CPS网络，实现物理世界与信息世界的融合为目标。其最大的特点是，物理设备具有计算、通信、自治、远程协调、精确控制等能力，有助于实现计算、通信与物理系统的一体化设计。

韩国方面，它是全球宽带普及率最高的国家。2006年，韩国确立了u-Korea战略，旨在建立无所不在的信息社会，将物联网作为三大基础建设重点之一。2013年10月，韩国政府发布了ICT研究与开发计划“ICT WAVE”，将物联网列为10大关键技术。韩国科学信息通信技术和未来规划部(MSIP)2014年推出物联网国家行动计划，进一步推动ICT与其它产业的融合。韩国在物联网体系架构方面的典型代表，是由韩国电子与通信技术研究所(ETRI)提出的USN架构[9]。USN架构包括五层：感知层、接入网层、网络基础设施层、中间件层和应用平台层，强调了物联网基础设施的重要作用。目前已形成国际电信联盟(ITU-T)标准。

日本方面，自上世纪90年代中期以来，相继发布了e-Japan、u-Japan、i-Japan计划。其在物联网体系架构方面的典型代表是由uID中心提出的uID架构[10]。uID架构主要由uCode、uCode标签、eTRON认证机构、信息服务器、uCode解析服务器和泛在通信器等部分构成，目标是基于uCode建立与推广物品自动识别技术并最终构建一个无处不在的计算环境。

除此之外，各大标准组织也在积极推进物联网体系架构的发展。ISO/IEC、OGC SWE提出了传感器网络体系架构和传感器Web使能框架；ITU-T从下一代网络的角度研究泛在传感网，并提出分层的物联网体系架构(包括端点层、网络层、业务/应用支撑层、应用层)[11]；ETSI、3GPP等提出了端到端的M2M体系架构[12]，主要侧重于机器到机器的通信架构和物联网网络能力增强；oneM2M自成立以来，在需求、架构、语义等方面积极开展研究，目前正在开展基于表征状态转移风格(RESTful)[13]的体系架构的标准化工作。

中国方面，具有代表性的物联网体系架构主要有：无锡物联网产业研究院提出的“六域”模型[14]、中国电科提出的物联网开放体系e-things架构[15]。“六域”模型将物联网划分为六个域：用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域以及资源交换域，对不同的物联网系统进行抽象，明确了应用系统、网络通信和信息交换等层面的功能实体和接口关系。e-things架构则提出以物体描述模型为基础，以物联港和物体标识解析为核心的基本框架，致力解决对物体标识解析、接入管理、传输服务、搜索交互等基础能力的统一支持。

总体来看，各大研究机构提出的物联网体系架构各具特色，但它们都有一些共同特征，即都非常重视架构层级的逻辑划分以及接口标准化的问题。这些都是开放思想的具体体现。随着物联网应用的不断丰富以及架构研究的不断深入，物联网开放体系架构将会对物联网发展产生深远影响。

1.4 关键要素

从前述内容可以看出，物联网开放体系架构的核心是开放，本质是要提供一套物联网顶层设计框架以及开放标准，用于指导或支持物联网开放系统的设计、开发、运行和维护。因此，它的关键要素主要包括：参考模型、标准规范以及共性开放平台。

1.4.1 参考模型

参考模型的作用是明确系统的层次划分和功能分级，对构成系统的元素、各元素之间的交互关系、构成模式以及模式之间的限制等进行抽象描述。

物联网开放体系架构的参考模型，应充分体现开放的特征，从各种差异明显的物联网系统中提炼共性需求、进行共性抽象，清晰地展示物联网各组成要素之间的层次关系、需求-服务关系、交互关系等，并考虑对各种新技术发展的兼容性。利用参考模型，能够快速确定需要标准化的界面和服务，形成具有统一性的标准轮廓。参考模型指导能够形成参考架构，参考架构与不同领域需求结合又形成具体领域的架构，最终为物联网系统的设计、开发、采购、生产、维护、升级等提供统一的可供参考的依据。

为了提高参考模型的实用性，在确定界面和服务等的标准时不是唯一限定的。每个要素可以有多个标准进行选择，一旦选定了具体标准，就构成了系统的标准轮廓。从标准本身的发展趋势看，正在逐步从硬件走向软件、从抽象程度低走向抽象程度高。标准界面的抽象程度越高，隐蔽化技术越复杂，隐蔽的程度就越高，对用户和应用程序开发者来说就更加有力。

1.4.2 标准规范

应当说，标准规范是配合参考模型共同使用的。物联网开放体系架构的一个重要目标，就是提升系统之间的互联互通互操作性。从技术角度看，就是要促进应用程序在多种类和多版本的产品之间实现可移植性开发。这里重点讨论两个问题，一是标准化的内容，二是选择或制定标准时需要遵循的一些原则。

对于物联网来说，异构性最大的资源主要是物体资源和网络资源(包括计算、存储、数据、服务、通信等各种资源)。因此，物联网开放体系架构首要关注的就是物体的标准化描述，其次是网络资源的标准化交互。物体标准化描述，最大的价值就是支持网络中所有单元对物体信息的一致理解，这其中包含了物体的基本属性、物体的连接特征、物体的感知控制能力、物体支持的交互方式等等。网络资源，涉及的内容则很多，包括物理介质、通信资源、计算资源、中间件资源、服务资源等等，需要在数据交换、资源调度、服务封装等方面充分考虑标准化的问题。

明确了需要标准化的内容，还需要注意选择或制定标准时的一些原则。选择或制定标准时，必须遵循开放性、成熟性和可用性原则。开放性包括技术和来源两个方面，技术方面包括衡量标准规定的互操作性、可扩展性、可移植性/技术独立性；来源是指标准应从ISO标准、国家标准、行业标准、军用标准中进行选择。成熟性是指一个标准实现的成熟程度，即标准是否被广泛使用、标准已经用了多长时间及标准规定的质量一致性检验是否可行。开放性和成熟性通常是对标准的考核评价，可用性则是指衡量系统对接口标准的可用程度，如果接口标准不能满足系统的最低要求，就是可用性差，仍然不能采用。

1.4.3 共性开放平台

如果说参考模型和标准规范属于理论指导，那么共性平台就是实际运行的软硬件环境。根据参考模型和标准规范开发和建设的共性平台，具有真正意义上的开放性。

目前，国内外很多大公司都推出了针对传感器、智能设备的物联网平台。国外有Xively、Arrayent、Device Cloud by Etherios、Nimbits、Thingspeak等，国内有Yeelink、OneNet、e-things、华为物联网平台、阿里物联网平台等。它们多数定位于开放的物联网平台和云平台，重点解决异构设备接入、数据管理、服务化等问题，例如，很多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，允许第三方硬件接入到平台，并与其交互数据等等。

这些平台都有一些共同特征，即都将共性、开放作为发展目标。虽然它们与目前各机构提出的物联网参考模型及标准规范仍有差别(很多参考模型尚未工程化和产品化，很多平台依据的标准目前则还只是行业标准)，但标准化和产品化本身就是可以双轮驱动螺旋式演进的事物。从物联网规模化、协同化、智能化的发展趋势来看，最终是要实现“万物互联”的发展愿景，成为全球性的基础网络，建立在开放模型及标准指导下的开放平台，不仅在分布式、可移植、可伸缩、模块化、容错、资源共享等方面具有明显的优势，而且非常便于各种应用增添新的系统功能，并且在扩充或者升级时对系统的影响最小。这也是开放架构、开放系统的意义所在。

2 发展建议

物联网是未来极具发展潜能的领域之一。物联网开放体系架构的研究，将为推动物联网开放式发展和大规模应用做出重要贡献。建议在总结开放架构发展经验的基础上，立足长远，高度重视以下几方面工作：

(1)高度重视开放系统战略，作为国家层面的战略普及和推广实施物联网开放互联战略；

(2)建立技术体系结构，明确界面和接口，重视互操作性、可移植性、可伸缩性；

(3)制定开放标准，包括国际标准、国家标准和行业标准；

(4)制定设计开发指南，指导物联网开放系统建设；

(5)结合技术发展和需求牵引，不断修正和更新物联网开放体系架构的内涵，产学研用协同创新。

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李晓辉(1980—)，女，湖南人，博士，高级工程师，主要研究方向为物联网体系结构、物体服务、物联网开放中间件等。

E-mail:lxh330@163.com

Research on the Open Architecture of IOT

LI Xiao-hui

(North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

The open architecture of IOT is an important approach to promote the open development for IOT, construct the new type of IOT infrastructure and solve the problem of interconnection and interoperability between IOT systems.The basic concept of the open architecture of IOT is described, the history root and current situation is deeply analyzed, the key points for development are discussed, and at last some proposals for constructing IOT systems are proposed.

IOT (internet of things); open architecture of IOT; IOT infrastructure; interconnection and interoperability

2016-05-20

2016-08-31

中国电科主导类创新基金项目(No.JJ120102)

：A

1673-5692(2016)05-478-06