1.5 物联网的体系框架

1.5.1 物联网及其服务类型

由于物联网应用的专属性，其种类千差万别，分类方式也有不同。例如，类似于计算机网络，物联网可划分为专用网络和公众网络。公众物联网是指为满足大众生活和信息的需求提供的物联网服务；而专用物联网就是满足企业、团体或个人特色应用需求，有针对性地提供的专业性的物联网业务应用。专用物联网可以利用公众网络（如 Internet）、专网（局域网、企业网络或移动通信互联网中公用网络中的专享资源）等进行信息传送。按照接入方式可分为简单接入和多跳接入两种；按照应用类型可分为数据采集、自动控制、定位等多种，如表1.1所示。

根据物联网自身的特征，物联网应该提供的服务包括5类：

（1）联网类服务：物品标识、通信和定位；

（2）信息类服务：信息采集、存储和查询；

（3）操作类服务：远程配置、监测、远程操作和控制；

（4）安全类服务：用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测和攻击防御；

（5）管理类服务：故障诊断、性能优化、系统升级和计费管理服务。

以上介绍的通用物联网的服务类型集合，在实际设计中可以根据不同领域的物联网应用需求，针对以上服务类型进行相应的扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计、验证物联网体系结构与物联网系统的主要依据。

1.5.2 物联网的节点和互联类型

为了构建物联网，首先需要划分物联网中网络节点的类型。物联网节点可以分成无源 CPS节点、有源 CPS节点、互联网 CPS节点等，其特征可从电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、联网能力以及连接能力等几个方面进行描述，具体描述如表1.2所示。

1．无源CPS节点

无源 CPS节点就是具有电子标签的物品，这是物联网中数量最多的节点。例如，携带电子标签的人可以成为一个无源CPS节点。无源CPS节点通常不带电源，可以具有移动性，具有被感知能力和少量的数据存储能力，不具备计算和联网能力，提供被动的T2T连接。

2．有源CPS节点

有源 CPS节点具备感知、联网和控制能力的嵌入式系统，这是物联网的核心节点。例如，装备了可以传感人体信息的穿戴式电脑的人可以成为一个有源CPS节点。有源CPS带有电源，可以具有移动性、感知、存储、计算和联网能力，提供T2T、H2T、H2H连接。

3．互联网CPS节点

互联网 CPS节点具备联网和控制能力的计算系统，这是物联网的信息中心和控制中心，例如具有物联网安全性、可靠性要求的，能够提供时间和空间约束服务的互联网节点就是一个互联网 CPS节点。互联网 CPS节点不是一般的互联网节点，它是属于物联网系统中的节点，采用了互联网的联网技术相互连接，但具有物联网系统中特有的时间和空间的控制能力，配备了物联网专用的安全性和可靠性的控制体系。互联网 CPS节点具有不间断电源，不具备移动性，可以具有感知能力，具有较强的存储、计算和联网能力，可提供H2T、H2H连接。

根据以上物联网节点的分类，节点之间可能存在的连接类型包括无源 CPS节点与有源CPS节点，有源CPS与有源CPS节点，以及有源CPS节点与互联网 CPS节点之间的连接。无源 CPS节点与有源 CPS节点互连结构如图1.4所示，两者通过物理层协议连接（如通过 RFID协议），有源 CPS 可以获取无源CPS节点上电子标签的信息。

有源 CPS节点与有源 CPS节点互连结构如图1.5所示，有源 CPS节点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互，实现有源 CPS节点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源 CPS节点资源限制十分严格，有源CPS节点不适合配置已有的IP协议；配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议，可以保证可靠、高效、节能地采集、传递和查询信息，满足物联网节点交互的应用需求。有源 CPS节点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现。也就是说，这样可以按照应用需要，设计灵活的信息采集和转发协议，不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。

有源 CPS节点与互联网 CPS节点互连结构如图1.6所示，有源 CPS节点需要通过 CPS网关，才能连接互联网节点。CPS网关实际上是一个有源 CPS节点与互联网CPS节点的组合，其中实现了完整的互联网协议栈。通过CPS网关，可以在应用层与互联网连接，实现物联网与互联网之间的信息传递，以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互联和互操作。这种互连结构允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构，简化不必要的联网功能，降低网络系统的复杂性。不同的物联网技术，如汽车电子联网技术、环境监测联网技术等，可以采用适用于各自应用领域的有源 CPS节点之间连接的协议结构，只需通过CPS网关就可与互联网连接。

在上述三种互连中，物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；数据链路层协议，提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能，具有较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议，提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。

1.5.3 物联网通用设计原则

物联网的设计应该遵循一定的原则，而设计体系结构是设计物联网必不可少的环节，其原则具体包括：

（1）多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网节点类型的不同，分成多种类型的体系结构；

（2）时空性原则，物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求；

（3）互联性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接；

（4）安全性原则，物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击；

（5）坚固性原则，物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。

基于这5条基本原则，构建物联网可以分成标识物品、建立物品联网系统、建立物联网应用平台和建立物联网应用系统几个环节，下面逐一进行介绍。

1．标识物品

构建物联网系统的第一步是标识物品，也就是标识世界上所有的物品，需要利用电子标签和传感器技术。世界上所有的物品可以简单分成人造物品和自然物品，人造物品包括食品、纺织品、其他日用品、货物、道路、桥梁、楼房、汽车、飞机、轮船、生产线等。通常在人造物品上贴上电子标签或者传感装置，就可以把人造物品改造成 CPS节点。自然物品包括动物、植物、山峰、河流、湖泊等，这些自然物品也可以贴上电子标签或配置传感装置，改造成为CPS节点。例如牛角上贴上电子标签，奶牛也成为一个CPS节点，可以智能化管理奶牛的喂养和挤奶等操作；盲人穿着具有电子标签的鞋子，也可以成为一个 CPS节点，与盲道上的电子标签读写器协同操作，就可以指导盲人的行走。标识物品所用到的核心技术之一是电子标签和传感器的材料技术，这是属于物联网最为基础的技术，其突破将会带来物联网产业的大幅度发展。标识物品的另外一项技术就是世界统一的物品编码技术。目前还没有针对物联网的全球物品编码技术。

2．建立物品联网系统

在完成物品标识之后，就可以建立、验证和采集被标识物品的物联网节点，即有源 CPS节点。为了实现有源 CPS节点，首先需要设计和实现有源CPS节点与无源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物品识别机制；其次必须设计和实现通信信道复用机制，使得在一条信道上可以同时完成多个无源或者有源 CPS节点的通信，例如同时识别100多个具有 RFID标签的物品；然后设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。前两部分可以构成物联网系统中的联网系统，如图1.7所示。

3．建立物联网应用平台

物联网应用系统建立在物联网应用平台之上。在建立有源 CPS节点的联网系统之后，就需要设计和实现有源 CPS节点的网络配置、用户管理、节点控制、信息采集、信息传输和信息查询等功能，建立一个基本的物联网应用平台，即面向某个具体应用领域的物联网中间件（参见图1.7）。由于不同的应用领域对于节点控制的可靠性、实时性、安全性有不同的要求，因此需要针对不同应用领域，设计和实现不同控制力度的应用中间件。设计和实现物联网应用的中间件，可以隔离物联网特定联网系统，满足快速应用开发的需求。在设计和实现物联网应用中间件过程中，需要参照物联网相关领域的应用平台服务接口标准。如果是一个全新的物联网应用领域，可以在设计和实现物联网应用中间件过程中，提取与实现无关的部分，形成该领域的物联网应用平台服务接口技术规范。

4．建立物联网应用系统

在建立物联网应用中间件之后，就可以进一步设计和实现物联网应用系统，包括基本应用系统和特定应用系统，如图1.8所示。基本应用系统包括物品命名管理系统、物品身份真伪验证系统、物联网系统管理等，特定应用系统包括仓储管理系统、楼宇监控系统、环境监测系统等。

物联网应用系统需要区分应用系统的物联网端和互联网端，如图1.9所示。应用系统物联网端部署在有源 CPS节点上，可以作为应用系统的客户端（客户机/服务器），也可作为应用系统的对等端应用模式（P2P, Peer-to-Peer，对等），但是必须要求功能简捷可靠；应用系统互联网端部署在互联网 CPS节点上，可以作为应用系统的服务器端（客户机/服务器），也可以作为应用系统的P2P应用模式，但都需要提供较为强大的存储和后端处理能力，满足物联网应用需求。