3.1　物联网服务平台的特点及面对的挑战

随着物联网技术的快速发展，以及传感器网络技术、无线电子标签技术（RFID）、智能化的嵌入式技术等相关技术的日益成熟，物联网相关的软件和硬件成本显著下降，物联网技术得到了各行各业越来越多的关注。例如，智能工业、智能电网、智能医疗、智能家居、智能交通等新兴技术概念均是物联网技术与各传统领域相结合而产生的技术概念或发展路线。

物联网技术在各领域的大热及物联网应用的不断增多，使物联网设备的种类变得繁复多样，数量也呈现几何式增长。据统计，截至2015年上半年，全球范围内存在近2亿台各类物联网相关设备，它们被广泛应用于家庭、工业、各类运输行业等领域。其中，仅在北美就存在3亿多台各类家用电子器材、数千万台客货运汽车、1亿多台供热通风或温度调控设备，以及数不胜数的各种组合器械与安全装置。在物联网这样无处不在的计算环境中，强加标准并让每个人都遵守标准是不切实际的。超大规模的物联网及物联网自发生成的大量事件，再加上物联网的异构设备、技术、应用，给软件的开发带来了新的挑战。物联网应用程序软件具有以下特点。

（1）应用程序种类繁多。物联网可以为众多领域和环境中的大量应用程序提供服务。这些领域和环境可以分为几个领域类别：① 运输和物流；② 医疗保健；③ 智能环境（家居、办公、植物）；④ 工业；⑤ 个人和社会领域。不同的应用程序可能需要不同的部署架构（如事件驱动和时间驱动），并且有不同的需求。然而，由于物联网连接到互联网，组成物联网服务的大多数设备将需要在支持它们相互理解的环境中运行。

（2）实时性。使用物联网的应用程序可以大致分为实时应用程序和非实时应用程序。例如，对于医疗保健、交通运输等物联网领域，它们将需要按时交付数据或服务。延迟交付数据会使应用程序或服务在关键任务应用程序中变得无用甚至危险。

（3）一切即服务（Everything-as-a-Service，XaaS）。XaaS模型非常高效、可伸缩且易于使用。XaaS模型激发了传感器作为一种服务方式在WSN（Wireless Sensor Network，无线传感器网络）中的应用，这可能不可避免地导致物联网向XaaS模型发展。随着更多的东西被连接起来，服务的集合也可能会增长，并且随着它们在网上变得可访问，它们将可供使用和重用。

（4）安全攻击面增加。虽然物联网在不同领域有巨大的潜力，但应用程序和网络的安全性也受到关注。物联网需要全球联网和可访问性，这意味着任何人都可以随时随地访问它。这极大地增加了物联网应用程序和网络的攻击面。物联网固有的复杂性进一步使高效、可互操作和可伸缩安全机制的设计及部署复杂化。

（5）隐私泄露威胁。利用物联网，应用程序可以收集人们日常活动的信息。由于反映此类活动的信息（如旅行路线、购买习惯和日常能源使用）被许多个人视为隐私，因此这些信息的泄露可能会危害到这些人。云计算的使用使得隐私泄露问题更加严重。

为了应对复杂的物联网计算环境，便于物联网应用软件的开发，相关研究人员提出了各种不同的物联网平台架构，以兼容类型各异、数量庞大的物联网设备。如果没有这些解决方案，程序员必须在每次集成新软件包时阅读新的软件规范，从而使这些任务变得困难，并且非常耗时。几乎所有的物联网平台架构均采用了垂直应用架构，面向行业内应用与闭环应用。现有物联网应用的垂直应用架构如图3-1所示。

这种架构模式的最大缺点是复用性差，难以实现设备、应用之间的数据共享与操作交互，以及不同应用系统之间的互联互通。造成这一问题的主要原因是物联网设备的异构性及物联网网络环境的异构性。此外，不同应用领域中的物联网应用需求存在显著的差异。所有这些原因共同导致为了加快研究进度、减少研发投入，当前物联网应用与体系架构研究往往集中专注于本行业相关领域。

随着物联网服务的实际应用与物联网部署规模的快速增长，近年出现了一些将物联网与云进行结合的研究成果，即将异构的物联网设备以某种统一的方式接入服务平台中，并对设备所产生的各种数据格式进行统一的规定，然后利用云计算、云存储等技术所提供的强大处理能力对其进行处理，形成后端集中式的物联网服务体系架构。但是，这种体系架构的研究同样专注于领域内物联网技术的特定需求，即设备类型相对固定统一、数据类型比较单一、易于对设备与数据进行统一的描述和抽象。因此，可以将这种体系架构视为物联网服务平台在大数据环境下的升级与加强。另外，此类体系架构需要稳定的网络连接来获取物联网服务，承载大数据量的数据传输压力，对网络及云服务的要求更加苛刻。

现有的物联网服务平台架构及其垂直式开发模式，已经难以支撑物联网应用的需求与发展；同时，面向通用的接口、协议及服务技术日臻完善，并得到广大开发者的认可与喜爱，使得物联网服务也要向通用开放的方向发展，以迎合信息时代的需求。物联网应用体系架构与通用支撑技术是相辅相成、互相促进发展的。一方面，物联网应用体系架构的发展能够有力地推动通用支撑技术的创新和应用规模的提升；另一方面，通用支撑技术的创新及应用规模的提升又促进了物联网应用体系架构研究的发展和进步。

通过对目前物联网服务平台的分析，能够明显地发现现有物联网服务平台架构存在以下挑战。

（1）物联网设备的异构特性：物联网设备在功能、数据格式、操作指令、应用领域等方面的差异巨大，从而导致现有物联网架构模型与物联网应用往往仅适用于某一特定领域，很难成功地应用于其他领域，甚至即使在两个相似度较高的领域中也很难通用。因此，物联网服务需要对各种类型的设备进行统一的抽象表示，并能够描绘出通用的设备结构与表示形式，以屏蔽物联网设备的异构性。

（2）物联网服务的动态特性：在物联网系统中，受客观环境与具体应用场景的限制，物联网中的个体及个体相互之间的网络互联具有动态变化的可能，因此，需要物联网服务通用架构提供即插即用的技术特性，从而减少过多的人工干预与配置操作。

（3）物联网的规模性：在实际应用环境中，通常实现互联互通的物联网设备的规模都较为庞大，物联网系统的接入设备的数量、所产生的数据量及所需提供的计算量都是非常庞大的。因此，物联网环境中的数据组织与管理方式将直接影响物联网服务平台的整体性能。

（4）物联网应用的设计模式：当前，物联网应用所采用的设计模式仅考虑了所开发的应用能否被有效地应用于本领域，与物联网设备的耦合程度很高，因此难以移植或推广到其他应用场景中。物联网服务平台作为通用的面向服务的架构模型需要充分地考虑物联网服务的通用性与可移植性，以实现一次编写、普适运行、展现通用特性。

目前，围绕物联网服务的通用平台建设，国际电信联盟（ITU）基于被广泛认可的泛在传感器网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）架构，提出了一种抽象的物联网体系架构模型。以自下而上的顺序来看，该架构由处于架构底层的物理传感器网络、为泛在传感器网络提供接入支持的网络系统、泛在传感器网络的基本干线网络系统、泛在传感器网络的中间件、基于泛在传感器网络的物联网应用平台五个层次构成。其中，底层的物理传感器网络是由具体应用场景中的所有传感器节点构成的网络系统。在所有的应用场景中，物理传感器网络能够利用传感器网络网关以无线、有线或卫星通信等方式接入网络系统，而不同的接入网络又共同构成一个更大范围的广域网络系统。这种分层的网络架构模式，能够对复杂的异构底层网络系统进行统一的抽象，进而对上层应用屏蔽传感器网络的异构性，便于上层应用的开发。除ITU外，美国、欧盟、日本和韩国在物联网体系架构、接入网关、物体命名解析、感知技术等方面也进行了深入研究，提出了物联网体系结构参考模型、M2M网关、物体编码方法、传感器网络的感知方法等技术方案。

在国内，物联网相关技术的研究与物联网应用的开发已经初具规模。在物联网架构研究方面，于2002年成立的中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）下属的泛在网络工作委员会（TC10）提出了一种三层的物联网体系架构模型。在该架构模型中，第一层为感知延伸系统，该系统通过设置传感器与物体进行连接，实现物体与所处环境的信息感知，进而完成对物体的标识、识别与相关信息的探测。架构模型的第二层为支持异构融合的泛在通信网络层，该层通过互联网、通信网等各种类型的接入网络系统完成泛在的信息传输和处理，通过复用现有网络技术来增强物联网的兼容性和网络部署的简洁性。架构模型的第三层为应用和服务层，该层为智能手机、个人计算机等各种类型的终端设备，提供基于各种感知信息的物联网应用服务，即通过收集、处理下层网络所提供的物体状态的相关信息，向各种终端设备提供其所需的数据，或对终端发送的指令进行处理，并完成对应设备的响应，实现虚拟世界与现实世界的互操作和互联互通。

总体来看，目前国内并没有得到广泛认可的、自主可控的通用物联网服务平台架构实现方案，在物联网标识等关键技术方面也面临发达国家强有力的挑战。长期以来，美国一直引领网络技术发展潮流，主导网络架构体系发展，不仅基本垄断了世界市场，也掌握着网络安全的主动权。随着我国经济基础和技术能力的提高，抓住我国物联网繁荣发展机遇，从网络的整体架构上对物联网的概念进行统一的清晰描述，提出普适的物联网架构体系，并构建自主可控的物联网软硬件支撑环境，无论是对我国实现物联网技术的领先，从而能够引领物联网技术的发展潮流，抢占未来科技的制高点，还是对打破美国在网络架构领域的长期垄断地位，夺取网络技术发展和网络空间安全的主动权，保障国家安全，都具有重大的战略意义。

可以看出，当前IoT研究领域已出现的物联网体系架构模型类型各异，并且都局限于具体的应用领域之内，难以支撑不同行业对物联网应用的共同需求，无法实现不同物联网系统的互联互通，以及不同物联网领域设备、数据的共享。此外，当今物联网服务仍然以满足具体应用的特定需求为主，以垂直开发模式进行物联网应用与服务系统的开发，并且多数采用了集中式系统平台模式。这些都说明了物联网平台架构的开放性亟待提高，需要深入地研究物联网服务的分布式架构模型、充分合理地利用设备能力，构建通用的物联网服务平台，引领和支撑物联网技术和产业发展；实现物联网关键技术完全自主可控，提升物联网可持续竞争力；减少物联网系统重复建设，消除行业壁垒，促进行业间互联互通互操作，产生显著的经济、军事和社会效益；引领物联网相关产业，促进产业链整合，加快我国物联网产业持续发展。