2.3　物联网的分层体系结构

从分层的角度看，中国通信标准化协会（CCSA）泛在网技术工作委员会（TC10）给出了物联网的三层结构。第一层是感知延伸系统，通过传感器连接事物和感知信息；第二层是异构融合的泛在通信网络，包括现有的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，实现对信息的传输和处理；第三层是应用和服务，为手机、PC等各种终端设备提供感知信息的应用服务。因此，基于分层的物联网体系结构如图2-2所示。

图2-2　物联网的分层体系结构

在图2-2中，物联网的三层体系结构从下到上依次是感知层、网络层和应用层，这也体现了物联网的三个基本特征，即全面感知、可靠传输和智能处理。感知层是物联网三层体系结构中最基础的一层，主要完成对物体的识别和对数据的采集。网络层利用各种接入及传输设备将感知到的信息进行传送。应用层则像人的大脑一样，将收集的信息进行处理，为用户提供丰富的服务。物联网中的每一层都有自己的业务特征，也体现了技术上的差异。

2.3.1 感知层特征

感知层主要用于识别物体、采集信息，由传感器网络和感知设备两部分组成，包括有线传感器网络、无线传感器网络、传感器、RFID、视频采集设备等。

物联网感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。感知层处于三层体系结构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网最基本的一层，感知层具有十分重要的作用。

感知层中涉及一部分通信能力，主要是硬件设备之间的通信。由于各厂商的硬件标准、协议、接口可能不同，导致集成商开发工作量大，这需要通过智能的方式来解决。传感器必须具备低功耗特性，否则供电问题难以解决，而且终端内的电池应该具备长久的续航能力。目前的很多应用中，都会遇到供电这个瓶颈，这是物联网应用中亟待解决的一个重要问题。

2.3.2 网络层特征

网络层主要用于信息传输，包括接入单元和传输网络两个部分。接入单元有独立的物联网终端以及作为感知数据汇聚点的物联网网关；传输网络包括有线（宽带、PSTN）、无线（3G/4G/5G、Wi-Fi、WiMAX、LTE）等。网络层应该支持物联网终端的广泛接入和广泛互连，这对运营者的网络建设要求很高。

随着物联网终端的大量接入，运营者的网络将面临非常大的压力。而且，很多终端都是小流量长在线业务，发送的数据量很小，发送频率也不高，但是却又要求实时在线。这对网络资源占用造成了严重的影响。因此，需要规划用户用得起、运营商建得起，以及运营得起的经济型网络。

物联网业务的特点是上行流量大于下行流量、近程多于远程、持续多于突发、并发多于偶发、传感节点类型多。因此，需要建设智能型网络，具备传感网与通信网的异构融合，支持灵活的编码方式和传输方式，并引入IPv6，为物联网提供海量IP地址。

物联网的网络层主要承担着数据传输的功能，特别是当三网融合后，有线电视网也能承担数据传输的功能。在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠、高安全性地进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内的传输问题，尤其是远距离传输问题。同时，物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量传输要求，面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。

2.3.3 应用层特征

物联网应用是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。应用层解决的是信息处理和人机界面的问题。

应用层主要用于业务相关信息的处理和应用，其中也包括各种物联网通用能力，如基础通信能力调用、数据建模、目录服务、内容管理、通道服务等。在通用能力之上，是各种物联网的行业应用，包括企业的行业应用、个人家庭应用、政府公共应用等各类应用，涵盖物联网应用的各个领域。

通过物联网管理平台可以让用户对管理数据和业务数据进行灵活处理，并将大量数据合理呈现。另外，该平台对终端的管理还涉及注册、休眠、唤醒等多项功能，极大地提升了设备管理效率，更好地体现了集中管理的益处。各种数据信息通过信息采集设备、传输设备及网络传输，最后到达用户侧，并且大多数情况下用户又发出相关指令回传到终端设备，因此需要大量设备的协同工作才能保证有效的数据传输和对设备的准确控制。要实现这样的效果，除了需要管理平台、友好的用户界面之外，还需要大量的诸如物联网网关的中间件，从而保证终端设备与网络的顺畅通信。

物联网应用层的智能性主要体现在两个方面。一方面，语音、视频图像等识别技术的发展拓展了物联网的应用，也使原有的应用更加智能化。例如，通过将物联网的应用从被动变为主动，缩减响应时间，从而赋予物联网应用更多的商业价值。另一方面，云计算的发展大大提升了对海量信息的智能处理能力，这同样可以让更多新的的应用成为可能，让原有应用的响应速度得到提升。

对应于物联网的三层体系结构，所需的技术支撑体系如图2-3所示。

图2-3　物联网技术支撑体系

图2-3指明了物联网各层涉及的主要技术，对于数据的感知和采集主要涉及传感器技术、条形码/二维码/磁卡/智能卡/电子标签等识别技术，以及诸如声音/图像/视频等多媒体信息的采集。对于感知层的本地连接而言，包括无线通信技术、自组织网络、协同处理以及传感器中间件等技术。传输层与感知层的互通涉及的协议的适配和转换，一般是物联网网关的职责。网络层主要涉及M2M无线接入、移动通信网络等异构网络的融合以及互联网技术。应用层包括应用支撑平台和具体的物联网应用。公共技术是各层都会涉及的技术，例如安全技术、网络管理、标识解析等。

随着物联网的广泛应用，尤其是物联网开放平台和中间件系统的发展，依据物联网概述（ITU-T Y.2060），物联网的体系结构又可以分为应用层、业务层、网络层和感知层4层。其中，业务层对应物联网赋能平台，是终端到应用的接入网关，应用通过该网关调用接口查看和控制远端的物联网终端，终端也通过该网关接入云端共享数据。因此，物联网赋能平台面向应用开放能力，面向终端开放接入接口。简要的物联网系统4层体系结构如图2-4所示。

图2-4　物联网的4层体系结构

在图2-4中，物联网的4层体系结构从实现的层面对三层体系结构进行了扩展。根据问题的复杂程度，该体系结构还可以分成5层或者更多层次，但本质是类似的。三层体系结构是描述物联网体系结构的基础。

从抽象的角度来看，物联网的主要技术分为连接和计算两个方面。就核心技术而言，可以将物联网的核心技术总结为两大类，即核心使能技术和协同性技术。前者包括M2M接口和通信协议、微控制器、无线通信技术、RFID技术、节能技术、传感器技术、传动装置技术、定位技术和软件技术；后者包括地理标签技术、生物统计技术、机器视觉技术、机器人技术、扩大的现实世界技术、镜像世界技术、生命记录和个人黑盒技术、可触知的用户接口技术和清洁技术等。

物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域，因此，物联网涵盖的关键技术非常多。