物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)研究

喬親旺

（工業(yè)和信息化部電信研究院 北京100037）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）概念最早于1999年由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出，早期的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)和設(shè)備，按約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，使物品信息實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理，實(shí)現(xiàn)物品信息互聯(lián)、可交換和共享而形成的網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，目前業(yè)內(nèi)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵暫時(shí)還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。2011年5月工業(yè)和信息化部電信研究院發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵給出了闡述：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無(wú)縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策目的[1]。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵要素包括由感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層組成的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，并通過(guò)通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

當(dāng)前，學(xué)術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域普遍將物聯(lián)網(wǎng)研究聚焦物聯(lián)網(wǎng)的感知層，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理世界的感知和信息采集，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的重視不足。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)講，感知層的數(shù)據(jù)采集只是物聯(lián)網(wǎng)首要環(huán)節(jié)，而對(duì)感知層所采集海量數(shù)據(jù)的智能分析和數(shù)據(jù)挖掘，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的精確控制和智能決策支撐才是物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)，也是物聯(lián)網(wǎng)智慧性體現(xiàn)的核心，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)應(yīng)用層的支撐，因此本文聚焦在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)的研究。

如果從應(yīng)用層的角度來(lái)看物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個(gè)基于通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的，以提高物理世界的運(yùn)行、管理、資源使用效率等水平為目標(biāo)的大規(guī)模信息系統(tǒng)[2]。這一信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)自于感知層對(duì)物理世界的感應(yīng)，并將產(chǎn)生大量引發(fā)應(yīng)用層深度互聯(lián)和跨域協(xié)作需求的事件，從而使得上述大規(guī)模信息系統(tǒng)表現(xiàn)出如下特性。

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，具有明顯實(shí)效特征

物聯(lián)網(wǎng)中通過(guò)對(duì)物理世界信息的實(shí)時(shí)采集，基于所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，進(jìn)行快速的反饋和管理，具有明顯的實(shí)效性特征，這就對(duì)應(yīng)用層需要對(duì)信息進(jìn)行快速處理提出了要求。

（2）事件高度并發(fā)，具有不可預(yù)見(jiàn)性

對(duì)物理世界的感知往往具有多個(gè)維度，并且狀態(tài)處于不斷變化之中，因此會(huì)產(chǎn)生大量不可預(yù)見(jiàn)的事件，從而要求物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層具有更高的適應(yīng)能力。

（3）基于海量數(shù)據(jù)的分析挖掘

感知層信息的實(shí)時(shí)采集特性決定了必然產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，這除了存儲(chǔ)要求之外，更為重要的是基于這些海量數(shù)據(jù)的分析挖掘，預(yù)判未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)控制和決策支撐。

（4）自主智能協(xié)同

物聯(lián)網(wǎng)感知事件的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性，需要應(yīng)對(duì)大量事件應(yīng)用的自動(dòng)關(guān)聯(lián)和即時(shí)自主智能協(xié)同，提升對(duì)物聯(lián)網(wǎng)世界的綜合管理水平。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、事件高度并發(fā)、海量數(shù)據(jù)分析挖掘、自主智能協(xié)同的特性要求從新的角度審視物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的建設(shè)需求，因此需要針對(duì)性地研究物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的集成、體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算

云計(jì)算模式起源于互聯(lián)網(wǎng)公司對(duì)特定的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理問(wèn)題的解決方案，具有高效、動(dòng)態(tài)、可以大規(guī)模擴(kuò)展的計(jì)算資源處理能力，這一特征決定了云計(jì)算能夠成為物聯(lián)網(wǎng)最高效的工具，使物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)以兆計(jì)的物理實(shí)體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理和智能分析更容易實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)也將成為云計(jì)算最大的應(yīng)用需求，但是必須要強(qiáng)調(diào)的是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不一定完全依賴(lài)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)[3]。

云計(jì)算具有彈性收縮、快速部署、資源抽象和按用量收費(fèi)的特性[4]，按照云計(jì)算的服務(wù)類(lèi)型可以將云分為3層：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)和軟件即服務(wù)，如圖2所示?；A(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)位于最底層，該層提供的是最基本的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，以計(jì)算能力提供為例，其提供的基本單元就是服務(wù)器，包括CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)及一些軟件。在這其中自動(dòng)化和虛擬化是核心技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)使得用戶(hù)對(duì)資源使用的請(qǐng)求可以以自行服務(wù)的方式完成，無(wú)需服務(wù)提供者的介入，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度；虛擬化技術(shù)極大提高了資源使用效率，降低使用成本，虛擬化技術(shù)的動(dòng)態(tài)遷移功能能夠帶來(lái)服務(wù)可用性的大幅度提高。平臺(tái)即服務(wù)位于3層服務(wù)的中間，服務(wù)提供商提供經(jīng)過(guò)封裝的IT能力，包括開(kāi)發(fā)組件和軟件平臺(tái)兩種類(lèi)型的能力，這個(gè)層面涉及兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是基于云的軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試及運(yùn)行技術(shù)，另一個(gè)是大規(guī)模分布式應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境，這種運(yùn)行環(huán)境使得應(yīng)用可以充分利用云計(jì)算中心的海量計(jì)算和存儲(chǔ)資源，進(jìn)行充分?jǐn)U展，突破單一物理硬件的資源瓶頸，滿(mǎn)足大量用戶(hù)訪問(wèn)量的需求。軟件即服務(wù)位于最頂層，在這一層所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括Web2.0中的Mashup、應(yīng)用多租戶(hù)技術(shù)、應(yīng)用虛擬化等技術(shù)。

從上述對(duì)云計(jì)算的3層的類(lèi)型分析可以看出，基于云計(jì)算模式第一層物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理得以實(shí)現(xiàn)，基于第2層可以進(jìn)行快速的軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，而基于第3層可以使更多的第三方參與到服務(wù)提供中來(lái)。

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合處于初期發(fā)展階段，目前主要基于云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行通用計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)，而物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)κ录叨炔l(fā)、海量數(shù)據(jù)分析挖掘、自主智能協(xié)同的需求特性仍有一定的差距，實(shí)現(xiàn)兩者的深度融合仍有一段很長(zhǎng)的路要走。

3 軟件和算法

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)講，最為重要的就是基于感知層采集數(shù)據(jù)的信息處理和應(yīng)用集成，從而獲取價(jià)值性信息來(lái)指導(dǎo)物理世界更加高效運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件和算法在物聯(lián)網(wǎng)的信息處理和應(yīng)用集成中發(fā)揮重要作用，是物聯(lián)網(wǎng)智慧性的集中體現(xiàn)。這其中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括面向服務(wù)的體系架構(gòu)（service-oriented architecture，SOA）和中間件技術(shù)，重點(diǎn)包括各種物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算系統(tǒng)的感知信息處理、交互與優(yōu)化軟件與算法、物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與軟件平臺(tái)研發(fā)等。

面向服務(wù)的體系架構(gòu)是一種松耦合的軟件組件技術(shù)，它將應(yīng)用程序的不同功能模塊化，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口和調(diào)用方式聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)快速可重用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和部署。SOA可提高物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的擴(kuò)展性，提升應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率，充分整合和復(fù)用信息資源。目前，SOA在國(guó)際上尚沒(méi)有統(tǒng)一的概念和實(shí)施模式，SOA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正在多個(gè)國(guó)際組織（如 W3C、OASIS、WS-I、TOG、OMG 等）中研究制定，在已發(fā)布的84項(xiàng)SOA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，尚以Web Services標(biāo)準(zhǔn)為主，缺乏能支撐SOA工程和應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)僅在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織或企業(yè)內(nèi)形成初步體系，不同組織標(biāo)準(zhǔn)間存在重復(fù)甚至沖突。目前，中間件呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，國(guó)際上最主要的中間件產(chǎn)品是IBM Websphere和Oralce（BEA）Weblogic應(yīng)用服務(wù)器套件。

4 信息和隱私安全技術(shù)

信息安全和隱私保護(hù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及技術(shù)應(yīng)用在顯著提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)運(yùn)行效率的同時(shí)，也勢(shì)必對(duì)國(guó)家和企業(yè)、公民的信息安全和隱私保護(hù)問(wèn)題提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。安全和隱私技術(shù)包括安全體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、“智能物體”的廣泛部署對(duì)社會(huì)生活帶來(lái)的安全威脅、隱私保護(hù)技術(shù)、安全管理機(jī)制和保證措施等。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較，由于物聯(lián)網(wǎng)注重?cái)?shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)分析挖掘，因此物聯(lián)網(wǎng)所帶來(lái)的信息安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、個(gè)人隱私等更加突出，同時(shí)基于云計(jì)算模式的數(shù)據(jù)私密性、完整性和安全性如何保障都是重要的安全要素。比如：RFID標(biāo)簽預(yù)先被嵌入與人息息相關(guān)的物品之中，這也就意味著這些物品甚至包括用戶(hù)自身都處于被監(jiān)控的狀態(tài)，這直接導(dǎo)致嵌入標(biāo)簽勢(shì)必會(huì)使個(gè)人的隱私權(quán)問(wèn)題受到潛在的威脅；如果基于物聯(lián)網(wǎng)采集的海量數(shù)據(jù)處理權(quán)限和分析結(jié)果不能得到有效保護(hù)，可能對(duì)商業(yè)秘密、公共安全等造成重大的影響，而且伴隨采集數(shù)據(jù)量的增加則其重要程度不斷提升。

目前，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)安全技術(shù)和隱私保護(hù)手段的研究都處于較初級(jí)階段，相關(guān)安全技術(shù)研究與應(yīng)用思路都以單一場(chǎng)景為依托，已有的安全方案和保護(hù)策略無(wú)法在多個(gè)層面上適應(yīng)變化的應(yīng)用環(huán)境，無(wú)法滿(mǎn)足日益迫切的業(yè)務(wù)應(yīng)用安全需求。

整體而言，提升物聯(lián)網(wǎng)的安全保障能力需要加強(qiáng)在核心領(lǐng)域的安全保障技術(shù)研究和部署，同時(shí)不斷完善和制定相應(yīng)的法律法規(guī)、注重采取相應(yīng)措施，通過(guò)技術(shù)和制度雙輪驅(qū)動(dòng)、并行發(fā)展的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)安全保障能力。

5 應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)體系

物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，這是一個(gè)龐大的體系，涵蓋架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議、標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、信息處理標(biāo)準(zhǔn)等方面[1]，本文僅對(duì)應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行初步研究。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括應(yīng)用層架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，云計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，軟件和算法標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)、公眾應(yīng)用類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)體系。應(yīng)用層架構(gòu)重點(diǎn)是面向?qū)ο蟮姆?wù)架構(gòu)，包括SOA體系架構(gòu)、面向上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的流程管理、業(yè)務(wù)流程之間的通信協(xié)議、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及SOA安全架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。云計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)包括開(kāi)放云計(jì)算接口、云計(jì)算開(kāi)放式虛擬化架構(gòu)（資源管理與控制）、云計(jì)算互操作、云計(jì)算安全架構(gòu)等。軟件和算法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、海量智能信息處理和呈現(xiàn)等。安全標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)包括安全體系架構(gòu)、安全協(xié)議、支持融合網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證和加密技術(shù)、用戶(hù)和應(yīng)用隱私保護(hù)、虛擬化和匿名化、面向服務(wù)的自適應(yīng)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

6 其他關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)識(shí)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵資源之一，標(biāo)識(shí)和解析技術(shù)是對(duì)物理實(shí)體、通信實(shí)體和應(yīng)用實(shí)體賦予的或其本身固有的一個(gè)或一組屬性，并能實(shí)現(xiàn)正確解析的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)識(shí)主要包括物體標(biāo)識(shí)和通信標(biāo)識(shí)，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)和解析技術(shù)涉及不同的標(biāo)識(shí)體系、不同體系的互操作、全球解析或區(qū)域解析、標(biāo)識(shí)管理等。目前來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)識(shí)體系標(biāo)準(zhǔn)眾多，這就帶來(lái)了兼容性和協(xié)作共享方面的難題，也帶來(lái)了管理方面的難度，因此標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)的重點(diǎn)解決問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)對(duì)現(xiàn)實(shí)物聯(lián)網(wǎng)空間的控制技術(shù)，重點(diǎn)包括管理需求、管理模型、管理功能、管理協(xié)議等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)廣泛部署的“智能物體”的管理，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能和適用性分析，開(kāi)發(fā)適合的管理協(xié)議。

7 結(jié)束語(yǔ)

整體來(lái)講，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的眾多技術(shù)是傳統(tǒng)技術(shù)的繼承和新的拓展，但這些技術(shù)如果要滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、事件高度并發(fā)、海量數(shù)據(jù)分析挖掘、自主智能協(xié)同的特性要求還是有一定差距的，因此在未來(lái)的技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展中要不斷針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的需求特性進(jìn)行優(yōu)化和提升，才能形成“智慧性”的物聯(lián)網(wǎng)。

1 工業(yè)和信息化部電信研究院.物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)，2011

2 韓燕波，趙卓峰等.物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2010，6（2）

3 余曉輝.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與展望.工業(yè)和信息化部電信研究院，2010

4 朱近之.智慧的云計(jì)算.北京：電子工業(yè)出版社，2010