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參考自：國家出版基金項目 《物聯網與智能制造》 張晶 化學工業出版社

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Author：HYH
Date：2020/7/20

1物聯網

物聯網有別于互聯網，互聯網的主要目的是構建一個全球性的信息通信網絡，而物聯網則側重信息服務，即利用互聯網、無線通信等進行業務信息的傳送，服務對象由人轉變為包括人在內的所有物品。物聯網作為互聯網的延伸，通過將智能物件整合到數字世界，面向用戶提供個性化和私有化服務。

因此，物聯網的體系架構應包括如下內涵：網絡體系架構、技術與標準體系、資源與標識體系、產業與應用體系、服務與安全體系。

2物聯網網絡體系架構

注意：國際上流行多種物聯網網絡體系架構（包括硬件架構和軟件體系），這里只挑選了國內最常見的架構進行講解。
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——從功能角度建立的物聯網體系架構

2.1系統總體架構：USN

USN是從功能角度（將組成系統的模塊按照功能分解成若干層次）抽取系統的組成部件及其之間的關系，進而建立物聯網系統體系架構。

USN體系架構是由韓國電子與通信技術研究所在2007年瑞士日內瓦召開的ITU下一代網絡全球標準化會議（NUN-USI）上提出的。該體系架構將物聯網自底向上分為五層，依次為感知網、接入網、網絡基礎設置、中間件和應用平臺。

層名功能

應用平臺	各個行業的具體應用
中間件	負責大規模數據采集與處理的軟件組成
網絡基礎設施	基于后IP技術的下一代互聯網NGN
接入網	由網關或匯聚節點組成，為感知網與外部網絡或控制中心之間的通信提供基礎設施
感知網	用于采集與傳輸環境信息

USN屬于后端集中式體系架構，是指物聯網中的大部分信息處理任務和用戶請求由后端信息服務器或服務支撐平臺完成。這種體系架構更方便對物聯網資源進行全局優化調度，但信息處理的靈活性與時效性稍差。

由于USN體系架構按照功能層次比較清楚地定義了物聯網的組成，目前被我國工業與學術界廣泛接受，同時基于USN體系架構衍生出很多改進方案。工業與信息化部電信研究院在其出版的《物聯網白皮書（2011年）》中闡述了一種基于USN的簡化分層物聯網網絡架構，包括感知層、網絡層和應用層（自下而上）。

層名功能

應用層	包括應用基礎設施/中間件和各種物聯網應用
網絡層	實現信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網、接入網和核心網
感知層	實現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將物理實體連接到網絡層和應用層

USN屬于硬件架構。

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——基于WEB服務的物聯網軟件體系架構參考模型

2.2軟件體系架構：M2M

M2M同時包括硬件架構和軟件體系，而USN卻缺乏后者，有一點我很奇怪，為什么在硬件結構中流行USN，但在軟件體系中卻流行M2M，從這個角度來看，或許硬件架構的參考模型和軟件體系架構的參考模型在一定程度上可以隨意組合。

軟件體系架構：從不同視角對軟件系統的組成進行抽象，同時將系統資源提供的能力抽象為軟件構件，進行精確規格說明的圖形化或形式化模型。
從采用的軟件構件類型來看，軟件體系架構分為三種類型，其中一種為基于WEB服務的物聯網軟件體系架構參考模型。
隨著互聯網技術的發展，感知和執行設備可以被嵌入WEB服務，通過HTTP等協議為用戶提供實時數據服務，并與互聯網環境中現有的其他WEB服務組合起來，構成基于WEB服務的物聯網系統——Web of Things（WoT）。目前實現WEB服務有兩種架構風格，該參考模型又包括兩個子類，分別是基于SOAP風格和REST風格的WEB服務物聯網軟件體系架構。

鑒于前端感知設備的資源受限性，近年來研究者更多地采用REST風格來設計實現物聯網的物理實體服務。基于REST風格的WEB服務將位于云端和物端的資源互聯起來，成為目前最廣泛采用的方法。

M2M是基于REST風格的WEB服務物聯網軟件體系架構。

M2M（Machine to Machine）是歐洲電信標準組織（ETSI）正在制定的一個物-物通信標準體系結構，用以實現非智能終端設備通過移動通信網絡與其他智能終端設備或系統進行通信。

參考：公共物聯網（M2M業務）標準

3物聯網技術體系

目前主流的物聯網分層體系架構，均包含感知層、網絡層、應用層三個層次。物聯網涉及諸多關鍵技術，為了系統分析物聯網技術體系，可將其劃分為感知與識別關鍵技術、網絡通信關鍵技術、業務與應用關鍵技術、共性技術和支撐技術。

感知與識別關鍵技術

感知技術實現對物體與環境信息的采集、壓縮與預處理，將模擬量轉為數字量。感知技術的關鍵是傳感器設計（指具有信息處理能力的智能傳感器，例如微機電系統（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）傳感器），其具有微處理器，帶有采集、處理、交換信息的能力，是傳感技術與微處理器相結合的產物。智能傳感器可儲存并處理數據，并且傳感器之間可進行信息交流。
識別技術實現對物聯網中物體標識和位置信息的獲取，以實現對目標對象的精準聯系與定位。

微機電系統可實現元件的高度集成，是當前傳感器領域發展的重點。

多個傳感器按照一定的拓撲結構互聯即形成了傳感器網絡，包括有線和無線兩種類型。

網絡通信關鍵技術

物聯網通信技術根據傳輸距離可分為兩類，一類是短距離通信技術，另一類是廣域網通信技術。由于物聯網多元化的服務能力要求多個信息終端能夠按需組網，因此面向服務需求的信息終端短距離組網技術也是物聯網的關鍵通信技術之一。
物聯網常用的短距離通信技術（無線電波、幾十米內），有bluetooth,zigbee,wifi,nfc等十多種。
與傳統面向互聯網的路由算法不同，物聯網路由協議的設計需要考慮低功耗。

無線自組織通信技術
是物聯網及其類業務的內在要求。傳統的無線蜂窩通信網絡需要固定的網絡架構和系統設備的支持來進行數據的轉發和用戶服務控制。無線自組織網絡不需要固定設備支持，各節點即用戶終端自行組網，通信時由其他用戶節點進行數據的轉發，采用動態路由和移動性管理技術實現物-物信息交互。

IP承載與網絡傳輸技術
是實現物聯網海量數據高效傳輸、匯聚、存儲、處理的必然選擇。

異構網絡融合接入技術
是物聯網面向異構終端、異構網絡提供多樣化服務的關鍵技術。如今不同制式的無線接入網絡共存，這些網絡在各方面均存在明顯差異，任何單一的網絡均難以滿足移動用戶的泛在接入需求，需要將異構的無線網絡協同起來，為用戶提供無縫的信息服務。異構網絡融合是指通過一定的技術與設備達到不同類型網絡的互訪，通過資源共享達到節省成本、提高資源使用效率、優化服務質量的目的。

業務與應用關鍵技術

基于網絡技術的不同，可以把物聯網業務分為四類：
身份相關業務：利用RFID、二維碼等身份標志提供的各類服務
信息匯聚型業務：物聯網終端采集、處理信息，經通信網絡上報數據，有物聯網平臺處理，提交具體的應用和服務，實現遠程終端的自動控制
協同感知業務：通過物聯網終端之間、物聯網終端和人之間進行通信，達到終端之間協同處理的目的
泛在服務：無所不在、無所不包、無所不能

支撐技術

嵌入式系統、微機電系統、軟件和算法、電源和儲能、新材料技術

共性技術

物聯網共性技術涉及網絡的不同層面，包括架構技術、標識和解析、安全和隱私、網絡管理技術

4物聯網資源體系

物聯網包含終端、網絡、頻譜、數據、平臺等各種資源。

終端資源
物聯網時代的終端資源種類發生了量變和質變。

物聯網終端是連接傳感網絡層和傳輸網絡層，實現采集數據及向網絡層發送數據的設備。物聯網終端通常由外圍感知接口、中央處理模塊和外部通信接口三部分組成，通過外圍感知接口與傳感設備連接，將這些傳感設備的數據進行讀取，通過中央處理模塊處理后，按照網絡協議，通過外部通信接口發送到以太網的指定中心處理平臺。

頻譜資源
物聯網的巨大規模以及信息交互與傳輸以無限為主的特點，是無線電頻譜成為基礎性支撐資源。
物聯網有頻譜需求的部分主要是感知延伸層和網絡層。感知延伸層主要涉及無線傳感網的頻譜配置，網絡層主要涉及無線接入網的頻譜配置。

5物聯網標識體系

對事物進行標識和識別是實現物聯的基礎。物聯網標識用于在一定范圍內唯一識別物聯網中的物理和邏輯實體、資源、服務，使網絡、應用能夠基于標識對目標對象進行控制和管理，以及進行相關信息的獲取、處理、傳送與交換，最終實現物聯網服務的提供。
物聯網標識可以分為對象標識、通信標識和應用標識三類，一套完整的物聯網應用流程需要由著三類標識共同配合完成。

對象標識
主要用于識別物聯網中被感知的物理或邏輯對象。對象標識有一維碼、二維碼或生物標識等。

通信標識
通信標識主要用于識別物聯網中具備通信能力的網絡節點，例如手機、讀寫器、傳感器等物聯網終端節點以及業務平臺、數據庫等網絡設備節點。現階段正在使用的編碼規范，包括IPV4、IPV6、MAC等。

對于具備通信能力的對象，既可具有對象標識，也具有通信標識，但兩者的應用場景和目的不同。

應用標識
用于對物聯網中的業務應用（醫療、金融服務等）進行識別。在標識形式上可以為域名、URL等。

在物聯網中，不僅需要利用標識對人和物等對象、終端和設備等網絡節點以及各類業務應用進行識別，更需要通過標識解析與尋址等技術進行翻譯、映射和轉換，以獲取相應的地址或關聯信息，最終實現人與物、物與物的通信以及各類應用。

6物聯網服務體系

物聯網服務是指在環境感知、信息處理的基礎上，通過協同異構終端資源、異構網絡資源、多元業務資源，為目標用戶提供特定數據、信息或控制的過程。

從基于云的物聯網系統結構來看，物聯網服務可分為云服務和實體服務兩種類型。
1 云服務是指由云端資源提供服務，是物聯網處理物理信息的基礎構建；
2 實體服務是由實體資源提供的實體服務，是物聯網系統提供物理信息并與物理環境進行交互的基礎構件。

物聯網服務平臺

物聯網服務平臺是解決大規模異構物端設備互聯與服務提供的必選方案。

物聯網服務平臺通常由科研機構、產業聯盟或骨干企業承建，面向產業提供標識管理、設備管理、共性技術研發等公共服務。
服務平臺處于物聯網系統結構的中間環節，向下接收來自智能傳感器或傳感網的數據，向上為物聯網應用開發提供平臺支持，并以可視化方式將服務（數據）呈現給用戶，通過數據操作實現服務的自動控制。服務平臺允許不同類型的物端接入，并由平臺中的數據庫存儲接入平臺的物體的原始狀態、可調用參數等信息。

基于平臺的物聯網服務體系架構如圖所示，包括服務終端、服務網絡、服務平臺以及各種應用。

目前基于SOA和web服務技術構建物聯網服務平臺是主流技術。

7物聯網安全體系

物聯網本質上是一個異構多網的融合網絡。

從分層的角度來看，物聯網安全問題可分為感知層安全、網絡層安全、應用層安全三個方面。

感知層安全問題
主要包括針對RFID的安全威脅、針對無線傳感網的安全威脅和針對移動智能終端的安全威脅。

網絡層安全問題
主要包括接入網與核心網絡的傳輸與信息安全問題。

應用層安全問題
主要包含數據處理安全和數據應用安全。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的物联网的体系架构概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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