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3.1 物聯網服務平臺的特點及面對的挑戰

隨著物聯網技術的快速發展,以及傳感器網絡技術、無線電子標簽技術(RFID)、智能化的嵌入式技術等相關技術的日益成熟,物聯網相關的軟件和硬件成本顯著下降,物聯網技術得到了各行各業越來越多的關注。例如,智能工業、智能電網、智能醫療、智能家居、智能交通等新興技術概念均是物聯網技術與各傳統領域相結合而產生的技術概念或發展路線。

物聯網技術在各領域的大熱及物聯網應用的不斷增多,使物聯網設備的種類變得繁復多樣,數量也呈現幾何式增長。據統計,截至2015年上半年,全球范圍內存在近2億臺各類物聯網相關設備,它們被廣泛應用于家庭、工業、各類運輸行業等領域。其中,僅在北美就存在3億多臺各類家用電子器材、數千萬臺客貨運汽車、1億多臺供熱通風或溫度調控設備,以及數不勝數的各種組合器械與安全裝置。在物聯網這樣無處不在的計算環境中,強加標準并讓每個人都遵守標準是不切實際的。超大規模的物聯網及物聯網自發生成的大量事件,再加上物聯網的異構設備、技術、應用,給軟件的開發帶來了新的挑戰。物聯網應用程序軟件具有以下特點。

(1)應用程序種類繁多。物聯網可以為眾多領域和環境中的大量應用程序提供服務。這些領域和環境可以分為幾個領域類別:① 運輸和物流;② 醫療保健;③ 智能環境(家居、辦公、植物);④ 工業;⑤ 個人和社會領域。不同的應用程序可能需要不同的部署架構(如事件驅動和時間驅動),并且有不同的需求。然而,由于物聯網連接到互聯網,組成物聯網服務的大多數設備將需要在支持它們相互理解的環境中運行。

(2)實時性。使用物聯網的應用程序可以大致分為實時應用程序和非實時應用程序。例如,對于醫療保健、交通運輸等物聯網領域,它們將需要按時交付數據或服務。延遲交付數據會使應用程序或服務在關鍵任務應用程序中變得無用甚至危險。

(3)一切即服務(Everything-as-a-Service,XaaS)。XaaS模型非常高效、可伸縮且易于使用。XaaS模型激發了傳感器作為一種服務方式在WSN(Wireless Sensor Network,無線傳感器網絡)中的應用,這可能不可避免地導致物聯網向XaaS模型發展。隨著更多的東西被連接起來,服務的集合也可能會增長,并且隨著它們在網上變得可訪問,它們將可供使用和重用。

(4)安全攻擊面增加。雖然物聯網在不同領域有巨大的潛力,但應用程序和網絡的安全性也受到關注。物聯網需要全球聯網和可訪問性,這意味著任何人都可以隨時隨地訪問它。這極大地增加了物聯網應用程序和網絡的攻擊面。物聯網固有的復雜性進一步使高效、可互操作和可伸縮安全機制的設計及部署復雜化。

(5)隱私泄露威脅。利用物聯網,應用程序可以收集人們日常活動的信息。由于反映此類活動的信息(如旅行路線、購買習慣和日常能源使用)被許多個人視為隱私,因此這些信息的泄露可能會危害到這些人。云計算的使用使得隱私泄露問題更加嚴重。

為了應對復雜的物聯網計算環境,便于物聯網應用軟件的開發,相關研究人員提出了各種不同的物聯網平臺架構,以兼容類型各異、數量龐大的物聯網設備。如果沒有這些解決方案,程序員必須在每次集成新軟件包時閱讀新的軟件規范,從而使這些任務變得困難,并且非常耗時。幾乎所有的物聯網平臺架構均采用了垂直應用架構,面向行業內應用與閉環應用。現有物聯網應用的垂直應用架構如圖3-1所示。

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圖3-1 現有物聯網應用的垂直應用架構

注:NFC=(Near Field Communication,近場通信)。

這種架構模式的最大缺點是復用性差,難以實現設備、應用之間的數據共享與操作交互,以及不同應用系統之間的互聯互通。造成這一問題的主要原因是物聯網設備的異構性及物聯網網絡環境的異構性。此外,不同應用領域中的物聯網應用需求存在顯著的差異。所有這些原因共同導致為了加快研究進度、減少研發投入,當前物聯網應用與體系架構研究往往集中專注于本行業相關領域。

隨著物聯網服務的實際應用與物聯網部署規模的快速增長,近年出現了一些將物聯網與云進行結合的研究成果,即將異構的物聯網設備以某種統一的方式接入服務平臺中,并對設備所產生的各種數據格式進行統一的規定,然后利用云計算、云存儲等技術所提供的強大處理能力對其進行處理,形成后端集中式的物聯網服務體系架構。但是,這種體系架構的研究同樣專注于領域內物聯網技術的特定需求,即設備類型相對固定統一、數據類型比較單一、易于對設備與數據進行統一的描述和抽象。因此,可以將這種體系架構視為物聯網服務平臺在大數據環境下的升級與加強。另外,此類體系架構需要穩定的網絡連接來獲取物聯網服務,承載大數據量的數據傳輸壓力,對網絡及云服務的要求更加苛刻。

現有的物聯網服務平臺架構及其垂直式開發模式,已經難以支撐物聯網應用的需求與發展;同時,面向通用的接口、協議及服務技術日臻完善,并得到廣大開發者的認可與喜愛,使得物聯網服務也要向通用開放的方向發展,以迎合信息時代的需求。物聯網應用體系架構與通用支撐技術是相輔相成、互相促進發展的。一方面,物聯網應用體系架構的發展能夠有力地推動通用支撐技術的創新和應用規模的提升;另一方面,通用支撐技術的創新及應用規模的提升又促進了物聯網應用體系架構研究的發展和進步。

通過對目前物聯網服務平臺的分析,能夠明顯地發現現有物聯網服務平臺架構存在以下挑戰。

(1)物聯網設備的異構特性:物聯網設備在功能、數據格式、操作指令、應用領域等方面的差異巨大,從而導致現有物聯網架構模型與物聯網應用往往僅適用于某一特定領域,很難成功地應用于其他領域,甚至即使在兩個相似度較高的領域中也很難通用。因此,物聯網服務需要對各種類型的設備進行統一的抽象表示,并能夠描繪出通用的設備結構與表示形式,以屏蔽物聯網設備的異構性。

(2)物聯網服務的動態特性:在物聯網系統中,受客觀環境與具體應用場景的限制,物聯網中的個體及個體相互之間的網絡互聯具有動態變化的可能,因此,需要物聯網服務通用架構提供即插即用的技術特性,從而減少過多的人工干預與配置操作。

(3)物聯網的規模性:在實際應用環境中,通常實現互聯互通的物聯網設備的規模都較為龐大,物聯網系統的接入設備的數量、所產生的數據量及所需提供的計算量都是非常龐大的。因此,物聯網環境中的數據組織與管理方式將直接影響物聯網服務平臺的整體性能。

(4)物聯網應用的設計模式:當前,物聯網應用所采用的設計模式僅考慮了所開發的應用能否被有效地應用于本領域,與物聯網設備的耦合程度很高,因此難以移植或推廣到其他應用場景中。物聯網服務平臺作為通用的面向服務的架構模型需要充分地考慮物聯網服務的通用性與可移植性,以實現一次編寫、普適運行、展現通用特性。

目前,圍繞物聯網服務的通用平臺建設,國際電信聯盟(ITU)基于被廣泛認可的泛在傳感器網絡(Ubiquitous Sensor Network,USN)架構,提出了一種抽象的物聯網體系架構模型。以自下而上的順序來看,該架構由處于架構底層的物理傳感器網絡、為泛在傳感器網絡提供接入支持的網絡系統、泛在傳感器網絡的基本干線網絡系統、泛在傳感器網絡的中間件、基于泛在傳感器網絡的物聯網應用平臺五個層次構成。其中,底層的物理傳感器網絡是由具體應用場景中的所有傳感器節點構成的網絡系統。在所有的應用場景中,物理傳感器網絡能夠利用傳感器網絡網關以無線、有線或衛星通信等方式接入網絡系統,而不同的接入網絡又共同構成一個更大范圍的廣域網絡系統。這種分層的網絡架構模式,能夠對復雜的異構底層網絡系統進行統一的抽象,進而對上層應用屏蔽傳感器網絡的異構性,便于上層應用的開發。除ITU外,美國、歐盟、日本和韓國在物聯網體系架構、接入網關、物體命名解析、感知技術等方面也進行了深入研究,提出了物聯網體系結構參考模型、M2M網關、物體編碼方法、傳感器網絡的感知方法等技術方案。

在國內,物聯網相關技術的研究與物聯網應用的開發已經初具規模。在物聯網架構研究方面,于2002年成立的中國通信標準化協會(China Communications Standards Association,CCSA)下屬的泛在網絡工作委員會(TC10)提出了一種三層的物聯網體系架構模型。在該架構模型中,第一層為感知延伸系統,該系統通過設置傳感器與物體進行連接,實現物體與所處環境的信息感知,進而完成對物體的標識、識別與相關信息的探測。架構模型的第二層為支持異構融合的泛在通信網絡層,該層通過互聯網、通信網等各種類型的接入網絡系統完成泛在的信息傳輸和處理,通過復用現有網絡技術來增強物聯網的兼容性和網絡部署的簡潔性。架構模型的第三層為應用和服務層,該層為智能手機、個人計算機等各種類型的終端設備,提供基于各種感知信息的物聯網應用服務,即通過收集、處理下層網絡所提供的物體狀態的相關信息,向各種終端設備提供其所需的數據,或對終端發送的指令進行處理,并完成對應設備的響應,實現虛擬世界與現實世界的互操作和互聯互通。

總體來看,目前國內并沒有得到廣泛認可的、自主可控的通用物聯網服務平臺架構實現方案,在物聯網標識等關鍵技術方面也面臨發達國家強有力的挑戰。長期以來,美國一直引領網絡技術發展潮流,主導網絡架構體系發展,不僅基本壟斷了世界市場,也掌握著網絡安全的主動權。隨著我國經濟基礎和技術能力的提高,抓住我國物聯網繁榮發展機遇,從網絡的整體架構上對物聯網的概念進行統一的清晰描述,提出普適的物聯網架構體系,并構建自主可控的物聯網軟硬件支撐環境,無論是對我國實現物聯網技術的領先,從而能夠引領物聯網技術的發展潮流,搶占未來科技的制高點,還是對打破美國在網絡架構領域的長期壟斷地位,奪取網絡技術發展和網絡空間安全的主動權,保障國家安全,都具有重大的戰略意義。

可以看出,當前IoT研究領域已出現的物聯網體系架構模型類型各異,并且都局限于具體的應用領域之內,難以支撐不同行業對物聯網應用的共同需求,無法實現不同物聯網系統的互聯互通,以及不同物聯網領域設備、數據的共享。此外,當今物聯網服務仍然以滿足具體應用的特定需求為主,以垂直開發模式進行物聯網應用與服務系統的開發,并且多數采用了集中式系統平臺模式。這些都說明了物聯網平臺架構的開放性亟待提高,需要深入地研究物聯網服務的分布式架構模型、充分合理地利用設備能力,構建通用的物聯網服務平臺,引領和支撐物聯網技術和產業發展;實現物聯網關鍵技術完全自主可控,提升物聯網可持續競爭力;減少物聯網系統重復建設,消除行業壁壘,促進行業間互聯互通互操作,產生顯著的經濟、軍事和社會效益;引領物聯網相關產業,促進產業鏈整合,加快我國物聯網產業持續發展。

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