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當前位置:首頁 > 物聯(lián)網(wǎng) > 《物聯(lián)網(wǎng)技術》雜志
[導讀]摘要:物聯(lián)網(wǎng)技術被稱為是信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命,為了進一步研究物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用發(fā)展,文中介紹了物聯(lián)網(wǎng)及其相關技術,并對物聯(lián)網(wǎng)的安全及隱私問題進行了分析,最后對物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡管理協(xié)議和應用進行了探討。

引言

未來的物聯(lián)網(wǎng)世界是一個什么樣的畫面呢?盡管國內(nèi)各方人士對物聯(lián)網(wǎng)的定義還爭論不休,但多數(shù)人已經(jīng)認同物聯(lián)網(wǎng)拓展了互聯(lián)網(wǎng),將互聯(lián)網(wǎng)的邊境延伸到了物理世界這個說法。物聯(lián)網(wǎng)是未來互聯(lián)網(wǎng)的一部分,能夠被定義為基于標準和交互通信協(xié)議并具有自配置能力的動態(tài)全球網(wǎng)絡設施,在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi),物理和虛擬的“物件”具有身份、物理屬性、擬人化、使用智能接口并可無縫綜合到信息網(wǎng)絡中。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)密不可分,因此,在關注物聯(lián)網(wǎng)的同時,還應該對互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有所了解。

2010年,我國在政府工作報告中對物聯(lián)網(wǎng)所附的注釋說明是:通過信息傳感設備,按照約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡,盡管下一代互聯(lián)網(wǎng)將以支持物聯(lián)網(wǎng)的應用作為主要目標之一,但物聯(lián)網(wǎng)并不是互聯(lián)網(wǎng)的下一代,物聯(lián)網(wǎng)可以說是互聯(lián)網(wǎng)上的一種業(yè)務或應用。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)上傳統(tǒng)業(yè)務相比有不同的特點:在物聯(lián)網(wǎng)以公眾網(wǎng)絡作為基礎網(wǎng)絡平臺的情況下,物聯(lián)網(wǎng)相當于互聯(lián)網(wǎng)上面向特定任務來組織的VPN;互聯(lián)網(wǎng)是全球性的,但物聯(lián)網(wǎng)往往是行業(yè)性的或區(qū)域性的;一些物聯(lián)網(wǎng)的應用例如智能電網(wǎng)對網(wǎng)絡承載平臺的可靠性有很高的要求;物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應用的多樣性與承載平臺的通用性之間需要有中間件來適配;物聯(lián)網(wǎng)的上層即智能信息處理、數(shù)據(jù)挖掘與決策支撐等是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務不一定需要的功能。物聯(lián)網(wǎng)作為潛力巨大的新興產(chǎn)業(yè),在國內(nèi)多個行業(yè)中已經(jīng)有了眾多的成功應用案例,在這樣的背景下,開展物聯(lián)網(wǎng)的應用研究是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)。

1  物聯(lián)網(wǎng)相關技術

目前的物聯(lián)網(wǎng)并沒有一個統(tǒng)一的標準定義。不同的組織,在不同的時期給出相近但卻不盡相同的定義。取其中有代表性的定義而言,“物聯(lián)網(wǎng)”(IOT,Internet of Things)指物體通過裝入各種信息傳感設備,然后與互聯(lián)網(wǎng)或移動等通信網(wǎng)絡結合起來,最終形成一個智能網(wǎng)絡,通過電腦或手機實現(xiàn)對物體的智能化管理。

美國麻省理工學院于1999年首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念是:可將所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實現(xiàn)智能化識別和管理的網(wǎng)絡。2005,在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上,國際電信聯(lián)盟(ITU)在年度報告中對物聯(lián)網(wǎng)概念的涵義進行了擴展,正式將物聯(lián)網(wǎng)的概念定義為:信息與通信技術的目標已經(jīng)從任何時間、任何地點連接任何人,發(fā)展到連接任何物品的階段,而物體的鏈接就構成了物聯(lián)網(wǎng)。

IBM提出的“智慧地球”概念的遠景目標是“改變個人、企業(yè)、組織、政府、自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)交互的方式,使其更加智慧,也就是更加清晰、效率更高、響應更靈活和及時”,其要點是“更透徹的感知和度量、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化”。因此“物聯(lián)網(wǎng)”實際上所涉及的內(nèi)容至少包括感知,互聯(lián)互通和智能化等三層。

所謂感知,就是讓物品會說話,目前使用的有RFID、GPS、視頻、二維碼等;互聯(lián)互通包括互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊(2G/3G/4G)、傳感網(wǎng)、三網(wǎng)合一等;智能化包括各種分析/洞察/處理,其涉及的技術還包括“云計算”等。

“物聯(lián)網(wǎng)”之所以火熱,其原因是業(yè)內(nèi)專家認為其一方面可以提高經(jīng)濟效益,大大節(jié)約成本;另一方面可以為全球經(jīng)濟的復蘇提供技術動力。據(jù)統(tǒng)計,物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段的主要形式M2M在2009年全球運營商的業(yè)務收入約為15億美元。2010年的M2M市場規(guī)模將達到2234億美元。美國市場研究公司Forrester預測,到2020年,世界上“物物互連”的業(yè)務,跟人與人通信的業(yè)務相比,將達到30比1,僅僅是在智能電網(wǎng)和機場防入侵系統(tǒng)方面的市場就有上千億元。因此“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為是下一個萬億級的信息技術產(chǎn)業(yè)。圖1所示是全球信息化浪潮發(fā)展示意圖。

物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用分析與研究

作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術,感知層的傳感器與芯片有聲學、振動、壓力、溫度、濕度、生物、化學、CCD、紅外、微波、靜電、RFID、信息處理與傳輸?shù)戎T多芯片;

信息網(wǎng)絡與傳輸技術則包括TD-LTE-U.WSN.INON等;

信息處理與存儲方面有曙光、深騰、跨尺度、數(shù)據(jù)密集型超算系統(tǒng)、過程模擬、社會計算等;

能源方面有太陽能、燃料電池、同位素、鋰離子;軟件則包括模式識別、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)等。圖2給出了物聯(lián)網(wǎng)的相關技術圖。

物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用分析與研究

2  物聯(lián)網(wǎng)的安全及隱私

由于物聯(lián)網(wǎng)通常處于自然環(huán)境中,因此,如何長期經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗非常關鍵,換句話說,物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術提出了新的要求。很多時候,傳感器在自然界中要放幾年的時間,有的地方很偏僻,因此,在傳感器網(wǎng)絡中,功耗就變得更加重要了。而在惡劣環(huán)境中,長期維持網(wǎng)絡的完整性也十分重要,這就要求網(wǎng)絡要有冗余的傳感器,能夠替代已經(jīng)損壞的傳感器,做到網(wǎng)絡的自愈。除了這些自然因素以外,人為因素對傳感器網(wǎng)絡的威脅更大,這是較之互聯(lián)網(wǎng)更為嚴重的安全和隱私問題。當程序復雜到一定程度或者說軟件代碼足夠長時,缺陷是不可避免的,可以說,安全問題是IT應用與生俱來的。作為物聯(lián)網(wǎng)傳感層面兩大核心技術的無線傳感器網(wǎng)絡和RFID都存在無線信道,如何才能降低由此帶來的信息外泄和無線攻擊的風險?

目前常用的方法是在一些十分敏感的應用中不采納公開的標準,也不與商用網(wǎng)絡連接,或對數(shù)據(jù)和傳輸進行加密。在無線傳輸時可以釆用專用的協(xié)議和頻點,還可以采用變頻、跳頻、擴頻等無線技術。雖然有時可以用商業(yè)技術,但在物理上要與商用系統(tǒng)隔離。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的分散式體系結構、動態(tài)路由和拓撲特性,傳統(tǒng)的接入認證、密鑰分發(fā)和協(xié)商機制很難應用,而必須建立物聯(lián)網(wǎng)訪問控制模型和認證體系。傳統(tǒng)的訪問控制策略主要有自主訪問控制(DAC)、強制訪問控制(MAC)和基于角色的訪問控制(RBAC)策略。然而,由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境的特殊性,在此環(huán)境下,節(jié)點之間均無法確認彼此身份;其次,由于用戶出于自身考慮,一般都不愿意把自己的相關信息提供給對方,雖可采用匿名等方法來實現(xiàn)這種目的,但卻增加了訪問控制的難度;此外,在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境下,大量用戶頻繁進出網(wǎng)絡,使得網(wǎng)絡的拓撲頻繁變化,也給訪問控制增加了復雜性。建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的訪問控制策略,首先要建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的信任管理模型,在信任模型的基礎上,給每個節(jié)點確定信任權重和可靠度,然后在這個基礎上應用相應的訪問控制策略。而建立信任模型與網(wǎng)絡的環(huán)境密切相關,主要是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的節(jié)點可用性、數(shù)據(jù)源的真實性、節(jié)點的匿名性和訪問控制等方面的問題。

3  物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡管理協(xié)議和應用

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡管理協(xié)議還是在TCP/IP協(xié)議之下的管理。但是也有許多新的特色。該方案如果物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點處于運動之中,則網(wǎng)絡管理需要適應被管理對象的移動性。這一方面,目前使用的MA-NET(mobile Adhoc network)可以給我們一些借鑒。MANET與無線固定網(wǎng)絡的不同點在于,MANET的拓撲結構可以快速變化。MANET節(jié)點的運動方式會根據(jù)承載體的不同有明顯差異,包括運動速度、運動方向、加速或減速、運動路徑、活動高度等。由于拓撲的快速變化,網(wǎng)絡信息(如路由表)壽命可能很短,必須不斷更新。為了反映當前網(wǎng)絡狀況,節(jié)點間不得不頻繁交換控制信息。而信息的有效時間又很短,部分信息甚至從未使用就已經(jīng)被丟棄,這使網(wǎng)絡的有限帶寬資源浪費在信息更新之上。如何節(jié)省信息交換,對網(wǎng)絡管理提出了新的要求。目前國內(nèi)外在與物聯(lián)網(wǎng)相近的網(wǎng)絡領域已經(jīng)有不少研究,并且取得了一些積極的成果。這些研究和成果雖然沒有標記是物聯(lián)網(wǎng)的應用,但是從網(wǎng)絡應用和管理的角度來看,應該是適用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理技術的。從網(wǎng)絡的工作形態(tài)來看,物聯(lián)網(wǎng)技術與MANET更加接近。因此這些網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理技術有可能率先移植進入物聯(lián)網(wǎng)領域。MANET等網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理特點和相應的網(wǎng)管要求主要體現(xiàn)在其拓撲結構變化頻繁、低可靠性、電池容量有限、移動設備的多樣性、安全性等方面。

目前,AdHoc網(wǎng)絡管理方案以分布式網(wǎng)絡管理為主,大致可以分為三類:基于位置的管理方案、基于移動性感知的管理方案以及基于代理和策略驅動的管理方案。

基于位置的管理方案CAANM(clustering algo-rithm applied to the network management,CAANM)方案是一種基于位置管理的方案,基于SNMP(simple network management protocol,SNMP)則采用同ANMP(Adhoc network management protocol,ANMP)類似的結構,不同之處主要體現(xiàn)在管理者可以直接與代理以及簇頭間進行信息交互。MUQS方案(man-agement with uniform quorum system,MUQS)是另一種基于位置管理的方案,該方案在邏輯上使用兩級結構,將網(wǎng)絡中的節(jié)點分為骨干節(jié)點和非骨干節(jié)點。這個兩級結構僅用于移動性管理,路由協(xié)議仍在整個平面進行,即多跳路由可以跨越骨干節(jié)點和非骨干節(jié)點。DLM方案(distributed location management,DLM)方案是一種分布式位置管理方案,使用的是一種格狀的分級尋址模型,不同級別的位置服務器攜帶不同級別的位置信息,當節(jié)點移動時,只有很少一部分的位置服務器需要進行更新。在DLM中,每個節(jié)點具有惟一ID,并能通過GPS獲知自身的位置。在每個節(jié)點傳輸范圍相同的情況下,DLM要求網(wǎng)絡最小分區(qū)的對角線長度要小于節(jié)點的傳輸范圍。

基于移動性感知的管理方案LFLM(locally for-warding location management,LFLM)是由一種能感知節(jié)點運動的管理方案。LFLM中使用了一種混合的網(wǎng)絡結構,總體上分為兩級,第一級是由網(wǎng)絡中的節(jié)點構成組,每個組具有組頭(類似于簇和簇頭);然后由這些組頭組成第二級,采用第一級中組的構成方法,在第二級中又形成隊。LFLM是對傳統(tǒng)分級網(wǎng)絡中基于指針的位置管理方案的一種改進,它給出了類似的一種利用指針技術的位置管理方案。GMM(group mobility management, GMM)方案是一種基于節(jié)點組移動性的管理方案,通過觀察節(jié)點群組的運動參數(shù)(如距離、速度以及網(wǎng)絡分裂的加速度等)來預測網(wǎng)絡的分裂。GMM的運動模型比較準確,主要是采用組運動加速度這個參數(shù)提高了對節(jié)點運動速度的估計準確度,同時也提高了對網(wǎng)絡分裂和融合預測的準確性。

基于代理和策略驅動的管理方案GMA(guerril- la management architecture,GMA)是一種基于策略的管理方案。GMA中能力較高的節(jié)點稱為管理節(jié)點,可承擔智能化的管理任務,GMA采用兩級結構。管理者(supervisor)進行策略的控制和分配,游牧式管理節(jié)點(nomadic manager)通過相互協(xié)同來完成整個網(wǎng)絡的管理。

4  結語

就網(wǎng)管技術為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供應用和服務而言,必須考慮到“物聯(lián)網(wǎng)”有效應用的因素。

物聯(lián)網(wǎng)在整體上是一個產(chǎn)業(yè)。它是在政府推動下,基于規(guī)?;慕ㄔO來實現(xiàn)價值、形成效益,促進相關多個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展直接帶來的經(jīng)濟效益主要集中在與物聯(lián)網(wǎng)有關的電子元器件領域,這對我們而言,是一個制約因素。

物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術十分廣泛,廠商眾多,應當是注重于行業(yè)應用價值,以整合的方式來為用戶提供服務,而并非要自己研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)底層的技術和電子元器件等通用產(chǎn)品。

      根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理的需要,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理的內(nèi)容,除普通的互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡管理的五個方面以外,還應該包括傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的生存和工作管理(包括電源工作情況等),傳感網(wǎng)的自組織特性和傳感網(wǎng)的信息傳輸,傳感網(wǎng)拓撲變化及其管理,自組織網(wǎng)絡的多跳和分級管理,自組織網(wǎng)絡的業(yè)務管理等??偟膩碚f,針對物聯(lián)網(wǎng)管理需求,應當解決物聯(lián)網(wǎng)的一體化管理機制,同時解決共享性、自治性等一系列問題。只有對系統(tǒng)資源、資源配置、性能、故障、安全、通信等進行統(tǒng)一的管理和維護,才能保障物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、高效的運行。

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