物联网技术及其应用分析与研究

引言

未来的物联网世界是一个什么样的画面呢？尽管国内各方人士对物联网的定义还争论不休,但多数人已经认同物联网拓展了互联网，将互联网的边境延伸到了物理世界这个说法。物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议并具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内，物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化、使用智能接口并可无缝综合到信息网络中。物联网与互联网密不可分，因此，在关注物联网的同时，还应该对互联网的发展有所了解。

2010年，我国在政府工作报告中对物联网所附的注释说明是:通过信息传感设备，按照约定的协议,把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络,尽管下一代互联网将以支持物联网的应用作为主要目标之一，但物联网并不是互联网的下一代，物联网可以说是互联网上的一种业务或应用。物联网与互联网上传统业务相比有不同的特点：在物联网以公众网络作为基础网络平台的情况下，物联网相当于互联网上面向特定任务来组织的VPN；互联网是全球性的，但物联网往往是行业性的或区域性的；一些物联网的应用例如智能电网对网络承载平台的可靠性有很高的要求;物联网的行业应用的多样性与承载平台的通用性之间需要有中间件来适配;物联网的上层即智能信息处理、数据挖掘与决策支撑等是传统互联网业务不一定需要的功能。物联网作为潜力巨大的新兴产业,在国内多个行业中已经有了众多的成功应用案例，在这样的背景下，开展物联网的应用研究是物联网产业发展中的一个重要环节。

1  物联网相关技术

目前的物联网并没有一个统一的标准定义。不同的组织,在不同的时期给出相近但却不尽相同的定义。取其中有代表性的定义而言，“物联网”(IOT,Internet of Things)指物体通过装入各种信息传感设备,然后与互联网或移动等通信网络结合起来，最终形成一个智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理。

美国麻省理工学院于1999年首次提出物联网的概念是:可将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)在年度报告中对物联网概念的涵义进行了扩展，正式将物联网的概念定义为：信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人,发展到连接任何物品的阶段，而物体的链接就构成了物联网。

IBM提出的“智慧地球”概念的远景目标是“改变个人、企业、组织、政府、自然系统和人造系统交互的方式，使其更加智慧，也就是更加清晰、效率更高、响应更灵活和及时”，其要点是“更透彻的感知和度量、更全面的互联互通、更深入的智能化”。因此，“物联网”实际上所涉及的内容至少包括感知，互联互通和智能化等三层。

所谓感知，就是让物品会说话，目前使用的有RFID、GPS、视频、二维码等；互联互通包括互联网、移动通讯(2G/3G/4G)、传感网、三网合一等;智能化包括各种分析/洞察/处理，其涉及的技术还包括“云计算”等。

“物联网”之所以火热，其原因是业内专家认为其一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。据统计，物联网现阶段的主要形式M2M在2009年全球运营商的业务收入约为15亿美元。2010年的M2M市场规模将达到2234亿美元。美国市场研究公司Forrester预测，到2020年，世界上“物物互连”的业务，跟人与人通信的业务相比,将达到30比1,仅仅是在智能电网和机场防入侵系统方面的市场就有上千亿元。因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的信息技术产业。图1所示是全球信息化浪潮发展示意图。

作为物联网的核心技术，感知层的传感器与芯片有声学、振动、压力、温度、湿度、生物、化学、CCD、红外、微波、静电、RFID、信息处理与传输等诸多芯片；

信息网络与传输技术则包括TD-LTE-U.WSN.INON等；

信息处理与存储方面有曙光、深腾、跨尺度、数据密集型超算系统、过程模拟、社会计算等；

能源方面有太阳能、燃料电池、同位素、锂离子；软件则包括模式识别、操作系统和数据等。图2给出了物联网的相关技术图。

2  物联网的安全及隐私

由于物联网通常处于自然环境中，因此，如何长期经受恶劣环境的考验非常关键，换句话说,物联网对传感器技术提出了新的要求。很多时候，传感器在自然界中要放几年的时间，有的地方很偏僻，因此，在传感器网络中，功耗就变得更加重要了。而在恶劣环境中，长期维持网络的完整性也十分重要，这就要求网络要有冗余的传感器，能够替代已经损坏的传感器，做到网络的自愈。除了这些自然因素以外，人为因素对传感器网络的威胁更大,这是较之互联网更为严重的安全和隐私问题。当程序复杂到一定程度或者说软件代码足够长时，缺陷是不可避免的，可以说,安全问题是IT应用与生俱来的。作为物联网传感层面两大核心技术的无线传感器网络和RFID都存在无线信道，如何才能降低由此带来的信息外泄和无线攻击的风险？

目前常用的方法是在一些十分敏感的应用中不采纳公开的标准,也不与商用网络连接，或对数据和传输进行加密。在无线传输时可以釆用专用的协议和频点，还可以采用变频、跳频、扩频等无线技术。虽然有时可以用商业技术,但在物理上要与商用系统隔离。由于物联网网络的分散式体系结构、动态路由和拓扑特性，传统的接入认证、密钥分发和协商机制很难应用，而必须建立物联网访问控制模型和认证体系。传统的访问控制策略主要有自主访问控制(DAC)、强制访问控制(MAC)和基于角色的访问控制(RBAC)策略。然而，由于物联网网络环境的特殊性，在此环境下，节点之间均无法确认彼此身份；其次，由于用户出于自身考虑，一般都不愿意把自己的相关信息提供给对方，虽可采用匿名等方法来实现这种目的，但却增加了访问控制的难度;此外，在物联网网络环境下，大量用户频繁进出网络,使得网络的拓扑频繁变化，也给访问控制增加了复杂性。建立物联网网络的访问控制策略,首先要建立物联网网络的信任管理模型,在信任模型的基础上，给每个节点确定信任权重和可靠度，然后在这个基础上应用相应的访问控制策略。而建立信任模型与网络的环境密切相关，主要是物联网网络的节点可用性、数据源的真实性、节点的匿名性和访问控制等方面的问题。

3  物联网的网络管理协议和应用

物联网的网络管理协议还是在TCP/IP协议之下的管理。但是也有许多新的特色。该方案如果物联网的节点处于运动之中，则网络管理需要适应被管理对象的移动性。这一方面，目前使用的MA-NET(mobile Adhoc network)可以给我们一些借鉴。MANET与无线固定网络的不同点在于，MANET的拓扑结构可以快速变化。MANET节点的运动方式会根据承载体的不同有明显差异，包括运动速度、运动方向、加速或减速、运动路径、活动高度等。由于拓扑的快速变化，网络信息(如路由表)寿命可能很短，必须不断更新。为了反映当前网络状况，节点间不得不频繁交换控制信息。而信息的有效时间又很短，部分信息甚至从未使用就已经被丢弃，这使网络的有限带宽资源浪费在信息更新之上。如何节省信息交换，对网络管理提出了新的要求。目前国内外在与物联网相近的网络领域已经有不少研究，并且取得了一些积极的成果。这些研究和成果虽然没有标记是物联网的应用，但是从网络应用和管理的角度来看，应该是适用于物联网网络管理技术的。从网络的工作形态来看，物联网技术与MANET更加接近。因此这些网络的网络管理技术有可能率先移植进入物联网领域。MANET等网络的网络管理特点和相应的网管要求主要体现在其拓扑结构变化频繁、低可靠性、电池容量有限、移动设备的多样性、安全性等方面。

目前,AdHoc网络管理方案以分布式网络管理为主，大致可以分为三类：基于位置的管理方案、基于移动性感知的管理方案以及基于代理和策略驱动的管理方案。

基于位置的管理方案CAANM(clustering algo-rithm applied to the network management,CAANM)方案是一种基于位置管理的方案，基于SNMP(simple network management protocol,SNMP)则采用同ANMP(Adhoc network management protocol,ANMP)类似的结构，不同之处主要体现在管理者可以直接与代理以及簇头间进行信息交互。MUQS方案(man-agement with uniform quorum system,MUQS)是另一种基于位置管理的方案,该方案在逻辑上使用两级结构，将网络中的节点分为骨干节点和非骨干节点。这个两级结构仅用于移动性管理,路由协议仍在整个平面进行，即多跳路由可以跨越骨干节点和非骨干节点。DLM方案(distributed location management,DLM)方案是一种分布式位置管理方案，使用的是一种格状的分级寻址模型，不同级别的位置服务器携带不同级别的位置信息，当节点移动时，只有很少一部分的位置服务器需要进行更新。在DLM中，每个节点具有惟一ID,并能通过GPS获知自身的位置。在每个节点传输范围相同的情况下,DLM要求网络最小分区的对角线长度要小于节点的传输范围。

基于移动性感知的管理方案LFLM(locally for-warding location management,LFLM)是由一种能感知节点运动的管理方案。LFLM中使用了一种混合的网络结构，总体上分为两级,第一级是由网络中的节点构成组，每个组具有组头(类似于簇和簇头)；然后由这些组头组成第二级，采用第一级中组的构成方法，在第二级中又形成队。LFLM是对传统分级网络中基于指针的位置管理方案的一种改进，它给出了类似的一种利用指针技术的位置管理方案。GMM(group mobility management, GMM)方案是一种基于节点组移动性的管理方案，通过观察节点群组的运动参数(如距离、速度以及网络分裂的加速度等)来预测网络的分裂。GMM的运动模型比较准确，主要是采用组运动加速度这个参数提高了对节点运动速度的估计准确度，同时也提高了对网络分裂和融合预测的准确性。

基于代理和策略驱动的管理方案GMA(guerril- la management architecture,GMA)是一种基于策略的管理方案。GMA中能力较高的节点称为管理节点，可承担智能化的管理任务,GMA采用两级结构。管理者(supervisor)进行策略的控制和分配，游牧式管理节点(nomadic manager)通过相互协同来完成整个网络的管理。

4  结语

就网管技术为物联网行业提供应用和服务而言，必须考虑到“物联网”有效应用的因素。