物联网中的设备管理技术

引言

近年来，随着无线局域网通信技术以及半导体元器件技术的不断进步，代表着互联网下一步演进方向的物联网技术逐步从概念和理论走向了实际的部署和应用。物联网的应用范围非常广泛，在智能家居、智能交通、公用事业、电子医疗、环境监测、库存管理等领域都有着十分广阔的应用前景。据预测，到2020年将有500亿台各种设备被连接到互联网，从而实现所有能够从网络连接中获益的设备都被连接到互联网。

随着物联网应用和设备的日益普及，用户在日常生产和生活中将会面对和使用越来越多的物联网设备。如何正确配置和管理这些海量设备将是一个很大的问题，尤其是对于缺乏专业知识的普通终端用户而言。因此，需要这些物联网设备能够支持远程的配置和管理功能，以便可以建立一个物联网设备管理系统来由专业人员远程地配置和管理它们，争取实现物联网设备的即插即用，从而减轻普通终端用户的负担。另外，在很多应用场景中由于部署以及成本等多方面限制，物联网设备通常都具有体积小、价格低廉、无固定电源供电的特点。受这些限制，它们的存储能力、计算能力、网络性能以及电源容量往往十分有限。因此，传统互联网中所使用的网络设备管理协议和方法对于这些物联网设备来说负荷过重，从性能到能耗等多方面的要求都难以满足而无法有效使用。这就需要针对能力受限的物联网设备开发更高效的管理协议及方法，相关研究已经吸引了学术界越来越多的关注和努力。国际和国内的多个相关标准组织也已经开始了对物联网设备管理标准的讨论与制定。IETF、OMA、IPSO、ESTI、CCSA等组织都起草或者发布了相关标准。

1物联网设备管理的学术研究

学术界针对物联网设备管理中的不同问题进行了大量的各种研究，包括如何在物联网中使用现有网络管理协议，借鉴现有网管协议开发新的适用于物联网专用网管协议，针对不同物联网应用场景进行网络管理等多个方向。

1.1物联网中的设备管理研究

PANDEY等总结了包括休眠设备、低功耗松散网络、混杂网络、移动网络、双向通信、动态网络、时间敏感数据网络等多种M2M网络应用的特性和需求，提出了包括故障管理、配置管理、软件升级、位置管理、QoS与SLA监控以及安全管理等通用的M2M网络管理需求。计划后续开展针对物联网业务的管理研究，以及如何将设备管理与业务管理相结合。

物联网设备的部署可以通过管理平台远程地进行引导启动和配置，并可提供一种在家庭网络的场景中对无线设备进行注册验证的方法，通过具有验证功能的注册服务器，保证无线设备能够安全接入到选定的家庭网络，获取相应的配置信息叫在物联网设备被正确配置完成部署之后，它们仍旧会有bug修复、功能升级以及其他的维护需求，需要进行固件升级和软件更新。在很多应用场景中，物联网设备的数目是海量的，且部署在非常广阔的区域内，完全靠人工现场升级是不现实的，这就需要设备管理支持远程的在线更新功能。为了适应物联网窄带宽、低能耗的特点，要尽量减少网络流量，避免不必要的重复传输，只传输需要更新的软件部分。设备在进行了软件更新之后往往需要重启系统，但是系统重启往往会使设备丢失之前运行中的所有状态信息(如路由表等),为此,CHANGY等为物联网设备实体的远程管理更新设计了一种动态软件更新模型，以支持在不需要重启设备的情况下进行软件的在线升级。该模型将实时应用分解为多个可重用的任务并将它们组织为树状结构，通过遍历这些任务节点并调用相应的处理程序来逐个执行这些任务以实现应用。由于不同处理程序之间互不相关，就可以在不干扰其他任务执行的情况下对一个任务进行替换和更新。应用场景、故障管理、位置管理、QoS管理等也在不同的应用场景中对物联网设备的正常工作起着重要作用。ZHANGYan等分析了家庭场景中不同设备和网络的特性后，重点讨论了如何在家庭网络中有效进行QoS管理，设计了一种采用跨层联合管理和速率控制机制来根据不同应用的QoS需求在资源受限的家庭网络中合理地分配资源的方案电

1.2物联网中使用现有网管协议研究

要对物联网中的受限设备进行管理，首先能够想到的就是既有的互联网设备管理协议是否能够直接用于物联网及其效果如何。使用既有协议具有标准成熟度高，可以避免额外的标准开发工作，易与原有网管系统和设备兼容等优点。SEHGALA等尝试在运行Contiki操作系统的Atmel公司的AVRRaven硬件平台上实现了轻量级的SNMP协议和NETCONF协议。比较发现SNMP协议比NETCONF具有更高的效率，占用的运算时间和存储空间都相对较少。这些网管协议通常使用TLS/DTLS等安全机制来提供安全保证,这些安全机制往往需要更大的开销。另外，由于大报文会带来在不同协议层上的分片以及重组开销，会需要较多的资源,建议更多地使用低负荷的小报文实现。经过适当优化，部分既有的互联网设备管理协议可以用于一些受限的物联网设备。

1.3物联网中的新型管理协议研究

除了改进传统互联网管理协议，一些学者也开展了新型物联网管理标准的研究和验证工作。GLIGORICN等人讨论了处于3GPPLTE网络中物联网设备的管理问题。建议可以使用OMA-DM定义的管理机制进行物联网设备管理，OMA-DM使用的HTTP和XML对于物联网中的受限设备来说负荷过重。建议使用轻量级的应用层协议CoAP来替代HTTP，这也是OMAlightweightM2M标准项目当前的工作重点。而在各种可以用于替代XML的压缩报文格式之中，通过比较验证了EXI相比CoreFormatLink和Protobuf会更有效率且更容易实现。另外，由于受电池容量的限制，为达到节能的目的,多数LTE网络中的物联网设备都会有休眠模式，如果要对处于休眠模式的设备进行远程管理，首先需要将设备唤醒，建议可以使用短消息(SMS)来唤醒处于休眠状态的设备。

2标准化工作

许多从事物联网相关产品设计和生产的公司也进行了大量的研究工作，并在各相关标准组织中致力于物联网管理协议的标准化活动。

2.1互联网工程任务组(IETF)

作为全球最具权威的互联网技术标准化组织，IETF有专门的操作与管理域负责开发和制定互联网管理的相关规范,曾经制定了snmp、netconf、yang等用于网络管理的协议和描述语言，在IP网络的管理中被广泛使用。这些协议和语言定义了如何描述一个被管理的对象，定义了管理架构和管理功能接口，以及如何传输这些管理信息。IETF仍在进行新的网络管理技术的研究和开发，以便应对层出不穷的新应用场景和新需求。

随着物联网技术的兴起，IETF陆续成立了多个工作组进行受限环境下IP网络技术的研究，包括研究在低功耗无线个域网(802.15.4)上实现的IPv6协议栈的6lowpan工作组，研究在资源受限节点上实现IPv6的6lo工作组，研究家庭网络的homenet工作组，研究各种轻量级实现的lwig工作组，研究低功率松散网络条件下轻量级路由协议的roll工作组，研究受限网络环境下安全传输的dice工作组，研究受限IP网络中面向资源应用协议的core工作组等。其中，core工作组制定了受限RESTful环境下的链接格式标准(CoRELinkFormatRFC6690),该标准中定义的链接格式可用于高效地描述受限物联网web服务器的资源，包括它们的属性以及链接关系等。特别地，core工作组刚刚完成了一种专门用于受限设备和网络的web传输协议一受限应用协议(CoAP)—的制定。

CoAP是一种类HTTP的用于REST架构的轻量级应用层协议，承载于UDP之上，采用request/response交互模型，支持GET、PUT、POST、DELETE方法。该协议的设计充分考虑了低功耗、功能有限的物联网设备的需求，具有报文头开销小，解析复杂度低，机制简单，支持多播等特点。目前与之相配套的相关协议族也正在逐步制定中，涉及内容包括组通信［13］、接口描述［14］、分块传输［15］、资源观测［16］等。CoAP及其配套协议族可以作为应用层协议来传输物联网中的各种管理消息。另外，IETF中建立了专门的讨论受限网络中管理问题的非工作组邮件列表COMAN，目前正针对受限设备的管理需求［17］和备选的管理技术［18］等热点问题进行热烈讨论，并计划将来就此课题成立专门的工作组。

2.2开放移动联盟(OMA)

由全球主要的移动运营商、设备和网络供应商及信息技术公司组成的开放移动联盟也早已认识到对处于多种网络中海量的各种轻量级设备和连接进行监控，配置和管理都是必不可少的功能，计划制定一系列的标准来解决这些问题。目前,已经开始了轻量级物联网设备管理框架［19］的制定。该协议将所有的管理项都描述为对象和资源，并且定义了常用的管理接口，可用于快速部署客户端/服务器模式的物联网业务。OMA当前定义了LWM2M服务器、接入控制、设备、连接、固件五种对象，每种对象下有各种相关资源，例如，设备对象下有制造商、固件版本、重启、电池电量等多种资源。为提高描述和传输这些资源的效率，OMA为这些对象和资源都分配了相应的数字ID,例如设备对象下的重启资源可以描述为“/3/8”。管理接口包括设备发现和注册接口、引导接口、设备管理及业务使能接口和信息报告接口，可以使用CoAP协议来实现这些接口。通过这些管理接口对管理相关的对象和资源进行操作,即可实现相应的管理功能。

2.3IPSO联盟

IPSO联盟是一个致力于推广IP协议族用于智能设备间通信的全球性非营利组织，致力于为相关标准组织提供服务，促进行业的推广和发展。IPSO发布了其第一个技术指南［20］，使用IETF标准为基于IP的智能设备构建了一个简单高效的RESTful的设计模型。该模型为如何使用HTTP、REST、XML、JSON、COAP等web技术来实现物联网管理和应用描述了一个特定的模板。使用功能集的形式定义了智能设备可用于向后台业务表示自身资源的REST接口。图1所示就是IPSO定义的物联网智能设备功能集，其中Device、Power、LoadControl、Location、Configuration都是管理相关的功能集。2.4其他标准组织

还有其他一些区域性的标准化组织也在进行物联网设备管理方面的研究工作。欧洲电信标准化协会(ETSI)专门设立了一个新的技术委员会来制定物联网通信标准，这些标准［21，22］分别定义了与宽带论坛TR069管理协议以及OMA设备管理一致的管理信息模型，另有一些关于管理架构、接口、应用场景的标准也在制定中。中国通信标准化协会(CCSA)的泛在网技术委员会(TC10)也对部分场景下的管理功能进行了研究，如感知节点的电源管理，嵌入式通用集成电路卡(eUICC)远程管理，医疗无线体域网管理等，但还没有标准项目针对物联网下的网络管理架构、模型以及协议进行研究。

图1IPSO定义的物联网智能设备功能集

3结语

伴随着近年来物联网技术的逐步成熟以及应用的日益普及，对于众多物联网设备的远程管理需求也日益体现。由于物联网设备普遍具有低计算能力、低存储、低功耗的特性，如何高效地实现对它们的远程管理具有相当的挑战性。学术界和工业界都对此问题进行了深入的研究，分析了物联网特有的管理需求；探讨了使用传统的IP网络管理协议，开发新的专用于物联网管理协议等多种方式来实现物联网的远程管理；并且在LTE网络、家庭网络等多种应用场景中进行了实现和验证。通过比较和讨论，传统IP网络的管理协议直接用于受限的物联网设备负荷过重，难以满足低负荷、低功耗的需要。开放移动联盟(OMA)参考其原有的设备管理协议而定义的轻量级物联网协议中所定义的管理框架和接口更适用于物联网应用场景。IPSO定义了可供OMA参考的设备管理资源和模型。通过管理接口对管理资源进行相应的操作，就可以实现配置管理、故障管理、电源管理等各种管理功能。IETF所制定的应用于受限环境的应用层协议(CoAP)及其相关协议可用于实现这些管理接口以及传输管理消息。管理相关资源的描述可以使用IETF制定的LinkFormat数据格式，实现信息的高效的表述及传输。随着物联网管理相关标准的不断完善，物联网设备和技术必将获得更加广泛的应用。

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