[ 導讀 ] 物聯網從字面上很容易解釋成為連接物品的網絡，我們也就很自然地把連接傳感器的無線傳感器網絡誤認為物聯網。

       1 引言

       物聯網從字面上很容易解釋成為連接物品的網絡，我們也就很自然地把連接傳感器的無線傳感器網絡誤認為物聯網。物聯網實際上是物品互聯網（Internet of Things）的簡稱，它必須具有互聯網的功能特征，用于構成連接物品的全球信息基礎設施。按照這種定義，目前并沒有真正意義上的物聯網，現有的某些連接物品的網絡應該準確地稱之為物品內聯網（Intranet of Things）。有些人認為，只要把物品內聯網連接到互聯網，或者只要把無線傳感器網絡連接到互聯網，就可以構成物品互聯網。基于這樣的觀點，有些人進一步推演得到結論：物聯網就是一種應用。我們認為，這些觀點的依據較為片面，缺少對物聯網當前研究現狀的全面了解。實際上現在互聯網無法提供物聯網應用需要的標準化的通信和服務能力，例如全球標準化的物品感知能力，標準的基于位置的通信能力，以及標準的自主聯網能力等。為了研究和開發真正意義上的物聯網，必須研究物聯網的標準化技術，實現不同物聯網系統之間的互連、互通和互操作。

       對于任何與物聯網研發和應用相關的機構而言，他們最為關心的是所采用的技術是否能夠與相關標準和最佳實踐在技術上保持一致性。只有與標準化的物聯網技術保持一致性，才能使得他們研發或使用的物聯網系統與其他物聯網系統實現互操作，這些可互操作的物聯網系統才能構成一個物聯網的生態系統。提供具有互操作性的物聯網標準化技術是決定物聯網能夠持續、健康發展的關鍵環節。

       歐洲聯盟物聯網體系結構（IoT-A）項目發布的報告指出：“雖然許多技術和系統供應商把他們的解決方案貼上了‘物品互聯網’技術的標簽，實際上這些解決方案形成了分離的‘物品內聯網’，這些與物品互聯網在技術上存在根本區別。”目前，某些應用領域在非公共信息基礎設施之上構建的垂直物聯網系統的做法是值得商榷的，如果這種垂直系統缺少標準的互操作性，則未來難以與其他應用領域的物聯網系統構成一個生態系統，這些垂直系統生命力存在較大的疑問。

       就像計算機網絡標準化技術必須依賴于開放系統互連（OSI）參考模型一樣，物聯網的標準化技術必須依賴于物聯網參考模型。如何規范物聯網的參考模型？如何通過物聯網參考模型的定義和規范化實現物聯網的互操作？這些都是物聯網研究中[FS:PAGE]十分困難的基礎性問題。

       從國際研究的現狀看，我們在本文發表前檢索了國際上目前在IT研究領域較為權威的電氣電子工程師學會（IEEE）的會議論文和期刊論文網站，檢索到的有關IoT的研究論文已經超過1000篇，但有關IoT參考模型研究的論文只有2篇。從中可以看出，國際上在物聯網參考模型方面研究成果較少。

       本文通過分析歐盟IoT-A項目有關物聯網參考模型的研究報告，探討了物聯網的體系結構參考模型、參考模型、參考體系結構的概念，分析了歐盟提出的物聯網參考模型的建模方法，指出了歐盟物聯網參考模型在物理實體、虛擬實體、數字實體和裝置等概念方面的合理之處，闡述了物聯網交互基本抽象方面的不適合之處，提出了一種改進物聯網交互基本抽象的建議。

       2　參考模型相關概念

       為了分析物聯網參考模型，必須首先討論與物聯網參考模型相關的概念，其中包括物聯網體系結構參考模型，物聯網參考模型、物聯網參考體系結構等概念。

       按照歐盟IoT-A項目中的定義，物聯網體系結構參考模型包括愿景、商業場景和參與方、物聯網參考模型，以及物聯網參考體系結構四個部分。愿景主要匯總了為物聯網提供體系結構參考模型的依據，其中包括動因、使用方式、研究方法以及涉及到的商業場景和參與方。商業場景和參與方主要構成了研究物聯網體系結構參考模型需求的依據。物聯網參考模型給出了物聯網的概念模型，物聯網參考體系結構提供了設計具有互操作性的物聯網體系結構的參考框架。物聯網參考模型和參考體系結構部分的輸出文稿可以實際指導具有互操作性物聯網系統的設計和實現。

       物聯網參考模型是物聯網體系結構參考模型中的重要組成部分，它提供了描述物聯網技術領域的一個較高層次的抽象，其中包括對于物聯網組成、數據處理流程、以及內部組成部件以及與外部環境之間交互的抽象。歐盟定義的體系結構參考模型包括了領域模型、信息模型和通信模型。領域模型定義了物聯網統一的概念、相關的實體以及實體之間的關系，構成了物聯網的概念模型。領域模型是研究物聯網參考體系結構的基礎，它提供了IoT的字典或術語表，領域模型中定義的實體是物聯網相關知識和行為的載體。信息模型主要表示知識，解釋如何建立IoT知識的模型，可用于規[FS:PAGE]范領域模型中的數據語義。通信模型主要表示行為，描述智能對象的交互模式，可用于表示如何管理通信行為以達到IoT要求的特征。研究物聯網參考模型的主要目的是達到對于物聯網認識和理解的一致性，為設計物聯網參考體系結構提供概念上的支撐。

       物聯網參考體系結構是構建具有互操作性的物聯網體系結構的參考，它提供了物聯網參與方關心的不同視圖和視角所涉及到物聯網功能和機制的抽象。按照歐盟IoT-A項目中的定義，可以通過提取已有物聯網體系結構中基本要素，例如組成部件、采用的機制和標準等，分別按照功能視圖、信息視圖、部署視圖和運營視圖，以及從安全與隱私、性能與可縮放性、可用性和恢復性、演進和互操作性等視角，定義一個物聯網參考體系結構。這種參考體系結構的作用就是保證按照該體系結構設計和實現的物聯網系統具有互操作性。這是歐盟IoT-A項目研究的主要目標。

       這些物聯網參考模型相關概念之間的關系如圖1所示。物聯網體系結構參考模型是研究的總體框架，其中包括了研究思路、需求分析、研究方法等關鍵內容，指導參考模型的研究和設計。參考模型通過建立物聯網概念和關系之間的模型，建立對IoT領域的共識，以此指導物聯網參考體系結構的設計。一個參考體系結構可以通過最佳實踐的方式提供實際物聯網體系結構設計的指南，使得新的體系結構和系統能夠相互保持一致。物聯網體系結構提供具體物聯網系統的實現框架和測試指南，物聯網實際系統反饋給物聯網體系結構相關的實現機制和限制條件。

圖1　物聯網參考模型相關概念之間的關系

       按照歐盟IoT-A項目研究方法，對于物聯網體系結構參考模型的研究是一個螺旋式循環上升的過程，需要根據我們對物聯網技術和應用的研究和開發的進展，不斷拓展我們對物聯網的認識和理解，補充和完善我們研究物聯網體系結構的需求和思路，并在此基礎上不斷補充和完善物聯網的參考模型和參考體系結構。

       3　參考模型的研究方法

       物聯網參考模型的研究是一項較為抽象的工作，也是一項較為困難的工作。要在這方面取得有價值的結果，關鍵在于采用正確而有效的方法。參考模型的研究方法包括總體研究方法、規范化的描述方法、以及與物聯網特征相關的建模方法。以下以歐盟IoT-A項目采用的方法為例，分析適用于物聯網[FS:PAGE]參考模型的研究方法。

       3.1　自底向上的抽象方法

       構建物聯網參考模型面臨的第一個問題是采用自底向上方法，還是采用自頂向下方法。歐盟采用了自底向上方法，即基于現有的物聯網研究和應用現狀，抽象出來了物聯網的參考模型。這種方法的優點之一是可以最大限度地保證與已有物聯網相關技術或模型的兼容性，減少社會資源的浪費；優點之二是可以較為完整和準確地分析和把握物聯網的需求。

       自底向上的方法是網絡標準化過程中通常采用的方法，所有的技術標準化工作都是基于現有的技術基礎上展開的。分析現有技術特征，同時考慮未來技術發展的趨勢，以此可以構建一個具有實用價值的標準技術體系。在實際抽象過程中，不僅依賴于現有物聯網應用實例和實際模型的輸入，還依賴于研究人員預先設定的抽象框架。在歐盟IoT-A項目中采用了物聯網用戶與物理實體交互的抽象模型，這里反映了研究人員僅僅抽象出了物聯網用戶和物理實體，而忽略了物聯網中的虛擬實體和數字實體，這種抽象框架與實際物聯網應用架構存在一定的差異，并不符合物聯網實際應用場景。這方面的問題將在本文第4節進一步討論。

       3.2　概念建模方法

       構建物聯網參考模型面臨的第二個問題是采用直接指導物聯網系統的標準化設計，還是間接指導物聯網系統的標準化設計。歐盟采用了間接指導物聯網標準化設計的方法，即把物聯網參考模型作為一種抽象的概念模型，用于澄清物聯網相關的概念，在此基礎上指導物聯網參考體系結構的設計，通過物聯網參考體系結構指導物聯網標準化工作。

       與互聯網采用的直接通過開放系統互連（OSI）參考模型指導互聯網的標準化工作的方法相比，采用物聯網參考模型間接指導標準化工作體現了物聯網的特殊性。物聯網與互聯網存在幾個顯著差異，其一是物聯網需要直接連接和感知物品，其二是物聯網需要處理物品相關數據。與互聯網僅僅連接單一的計算機系統不同，物聯網連接的物品種類千差萬別，不同應用領域的物品連接和感知方式和技術可能存在較大的差別；與互聯網透明傳遞數據不同，物聯網需要處理與物品相關的數據，不同應用領域的物品數據具有不同處理方式。物聯網標準化工作面臨的挑戰就是如何綜合不同應用領域的技術或方法，構建可互操作[FS:PAGE]的物聯網標準化技術體系。通過構建獨立于任何應用領域的抽象物聯網參考（概念）模型，可以形成在不同應用領域之上的統一的物聯網概念模型，這樣，就可以較好地指導涉及不同應用領域的物聯網標準技術的設計和實現。

       3.3　多視圖的標準化方法

       根據以上分析可以知，歐盟IoT-A項目中真正用于物聯網標準化的模型是物聯網參考體系結構。如何描述物聯網參考體系結構也是物聯網體系結構參考模型需要研究的問題。

       歐盟IoT-A項目與傳統描述網絡體系結構的方法不同，它采用了功能視圖、信息視圖、部署視圖和運營視圖描述物聯網參考體系結構，而不是單純構建一個物聯網的功能體系結構。這里的功能視圖描述了系統運行的功能元素，和它們的職責、接口和主要的交互；信息視圖描述了體系結構存儲、操縱、管理和分布數據和信息的方式；部署視圖描述了系統部署的環境，其中包括了系統運行環境中所屬的其他環境；運營視圖描述了系統在其投入商業運行的環境下，進行操作、管理和支撐的方式和方法。我們認為，這種多視圖的物聯網體系結構的標準化方法可以很好地體現物聯網的多種類型信息處理、復雜應用環境部署、異構網絡環境部署的特征。

       歐盟在IoT-A項目中采用的這些建模方法可以用圖2表示，自底向上的歸納和抽象是物聯網參考模型建模的基礎；進一步把通常的標準化參考模型分解成參考模型和參考體系結構兩部分，這里的參考模型實際上構成了物聯網的概念模型，以此化解物聯網在概念層的復雜度，這部分工作形成了整個建模的核心；運用多視圖建模方法構建參考體系結構，通過多個角度把握物聯網的特征，體現了歐盟有關物聯網標準體系結構研究的特色。以下我們將重點分析歐盟IoT-A項目中提出的物聯網參考模型和參考體系結構的合理之處以及不足之處。

圖2　歐盟采用的建模方法

       4　參考模型的評價

       歐盟IoT-A項目提出的物聯網體系結構參考模型的文稿是一個最初的文稿，在物聯網參考模型方面完成了其中的領域模型的工作，在物聯網參考體系結構方面完成了其中的功能視圖、安全和隱私視角建模的部分工作。

       歐盟IoT-A項目提出的物聯網參考模型中的領域模型較為準確地抽象了物聯網的核心組成單元，[FS:PAGE]較為合理地定義了相關術語。其中，有關物理實體、裝置、數字實體等概念定義較為準確，有關裝置（Device）的概念與我們提交國際電信聯盟的觀點基本吻合，即把裝置定義為關聯虛擬實體和物理實體的技術接口，使得虛擬實體可以與物理實體交互并且獲得物理實體的信息。

       歐盟IoT-A項目提出的領域模型較為合理地描述了物理實體、數字實體和虛擬實體之間的關系，即一個物理實體可以對應多個數字實體，描述一個物理實體的多個數字實體構成一個虛擬實體。這種抽象較為準確地反映了物聯網中信息交互的模式。

       歐盟IoT-A項目有關物聯網體系結構參考模型還是存在一些不合理方面，其中最為明顯的是領域模型中對于物聯網交互的抽象。圖3（a）表示歐盟定義的物聯網交互的基本抽象，其中只表示了用戶與物理實體的單向交互。實際物聯網應用環境中，用戶并不能直接與物理實體交互（注：這里需要明確“用戶”就是指“物聯網用戶”，如果用戶直接與物理實體交互，則就不是物聯網應用環境，而是物理世界的應用環境了），而且用戶與物理實體之間并不一定是單向交互，一些運動的或者具有生命力的物理實體也需要主動與用戶交互。所以，我們建議采用圖3（b）的物聯網交互抽象模型，即抽象成為用戶與虛擬實體雙向交互，虛擬實體與物理實體雙向交互，用戶只能通過物聯網間接地與物理實體交互。

圖3　物聯網交互抽象與改進建議

       由于歐盟IoT-A項目有關物聯網參考模型中的領域模型出現了偏差，使得后續的物聯網參考體系結構放大了這些偏差，歐盟提出的物聯網參考體系結構的功能視圖缺少物品感知、自主聯網和數據處理等功能，使得這種物聯網參考體系結構難以區別于現有網絡的體系結構；歐盟提出的物聯網參考體系結構的安全和隱私功能同樣也缺少反映物品感知、自主聯網和數據處理過程的安全和隱私保護機制。

       5　結束語

       歐盟IoT-A項目提出的物聯網體系結構參考模型的最大成功之處在于：梳理清楚了構建物聯網體系結構參考模型的總體思路、基本方法和主要步驟，為后續物聯網的標準化工作奠定了理論基礎。其中，有關物聯網中的核心思想：即把互聯網延伸到物理實體的思想，準確地把握了物聯網的本質；有關物理實體、裝置和數字實體的概念定義較為清晰，準確地抽象出了物聯網的主要組成單[FS:PAGE]元；有關物聯網體系結構參考模型的自底向上、概念建模以及多視圖描述等方法較為完整，系統地表述了后續物聯網標準化工作可以采用方法和步驟。

       歐盟IoT-A項目提出的物聯網體系結構參考模型的主要不足在于：由于這項工作還處于初始階段，有些方面考慮不夠系統和全面。其中，把物聯網抽象為用戶與物理實體的交互，這是一個不完整的抽象，缺少用戶與數字實體的交互，以及數字實體與物理實體的交互，這種頂層的概念模型與實際物聯網內部處理機制和架構不吻合。由于頂層概念模型的誤差，造成了功能模型并沒有涉及到物聯網最為本質的物品感知、自主聯網和數據處理等功能，使得文稿中定義的安全和隱私等功能也沒有能夠反映物聯網的特征。這是需要在后續工作中進一步完善。從總體看，歐盟IoT-A項目還是為物聯網標準化工作指明了正確的方向，提供了科學的方法，將對國際物聯網的標準化工作帶來積極的影響。

       物聯網研究和開發是一項較為困難和復雜的工作，物聯網標準化工作，特別是國際物聯網的標準化工作更是一項極其困難和復雜的工作。

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