论Internet与Internet of Things

编者按

近年来，“物联网”一词已成为国内各行各业的热门话题。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中也把“促进物联网、云计算的研发和示范应用”列入我国现阶段七大重点发展的战略性产业之一的“新一代信息技术产业”的工作之中，足见相关技术在国家层面受到的重视。为此，本年度本刊组织了两期与“物联网”技术及其应用相关的专题。

鉴于对Internet of Things (IoT)的认识直接关系到对相关研究和产品开发的导向，本期的专题论文――“论Internet与Internet of Things”，从Internet与IoT的关系的角度较深入地讨论IoT的内涵及其组成结构和关键技术。该文反对把IoT狭隘地理解为“联物的专用网”或“物联网”，主张把IoT视为Internet在应用领域和应用模式的扩展，是以下一代Internet为支撑的“人、机、物”全面互联的网络应用系统的总称，因而应当将下一代网络技术与未来网络应用系统作为一个整体进行关联性研究。编辑部希望广大读者能够就IoT问题通过本刊网站:www.省略投稿，百家争鸣，开展深入的学术讨论，以推动我国有关IoT技术研究与产品开发。“智慧地球”的理念强调“更深入的感知、更广泛的互联互通和更深入的智能化处理”，本专题的另两篇关于“智能城市交通”的文章以及本刊2012年第5期“智慧轨道交通”专题的4篇文章，是对“智慧地球”理念在交通行业的典型应用的探讨。编者希望：本刊的两个专题能够为推动“物联网”和“智慧地球”的研究与实践起到抛砖引玉的作用。

文章编号:1001-9081(2012)04-0893-07 doi:10.3724/SP.J.1087.2012.00893

摘要:从Internet发展历史及应用环境变化的角度讨论IoT(Internet of Things)提出背景、内涵、组成结构和体系结构等关键问题。在分析对IoT的典型定义的基础上，笔者认为“ITU把IoT作为Internet平台在应用领域实现人、机、和智能化物理对象(SPO)信息全方位互通和实践普适计算理念的下一代Internet及其应用系统的概括”是对IoT更为合理的广义定义。以该定义为基础，全面地分析了“由多个用户域网(CPN)通过骨干通信子网互联”的基本组成结构，讨论了两类SPOCPN的基本组成结构及其支撑技术；指出SPO的引入主要影响CPN资源网络中的接入部分，属于应用系统的范畴，对Internet基本技术影响甚微。笔者不赞同以欧盟为代表的把IoT定义为联物专用网的狭义定义，指出其IoT模型和体系结构研究混淆了网络平台与应用系统，实质上是网络应用系统模型和体系结构。

关键词:智能化物理对象；IoT；物联网；全联网

中图分类号: TN915.03;TP393.03 文献标志码:A

On Internet and Internet of things

ZENG Huashen*

School of Information Science and Technology, Chengdu University, Chengdu Sichuan 610106, China

Abstract:

Based on analysis of development history and application environment changes of Internet, this paper provides a comprehensive discussion on incentive, connotation, organization，and key issues of the Internet of Things (IoT). The author is in favor of ITU’s macrodefinition of IoT, which treats it as a representation of Next Generation Internet (NGI) and its application systems interconnect everything (human beings, computers, and Smart Physical Objects (SPO)) in applying the concept of ubiquitous computing. Based on this definition, the author analyzed the basic organization of IoT, which consists of interconnected multiple CPNs (Customer Premises Networks) via backbone subnetworks, and examined components two types of SPOCPN and their support techniques. It is also pointed out that introduction of SPO has little impact on Internet technology, except on access part of CPN of application systems. The author disagrees with the definition of IoT in narrow sense given by the European communities, which restricts IoT to Internet of interconnecting physical objects, and points out their models and architectures of IoT are essentially those of network application systems.

Based on the analysis of development history and application environment changes of Internet, this paper provided a comprehensive discussion on the incentive, connotation, organization，and some key issues of the Internet of Things (IoT). On the basis of the analysis of the typical definition of IoT, the author believed that "the full range of information interoperability ITU to IoT as an Internet platform in the application areas of human, machine, and intelligent physical objects (SPO) and the next generation Internet applications generalization of Pervasive Computing (Ubiquitous Computing) concept " is a more reasonable broad definition of the IoT. Based on this definition, the author analyzed the basic organization of IoT, which consisted of interconnected multiple Customer Premises Network (CPN) via backbone Subnetworks, and examined two types of components of SPOCPN and their supporting techniques. It was also pointed out that introduction of SPO has little impact on Internet technology, except on access part of CPN of application systems. The author disagreed on the definition of IoT in narrow sense given by the European communities, which restricted IoT to Internet of interconnecting physical objects, and pointed out their models and architectures of IoT are essentially those of network application systems.

Key words:

Smart Physical Object (SPO); The Internet of Things (IoT); Internet of Physical Objects (IPO); Internet of Everything (IoE)

0引言

2005年，国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)正式提出了“The Internet of Things”(IoT)的概念［1］。由于IoT的理念预示着由于无线通信技术、各类传感器技术的进展，将Internet的应用对象从“人和计算机”拓展到智能化的物，从而形成“人、机、物”全方位信息交换和资源共享的新局面。IoT概念的提出，受到全球学术界和工业界的广泛关注，业内专家认为，IoT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。有人甚至认为IoT将成为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，在与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”上，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。智慧地球以更广泛的互联互通、更深入的感知和智能化为三大基本支撑，而IoT的理念将在实现智慧地球中扮演重要的角色。

但是，有关IoT的内涵及相关问题，迄今为止仍然是仁者见仁，智者见智。例如，对IoT这一术语中“Things”应当如何解释，是仅限于“物理/实物对象”，还是泛指人、事、物(Everything)，还是在不同场合使用了该词的不同意义？又如，IoT是一种专用网络，还是网络+应用系统？进而，IoT是Internet一种专用于“联物”的“物联网”，还是涵盖“人机物”互联的Internet及其在应用领域的总称？相应地，IoT的体系结构的研究重点是应用系统，还是研究网络体系结构？有关网络体系结构研究是针对专有的网络进行，还是应当纳入下一代Internet的体系结构研究之中？上述问题直接涉及对IoT的理解，也直接关系到相关技术研发战略和策略。

本文拟从Internet发展历史及应用环境变化的角度讨论IoT提出的背景、内涵、组成结构和体系结构等关键问题。

1.1计算机网络是“计算机系统互联的系统和技术”

计算机网络是以资源共享为目的、以分组交换(Packet Switching)/存储转发(Storeandforward)技术为基础的实现多立自主的计算机间互联和信息交换的系统，也是不断增加的网络应用服务的支撑平台。国际标准化机构(ISO)制订的开放式系统互联参考模型(OSI/RM) ［2］将端系统(Endsystem)，即服务器和客户机归纳为7层功能结构，将实现端系统间信息间接投递的通信子网(Subnetworks)，规定为由最多3层的中间/中继系统(Intermediate/Relay system)组成，并进一步定义了端系统和中继系统内各层的功能、层内对等实体间交互关系(协议)以及层间关系(服务)。尽管由于种种原因，OSI/RM及其协议产品未能在实际中获得较广泛的应用，但迄今为止一直是讨论网络问题时的参考模型。

OSI/RM的端系统中在会话层和表示层之上引入应用层，其意在于将部分公用应用协议(文件访问与传输、邮件传输与访问等)纳入其中以实现典型的公用网络应用的标准化，而大量的网络应用系统(提供实际Web服务系统、管理信息系统(Management Information System，MIS)、控制管理系统等)则属于OSI/RM之外的实际应用系统。换言之，端系统的应用层是OSI/RM与外部的各种计算机网络应用系统的边界与接口。但是，尽管在OSI/RM相关文本中提到了应用层对外部实际应用提供服务，却并未定义相关服务和接口。这也给后续出现的新网络应用是应当归入应用层还是视为应用层之外的实际应用系统带来了不确定性。

Internet是以TCP/IP为核心协议的网络，其发展早于OSI/RM。在OSI/RM提出之后，Internet协议层次结构也采用了类似于OSI/RM的层次结构的描述方式，但在其端系统中未显式地定义会话层和表示层，而是将相关功能隐式地融入其应用层之中。

1.2网络应用环境变化不断地挑战Internet体系结构

20世纪中期，万维网(WWW)和使用方便、直观的图形化浏览器Mosaic［3］的出现，使计算机网络成为普通百姓可以使用的日常工具，也使Internet用户数量呈指数级增长，网络应用日益广泛，Internet逐渐成为人类社会的信息化的基础平台和人类政治、经济、文化、娱乐和日常生活的基本工具和信息空间，开创了Internet技术广泛应用和各类网络应用系统大发展的新时期。

但是，Internet是在速率低、误码率高的通信条件和以文本数据传输为主的应用背景下发展起来的技术。随着Internet的广泛应用和用户数呈指数规律上升，多媒体数据逐渐成为网络应用数据流的主体。这一趋势，一方面，使网络承载的数据总量有了多个数量级的剧增，通信子网面临高速交换需求的挑战；另一方面，不同媒体数据对服务质量保障需求不同，使Internet三层结构的通信子网提供的无连接服务难以提供保障相应的服务质量，因而需要探讨更简化、高效的用户数据交换平台和新的交换机制和交换结构 ［4］。尽管通信技术(特别是光纤通信技术)的发展，使单波长传输速率高于100Gbps，误码率优于10-12，为高速网络节点提供了优越的干线通信条件；然而，由于在广域内上缺少可用的光处理器和光存储器，网络交换设备还只能通过光电转换，在电域内实现数据交换；而受电路开关速度限制，难以直接处理100Gbps这样的高速光传输速率。事实上，2010年的100G以太网标准中就不得不采用10个10Gbps速率的波长并行提供100Gbps的速率，以便在电域内通过分别处理10路10Gbps数据流，最终合成100Gbps的速率［5］。换言之，在将来光处理器和光存储器能够适应高速网络交换需要之前，高速交换问题将始终是计算机网络交换技术必须面对的严峻挑战。

另一方面，随着网络应用服务种类的增加以及应用模式的变化(B/S和P2P并存的局面)，新型的网络应用如何在OSI/RM的框架下适应应用环境的变化也成为亟待解决的问题。由于Internet的应用层既是多种网络应用与服务的支撑层，也是典型网络服务所在层，其后果是：一方面，不断出现的新的网络应用只好置于应用层内，采用重叠网(Overlay Networks) 的方式实现，造成应用层的不断扩展和复杂化(P2P网络就是典型的事例)；另一方面，由于对新型网络应用支撑功能不足，针对新的网络应用还需要在应用层内增强支撑功能。事实上，在制定网格(Grid)标准之初，开放式网格论坛(Open Grid Forum,OGF)就因缺少相应的应用支撑功能而不得不在现有应用层之上定义开放式网格服务结构(Open Grid Service Infrastructure,OGSI)［6］，直到网际网联盟(World Wide Web Consortium,W3C)定义了完整的Web Service支撑协议栈之后，OGSI才被相应的支撑服务所取代。随着网络应用的分布式、虚拟化和面向服务的发展趋势，计算机网络作为网络应用服务的公用支撑平台，与各类网络应用服务的关系也越来越受到人们的重视，进而挑战着OSI/RM对应用层内涵的界定。文献［7］ 建议将OSI/RM扩展为开放式网络与应用系统服务模型(ONASM)，将应用层改为应用支撑层，在应用支撑层与网络应用间定义公开的服务接口，解决上述矛盾。

近年来无线通信技术的迅猛发展，无线接入应用越来越广泛，Internet的移动性问题也是未来网络必须面对的重要问题之一。伴随Internet的广泛应用和在人类社会应用日益广泛，扮演的角色越来越重要的趋势，网络运行环境也日趋恶化，网络安全问题逐渐演变为可能危及国家和企事业单位安全的“达摩斯之剑”。上述网络应用环境的变化，一方面是推动网络技术发展的动力，另一方面也是网络技术研究必须面临的挑战。

面对各类挑战，从20世纪90年代中期，学术界和业界提出研究下一代Internet(Next Generation Internet,NGI)的问题，但是，在很长一段时间，国内外学术界、工业界和政界都错误地把以扩展IP地址空间为主要目标的IPv6视为解决下一代网络的关键，把NGI寄托在IPv6网络之上。直到2005年前后，美国的全局网络创新环境(Global Environment for Network Innovation，GENI)公开承认：“有30多年历史的Internet已经成为制约网络技术发展和迎接挑战的主要因素，必须研究全新体系结构(Clean Slate Architecture)”［8］之后，国际学术界的主流才逐步从“IPv6就是下一代Internet”转向“研究新的Internet的体系结构”的方向上来。因此，重新审视现有的Internet体系结构，研究能够迎接网络面临的挑战并适应未来高速高效交换需要的、服务质量可保障的、安全可靠、能够适应网络应用环境变化和网络应用发展趋势的下一代Internet，就成为网络界的重要任务。

1.3“感知世界”是Internet应用领域面对的新挑战

随着传感技术、嵌入式技术和芯片技术的发展，微小型智能化物理对象有可能使人类社会能够更加广泛地深入感知物理世界，将“物”作为Internet应用领域的一类新的数据源(感知源)和数据施加对象(控制对象)，使智能化物理对象也能像其他对象一样提供服务(Things as a Service，TaaS)。据估计，普通人周围潜在可能和需要感知或受控的物理对象的数量可以达到1000至5000，全球总数可达500万亿至1000万亿［9］，这一方面意味着智能化传感产业和应用领域的广泛市场前景；另一方面，通过对物理世界更深入的感知，借用Internet和智能化处理，最终可以实现智慧地球(Smart Planet)的理念［10］。 “The Internet of Things”就是在这一背景下提出的概念。

2对IoT内涵的诠释

2.1ITU的广义IoT

2005年11月16日―18日，ITU在突尼斯举行的信息界峰会的主题报告中正式地提出了“The Internet of Things”(IoT) ［1］的概念。该报告指出：由于短距离移动收发器嵌入大量的物理对象之中，人与物理对象之间以及物理对象之间的通信成为可能，使Internet的应用对象从人和计算机，扩展到人、机和物理对象，进而使Mark Weiser提出的“在任何时间、任何地点，利用任何器件或物品都能联入Internet作为可访问的网络资源的普适计算(Pervasive computing)/泛在计算(Ubiquitous Computing)［11］理念”成为可能。

英文单词Things可广义地泛指“人、事、物”，即“Everything”，也可狭义地指无生命的事或物。ITU在IoT的描述中，“Internet of Things”取Things的广义，即代表Everything(人、机、物)；而用于区别人和计算机时，Thing(简写为T)又取其狭义，指“物理对象”。图1为参考文献［1］中用对象域、时域和空域这三维空间来描述的IoT内涵的示意图(中文为笔者加注)。

在图1的三维坐标中， Z代表“对象域轴”，Y代表“时域轴”，X代表“空域轴”。在对象域内，强调所有对象(人、机、物)的可全面互联互通性；在时域和空域内强调所有对象在任何时间、任何地点的可接入性或可访问性。

应当指出：正如在1.2节分析的那样，OSI应用层的双重性，即它既是典型网络应用所在层，也是所有网络应用的服务的支撑层，这就造成人们在讨论与网络相关的问题时，网络应用系统与OSI/RM之间的界限模糊。因此，图1中描述的IoT模型并没有明确地说明物和人联入Internet与计算机联入Internet的区别。事实上，由于“人”不能直接接入Internet，必须借助于计算机、手机或电话等设备的用户界面才能实现人―人或人―机的交互；大量的微小的“物”通常也不宜直接接入Internet(要求每个“物”直接具备OSI/RM界定的网络功能显然不合理)，而应当通过其他具有网络接入能力的设备间接接入。换言之，IoT中的互联对象实际上包括直接与间接联入Internet的两类互联对象。按照前面把计算机网络界定为“计算机与网络设备间互联而成的系统”的观点，人和物应当属于OSI/RM之外的应用系统中的互联对象的范畴。因此，ITU的IoT实质上应当理解为多维空间、多应用对象、全方位普适互联的Internet及其应用环境的抽象，而不仅仅涉及OSI/RM或Internet网络部分，还涉及OSI/RM之外的应用系统。鉴于其他定义将对IoT描述为“联物”的专用网，本文将ITU对IoT的定义称为“广义的IoT定义”，是对未来Internet/下一代Internet(NGI)及其应用服务系统总体的抽象，是从Internet及其应用系统发展的角度提出的远景视图。

2.2狭义的IoT定义

欧盟委员会信息学会总署(Information Society and Media Directorategeneral of the European Commission,DG INFSO) 和欧洲智能化系统集成技术平台(European Technology Platform on Smart Systems Integration, EPoSS)对IoT的定义是狭义IoT定义的典型代表。欧盟首先将IoT中的“Things”明确地界定为“存在于或在时域和空域中移动并通过指定身份识别数字、名字和/或位置地址可识别的真实 (Real)/物理(Physical)实体或数字/虚拟实体”，而把连接这种“可标识、可访问的物理对象/实物对象”的Internet定义为IoT ［12］。显然，欧盟把IoT界定为联物的专用网，而国内则译作“物联网”。

欧盟在2009年9月发表的《IoT战略研究路线图》［13］中，在对未来网络发展视图(Vision)中还进一步阐明：“未来的Internet将基于标准通信协议将计算机网络、多媒体因特网 (Internet of Media, IoM)、服务因特网(Internet of Service, IoS)和IoT融合为一个“由无缝网络和被网络连接的‘物’组成的全域公共IT平台”。欧盟的观点，IoM研究各类媒体编码与处理及其与网络适配问题；IoS研究基于软件的各类网络服务(如SOA、Web X.0服务、网格、语义Web等)及其与用户的协同工作问题；IoT则是整合普适计算和环境智能等概念，

由成千上万可识别的“物”连接而成的互通互联的动态网络。显然，欧盟是按照应用服务的不同划分不同的专用“网络”(实质上是Internet+应用)，而把IoT视为联物的专用网。因此，本文把欧盟定义的IoT称为“狭义的IoT”。而他们预示的未来的“全域公用IT平台”正是ITU的广义IoT所涵盖的内容。

2.3两类定义小议

对比ITU和欧盟两种对IoT的定义，出于以下几方面原因，笔者倾向于认同ITU的定义: 相应地，鉴于过去限于计算机互联的Internet译作互联网，则“人、机、物”全面互联的IoT宜译作“全联网”或“万联网”，而不应当称为“物联网”。

1)ITU的IoT定义较明确地把Internet作为计算机间的互联手段，符合OSI/RM和Internet对网络范围的界定，而把人、机、智能化物都纳入应用领域的接入对象，是Internet提供的各类网络应用和服务支撑平台之外的应用系统的范畴；而欧盟按应用领域不同划分网络，混淆了网络支撑平台与应用系统的区别。

2)在实践中，通常不宜要求“智能化的物”直接连入Internet或者直接远程访问或控制特定物理对象，多数情况下(即使是在监控网络)会借助计算机间接接入，原始数据必须经过收集、梳理、整理和数据挖掘等智能化处理才能形成有用的服务信息，提供“物”的服务。从这种意义上讲，智能化的物或者数字化的物的信息不必直接以独立的网络实体的形式存在于Internet域内，因而“物”通常不需要独立的全域网络地址，而只需要应用实体标识符，将它们动态或静态地与某个网络地址绑定，即可达到全域可识别的目的。

3)按照欧盟相关机构的长远视图，包括狭义IoT在内的多种网络及其应用最终必须无缝地融入未来的公用IT平台，也即是ITU定义的IoT。从这种意义上讲，ITU对IoT的定义是广义的定义，也符合网络与应用发展的长远目标。

3IoT的模型、体系结构与组成结构

3.1IoT模型与体系结构问题

在前一章的讨论中已经指出：无论是广义还是狭义的IoT定义，它们既涉及计算机互联的网络部分也涉及以网络应用支撑平台之外的应用系统，因此，在讨论IoT的模型和体系结构时，应当首先明确所讨论的体系结构覆盖的具体范围。在网络界，网络模型和体系结构意味着对网络功能部件及其相互关系的描述，通常把功能部件表示为上下排列的协议层，用协议(Protocol)来描述对等实体间的数据交互关系，采用OSI/RM的描述方法还需要再用服务(Service)来描述层间关系(Internet中未采用服务的概念)。

如果讨论IoT的网络部分，除非有充分的理由证明支持IoT的网络与Internet的模型和体系结构有很大的区别，否则没有重新研究网络部分的模型和体系结构的必要；即使需要，也宜放在下一代Internet体系结构的研究之中一道进行。如果研究对象是Internet支持的应用系统，则应明确地说明所研究的对象是应用系统模型及其体系结构。

欧盟相关机构的有关IoT体系结构模型的文件――《IoT ArchitectureProject Deliverable D1.2Initial Architectural Reference Model for IoT》［14］分别从领域(Domain of Interest)、信息和通信三个层面提出了三个参考模型及相应的体系结构。欧盟把IoT的各种体结构参考模型视为对体系结构的最高层次的抽象，而参考体系结构则是层次较模型低的抽象，它从不同的用户关注点和体系结构的视角探讨如何构建符合参考体系结构模型的参考体系结构。领域模型(Domain Model)是“抽象用户(User)”与“抽象的物理实体(Physical Entity)”间的交换关系模型。“抽象用户”可能代表“人”或“有一定目的的活跃数字实体”(如：服务、应用或软件)；而“抽象物理实体”则代表在感兴趣的物理环境中，用户为达到某种目的所需的可识别的对象或环境，也是在计算机领域对应用领域物理实体的表达。领域模型还定义了对象的属性，如名字、标识符、对象间的关系、数据的词法和分类方式等。显然，领域模型是针对用户域抽象数字化实体间的业务模型，属于计算机信息处理的范畴。

信息模型 (Information Model)用于示范用户如何与虚拟实体(Virtual Entity)进行通信(如检索和存储信息)，如何存储相关数据或元数据(Metadata)，以便能够标识“器件级”和“实体级”信息并将这些信息关联在一起。显然信息模型也属于网络支撑下的应用系统在计算机领域的信息表达和交互模型。领域模型和信息模型都属于对与智能化物相关的IoT中的应用系统中，抽象/虚拟对象的信息处理和交互问题，是典型的计算机信息处理的范畴。这对于实现以“物”为间接互联对象的应用系统有重要的意义。

欧盟相关机构还仿照OSI/RM为IoT端系统定义了如图2所示的六层结构的通信模型。

图2中,在传统的数据链路层(Link Layer)与网络层(Network Layer)之间插入了“物”的“虚拟实体”身份识别层(ID Layer)作为IoT的解析层，以便唯一地识别物理实体。首先，是否有必要全球唯一地标识任一微小的“物”并实施直接访问是值得探讨的命题；即使在必须直接访问的场合，“物”作为应用系统内的对象，也可以通过采用“应用对象标识符”加上与之静态或动态绑定的网络地址唯一地识别。因此，在此插入识别功能层多少有些令人费解，还带来与传统Internet的互联的困难。数据层(Data Layer)是该模型的顶层，是与信息模型中虚拟信息接口的协议层，同样属于应用系统的范畴，也极易与网络层次结构中的数据链路层(Data Link Layer)混淆。

2010年中国工程院与国家自然科学基金委的中国科技中长期发展研究计划中，有人提出了企业级、行业级和泛行业三级IoT体系结构，实质上也属于对应用系统在不同的研发阶段的应用系统结构研究。在众多的与IoT相关的文献中，还存在不同层次的IoT体系结构模型，在此不做进一步介绍。

笔者认为，欧盟相关机构对领域模型和信息模型的研究属于IoT的应用系统在计算机信息处理领域的研究，针对

“物”的虚拟表示、处理和交互的研究有重要的意义，而对IoT专用网络体系结构的研究，则宜结合下一代网络体系结构研究进行，是否有必要提出新的体系结构有待斟酌。

3.2IoT的组成结构

按照OSI/RM，Internet常常被描述为通信子网与端系统两大部分；通信子网可以进一步由骨干通信子网(Backbone Subnetworks, BS)和接入网(Access Network, AC)两大部分组成。前者通常指由电信营运商提供的公用通信子网(Public Communication Network, PCN)或国家、行业或跨地域的企事业的骨干通信子网，由高速通信线路(光纤、海底电缆和卫星信道)和高速路由器/交换机组成；接入网则指计算机或用户局部性网络(局域网、园区网)通过骨干通信子网实现与外部互联的网络，因此，它既可能隶属于行业或企事业单位，也可能隶属于电信营运商，通常由相关的骨干网通信线路、路由器/交换机和接入设备(接入路由器、各类调制解调器等)组

成。应当指出，骨干网与接入网的划分并没有严格的界限，很大程度上取决于讨论问题的对象和立场。例如，讨论城市或地区网络关系时，城域网被视为骨干通信子网；但在讨论国家或全球网络关系时，城域网则可能被视为接入网。“通信子网+端系统”的描述方式符合OSI/RM对网络功能部件的划分，但由于多数服务器资源和用户机与接入网功能上联系紧密，这样划分难以反映端系统与网络之间的不可分离的关系。为了便于将网络资源融入有关网络的讨论中(在B/S模式下以服务器为代表，在P2P模式下还涵盖兼做服务器与客户机的PC)，本文将IoT描述为由“骨干通信子网(BS)+用户域网(Customer Premises Network, CPN)”的组成结构。此时的CPN既包括接入通信子网，也包括用户域内的接入对象(计算机、人和智能化的“物”)。按照这一视图，IoT在水平布局上可以描述为图3所示的组成结构。

如图3所示，IoT由骨干通信子网(BS)和各种用户域网(CPN) 两大部分组成。IoT的BS(1))就是传统Internet的BS，其主要功能是在多个CPN间实现安全、高速、高效、服务质量可保障的数据转发；CPN则是本地信息交换和处理以及网络信息的“源”和“的”所在地。图中的2)和3)代表由于“智能化物理对象”(Smart Physical Object,SPO)加盟Internet后与传统的CPN相结合而组成的一类新型的CPN，也即欧盟定义的狭义IoT和国内称之为“物联网”所主要涉及部分。图3用2)和3)分别表示与移动设备(如列车、汽车、飞机、轮船如列车、汽车、飞机、轮船等)和固定基础设施或设备(各类建筑、工厂设备、道路、轨道、桥梁以及其他固定设施与设备)相关的两类监控/监管CPN。而图3中的4)、5)和6)则分别代表Internet中利用局域网、公用有线和移动接入网技术组成的以人―机通信和信息交换为主体的传统CPN,其主要连接对象为各类计算机、手机或便携式无线终端以及间接接入对象――人。

应当强调的是：即使是图3中2)和3)代表的SPOCPN也不可能离开传统的计算机而独立地在智能化的物实现物间互联，因为它们必须进行数据采集、汇聚、梳理与处理，SPOCPN通常也离不开“人”，从这种意义上讲，狭义的IoT通常也是“人、机、物”的互联网。从另一个角度看，尽管过去传统的4)～6)类CPN以人―机互联为主，但随着智能化“物”的广泛应用，其中也逐渐融入越来越多的2)、3)类CPN的功能，或者称为SPOCPN。可以预见：随着时间的推移，两大类CPN的区别将越来越少，最终多数CPN将演变为如7)所示的集成的IoT用户域网 (IIoTCPN)。以智能建筑为例，集成的智能化信息系统实际上既包括传统的信息处理、音视服务，也包括与大楼设备监控服务管理信息，因此，可以视为IIoTCPN。又如，目前出现的数字校园/智慧校园(Digital/Smart Campus)就是在传统以计算机信息处理为主体的校园网的基础上，逐渐融入了多种“物”的信息采集和控制功能集成而成的系统。从这种意义上讲，IoT并不是一个全新的概念，而是在智能化“物”应用日益普遍的背景下，对Internet及其应用环境，特别是CPN的扩展。

4关于IoT部分关键技术的思考

4.1智能化物理对象

为了便于进行下面的讨论，本文将把“智能化物理对象”(SPO)定义为由物理对象(无生命的物或者人)、数字化传感器(或模拟传感器加模/数转换)和数字通信部件组成的功能实体的总和的抽象。此处的物理对象既可以是物理实体，如车、船、飞机或其他物体的整体或其零部件，桥梁、轨道或隧道的全体或局部，或者人(对人的身份进行智能化联机识别)；也可能是上述实体或其环境的物理特征参数对象(身份标识、温湿度、质量、形变、位移或其他运动状态参数或其他声像/机/光/电参数)。

数字传感器是识别“物理对象”身份、感知其物理状态或执行控制命令控制物理对象状态的关键部件，其中也可能包括相关的数/模或模/数转换功能，是实现“物理对象”智能化(可感知、可控、便于进行数据处理)基础和关键。因此，为各类物理对象研究高效率、低成本的智能传感器对于最终实现IoT理念具有十分重要的意义。

数字通信部件则是将孤立的物理对象的状态参数传至外部计算机或接收反向控制命令的重要手段。在业界也有人将传感器与通信功能，甚至部分简单处理功能集成的设备称为“智能传感器”。应当指出：本界定未将数据的大量存储、收集、汇聚、过滤等处理功能纳入SPO的功能范畴，上述功能通常应当在CPN的本地采集和处理计算机中完成。换言之，SPO本身在IoT中并不一定需要具备直接接入Internet的能力，因此，因而不一定需要具备Internet层次结构或使用其协议。从这种意义上讲，SPO对Internet可能是不可见的，多数场合它们只是CPN中相关接入计算机的应用实体，在地位上等效于端系统计算机中的后台应用进程实例而不是网络实体。相应地，多数SPO标识符只是一类特殊的应用实体标识符，并不需要全域的网络地址(IP地址或电话号码)。学界有人惊呼数量巨大的SPO(间接)加入Internet后会出现IPv6地址不足的问题实质上是将应用标识符与网络标识符概念混淆而产生的误解。

也正是出于同样考虑，本文在界定SPO时，将具有人―机交互接口，以日常信息处理、通话和访问Internet为主要目标的智能化终端(手机、掌上计算机等)排除在外。显然，为了使人能够访问Internet，这些智能化终端必须具备：1)相应的人―机接口;2)具备唯一的网络层标识符(电话号码或IP地址)，因而等效于网络移动端系统。由此可见，智能终端与通常不需要网络地址而只需要应用对象标识符的SPO在网络中的地位有明显的不同。

鉴于SPO与外部世界的位置关系既可能是处于静止状态，也可能处于移动状态，加上在有些场合存在布线困难问题，除部分特殊场合(如智能建筑中的传感器通信)可采用有线通信技术外，多数场合需要使用无线通信技术，因此，无线通信技术是在SPOCPN中SPO的主要通信手段。受篇幅所限，本文对无线通信技术不作进一步讨论。

从本节的讨论可以看出：IoT的骨干网既然采用Internet的骨干网技术，因此，其网络体系结构就应当NGI的骨干网技术，显然没有必要研究新的网络体系结构，完全可以纳入下一代网络骨干网技术的研究中。

4.2SPOCPN组成结构

从本文2、3章的讨论可以看出：IoT只是对Internet应用对象域的扩展和实践“普适计算”的理念的Internet和应用系统的抽象，而SPO的引入，对Internet的影响主要在SPOCPN，特别是其内的应用系统和SPO的接入网络(SPOAN),对骨干通信子网影响较小。因此，本节将重点研究SPOCPN的组成结构。

分析表明：SPOCPN可以进一步划分为核心部分(SPOCPN Core)与SPO接入网(SPOAN)两部分。前者与传统CPN类似，由CPN通信子网和端系统(客户机、服务器)组成；服务器完成网络应用支撑功能和面向业务的网络应用服务功能，是CPN中信息处理和提供服务的核心。后者为SPO接入网(SPOAN)，是实现SPO数据采集与汇聚、SPO控制命令的传输与执行部件，也是SPOAN连接到核心部分的入口。SPOAN可能为“非移动自组织SPO接入网(Non Mobile Ad Hoc SPO Access Network, NonMA SPOAN) ”和“移动自组织SPO接入网(Mobile Ad Hoc SPO Access Network, MA SPOAN)”两类。图4和图5分别给出了对应的两类SPOCPN结构。

如图4所示，SPO核心部分由用户域的通信子网、客户机与服务器组成，它通过访问路由器(Access Router,AR)接入Internet骨干网；后者由若干超级SPO(SSPO)通过数据集中器(Data Concentrator,DC)接入SPOCPN核心部分；而SSPO则由DC通过无线/有线通信手段将多个SPO汇聚而成；DC将多个SPO的数据汇聚后，再转发给核心部分的客户机或服务器，或将来自核心部分的控制命令传递给相应的SPO。这类SPOCPN既广泛地适用于非移动SPO的信息采集与监控，如大楼内部和大量固定的基础设施(建筑、工厂、轨道、桥梁、隧道、车站、机场、码头等)的物理状态检测与控制或身份识别，也适用于DC位置固定，而SPO移动的场合(如收费站车辆识别(车牌、图像)、安检传送带、物流中站点识别跟踪等)。应当指出：图中的访问路由器(AR)和数据集中器(DC)在CPN核心部分侧的功能部件至少应具备OSI中继的能力，而Client和Server则具有OSI端系统的功能；但SSPO中，DC接入侧部件和SPO则可以尽量简化(根据需要和应用环境，通常会涉及OSI/RM的物理层与数据链路层，但不一定需要网络层的中继功能)。DC与SPO间通信可能采用无线通信技术(广播式、定向)，也可能采用有线通信技术；在拓扑结构上既可能如图4所示，采用新型拓扑，也可能采用总线或环形拓扑。由于在这类应用中，SPO间不需要进行直接的通信，DC与SPO间的逻辑拓扑结构固定，故这类SPOAN被称为“非移动自组织SPO接入网”。

在现实中还存在另一类SPOAN，在相对位置不断变化的SPO之间有通信需求，最终将相关数据通过网关(Gateway)汇聚到SPOCPN核心部分。由于移动SPO间只能采用无线通信技术(最常见为广播方式)，当SPO与网关间距离超出该无线通信技术覆盖的范围时，必须借助其他邻近的SPO进行中继，才能到达网关。换言之，在这类SPOAN中，SPO必须既作为数据“源”和“的”，又必须能够对临近SPO的数据进行存储转发(即OSI/RM的中继系统的功能)，因此，这类通信子网的拓扑结构，必须能够根据SPO之间位置的变化重新构建新的通信子网拓扑结构，因此被称为移动自组织网(Mobile Ad Hoc Network,MANET)，相应的SPOAN就称为“移动自组织SPO接入网(Mobile Adhoc SPO Access Network,SPOAN)”，对应的SPOCPN结构如图5所示。

图5所示的接入模式在国民经济的各个领域都有广泛的应用，如城市交通监测调度、轨道交通列车监测、调度控制，野生动物监测与跟踪网络、人类健康状态监测网络等；在军事上，作战机械设备(微小型无人机群、车、舰)和地面作战部队的局部网络中也有广泛应用。应当特别指出：上述两种CPN的接入部分大多数情况可以采用已有的网络与通信技术，在此不作进一步的讨论。

5结语

本文以ITU对IoT内涵的诠释为基础，将IoT概括为在Internet应用对象域中加入了“智能化物理对象”之后形成的“人、机、物”全面(直接或间接)互联的Internet及其应用系统的总称，是全面实现“普适计算”理念应用环境的抽象。如果把网络与应用系统合称为“网”，IoT应当是“人、机、物”全面互联的“全联网”或“万联网”。

笔者认为欧盟及其他机构把IoT作为“联物”专用网或“物联网”，然后再与多种“网络”集成为统一的IT平台的策略不可取，而宜从开始就站在研究下一代Internet及其应用的角度，从分析各类应用与服务需求出发，从如何对未来各类应用提供足够支持的角度，研究NGI体系结构；把不同应用服务作为网络平台支持下的应用系统来研究。将网络支撑平台与应用系统分离，有利于适应未来出现的新的应用服务与服务模式。

本文从网络与应用系统由通信子网与CPN的研究观点，既适用于狭义IoT的研究，也适用于其他应用系统的研究，CPN的资源网部分主体上是应用系统的问题。智能化物的接入必须借助于传感技术和智能化处理技术，相关处理和服务的应用系统，是SPOCPN中的另一个研究重点。欧盟有关领域模型和信息模型的研究，对SPOCPN中资源网的研究有重要的参考意义。SPOCPN骨干通信子网可直接借用现有的网络技术，不必另起炉灶；而其中的SPO接入部分可以作为Internet之外的不可见部分单独处理，没有必要研究新的体系结构。

鉴于IoT在国民经济各个领域和军事领域都有广泛的应用前景，因此，研究IoT于推进网络应用和提高我国信息化水平具有重要的意义。文中诸多观点与目前国内有关IoT流行的观点有所不同，愿以此文抛砖引玉，以引起国内学术界对与IoT相关问题的讨论。

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