中国电科开放物联网体系架构

中国电科开放物联网体系架构DEFINITIONS 定义 e-Things：中国电子科技集团公司物联网开放体系架构注册商标。物联港：物联网中管理接入设备、支撑应用的基本单元。物体标识解析系统（TNS）：物联网中用于实现物体标识、寻址、搜索以及物联港名分配与管理的系统。物体服务：以Web服务形式封装呈现的物体功能。第一章 开放物联网发展背景 1.开放是物联网未来发展的必然趋势 物联网的概念自提出以来，就引起人们的极大关注，被誉为是继计算机、互联网和移动通信之后新一轮信息技术和产业革命，是信息技术领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。目前，具有一定共识的物联网定义，是指通过信息网络，将感知识别、传输互联和计算处理有机整合，对物理世界进行动态感知和智能控制，从而实现信息在人与物、物与物之间的无缝对接，达到人对资源的有效利用、科学管理、优化配置和生产生活的智能决策。从这个角度来看，物联网的本质，是要实现信息世界和物理世界的高度融合，彻底打破传统的生产和生活方式，以更加精细和更加智慧的模式，满足社会生产高度发展和人类生活更加美好的发展需求。从全球来看，物联网发展的国际竞争日趋激烈。西方发达国家纷纷将物联网作为国家支持的重点领域，加大核心技术研发力度，加快标准制定和产业化进程。我国的物联网发展与全球基本同步，态势良好，已具备一定的技术和应用基础，部分领域也已形成一定产业规模。但整体来看，物联网在世界范围内的发展仍处于初级阶段。很多时候往往只被视为传统行业现行体系的信息化改造或功能补充，主要以闭环的垂直应用为主，呈现“个性化”、“碎片化”的发展特征。随着物联网的蓬勃发展，传统的生产和管理模式正在逐步走向网络化和开放化。创客空间+众筹平台/孵化器正在打造新的硬件创新环境，物联网感知信息正在连接到各种云平台，网络化制造与网络化服务呈现一体化发展，人人可参与的互联网创新模式改变着产品制造和服务提供模式，物联网和移动互联网在技术、产业、应用、理念上多方位加速融合……新的发展需求对物联网本身提出严峻挑战，传统“烟囱式”的建设模式带来的技术门槛高、建设成本高、物体/信息共享难、应用系统互联互通难等问题逐渐凸显，难以适应物联网规模化、协同化的发展要求，很难引导和释放潜在的、爆炸式的应用价值。为了解决“烟囱式”发展“瓶颈”，满足物联网更大规模的发展需求，建立开放的物联网体系架构，增强支持“物体网络化”和“网络物体化”的基础能力，形成跨区域、跨行业互动的开放式网络基础设施，推动“开放互联”的物联网基础标准和生态环境，将是物联网发展的必然方向。开放的网络架构和应用模式，能够降低物联网的技术门槛，提高用户参与度，促进公共资源发展；能够实现应用的互联互通互操作和物体共享；能够打破行业壁垒，减少重复建设，降低研发成本；并将引发物体联网模式、系统建设模式和商业服务模式的变革。物联网前景广阔，当前还处于爆炸式发展的前夜，在改变人类生产、生活方式的各个方面还有很大的发展空间。开放物联网是激发物联网巨大潜能、推动其进一步发展的催化剂，是物联网未来发展的必然趋势。2.架构是推动开放物联网发展的核心动力 大量的工程实践告诉我们，应用系统与共性技术是相互促进、滚动发展的。开放的共性技术，是推动物联网发挥其真正潜能的基础。这些共性技术中，开放的网络架构，又是推动物联网走向开放的核心动力（互联网、万维网的发展催生了当前IT产业大发展的现状，就是一个典型案例）。当前，国外科研机构在物联网领域的工作重心已经开始由早期的行业物联网应用逐渐向物联网开放互联架构转移。我国的高校、科研院所和企业也开始关注架构的研究。建立开放的物联网体系架构，推动物联网更加开放的发展，形成既符合我国实际情况，又与国际前沿技术兼容的开放的接口、协议、软件和服务等共性技术标准，能够引领和支撑我国物联网技术和产业发展，促进物联网产业链整合，提升物联网可持续竞争力，催生新的潜在应用，促进商业模式创新发展。从开放物联网的发展需求和应用模式来看，开放物联网架构最重要的能力，是要为物联网应用系统规模化、协同化、智能化发展提供水平共性支撑，解决海量终端因接口、协议、服务、标准之间的明显差异而无法真正“联网交互”的根本问题，并为物联网的参与者（开发者、运营商、消费者等）提供一个共用、能用、好用的运行环境。具体来说，开放物联网的架构应当具备如下能力：（1）物体统一描述能力物联网中的物体种类繁多、功能各异，其异构性导致物体之间交互存在信息理解障碍。因此，需要对物体与网络、物体与物体之间的交互能力进行统一建模，并以标准化、可扩展的描述方式将物体从物理域实体映射为信息域的数字可操作对象，实现物体信息的一致理解，从而更好地支持“物-物”交互。（2）物体标识与寻址能力目前，物联网中物体所在网络环境多样，标识及寻址方式也各不相同，不同网络子域间的异构性造成了物联网应用跨域互联互通的困难。因此，需要建立物体资源寻址的基础设施级入口，统一物体资源身份信息的标识与寻址方式，屏蔽底层子域的异构性，最终为实现物联网异构物体资源跨域协作与应用跨域互联互通奠定基础。（3）物体服务共享能力与传统信息系统不同，物联网应用系统之间除共享信息外，更关注对物体感控能力的共享。由于物体功能接口的复杂性和多样性，无法对应用系统呈现统一的调用接口，这种共享目前十分困难。物体服务共享，就是将物体的功能接口进行服务化封装，对应用提供统一的调用机制，以支撑物联网应用系统之间的互操作。（4）安全和隐私保护能力从互联网到物联网，安全和隐私一直是人们重点关注的问题。开放环境下，安全和隐私的重要性更加凸显。海量异构物体的集中接入、物体感控接口的大量暴露等，都给物联网安全带来更大挑战。因此，需要站在架构的整体角度统一考虑开放物联网的安全和隐私保护问题，以保障开放环境下物体交互的可靠性和私密性。第二章 物联网体系架构发展现状 随着物联网的发展，越来越多的科研机构逐步将工作重心由物联网系统建设转移至对体系架构的研究，包括美国、欧盟在内的部分国家和组织从不同角度提出了一些有代表性的物联网体系架构。此外，各大标准组织也针对体系架构的标准化问题展开了研究，为推动物联网更好更快发展做了大量工作。1. 物联网体系架构概况 1.1.欧盟物联网体系架构欧盟第七研发框架（FP7）从2009起对物联网技术和应用研发进行支持，物联网架构技术被作为重点支持的对象，SENSEI架构和IoT-A架构是其中的两个重点项目。（1）SENSEI体系架构SENSEI体系架构自下而上可分为：通信服务层、资源层、以及应用层。通信服务层将现有的网络基础设施的服务映射成统一的接口为资源层提供统一的网络通信服务；资源层为应用层与物理世界资源之间的交互提供统一的接口；应用层为用户及第三方服务提供者提供统一的接口。SENSEI体系架构定义了开放的服务访问接口与相应的语义规范来提供统一的网络与信息管理服务，并提供能量管理、安全、隐私保护、信任管理与记账机制，以实现对环境信息的获取以及与物理世界的交互。（2）IoT-A体系架构IoT-A体系架构在SENSEI的基础上做了进一步的细化，增强了互操作性。IoT-A体系架构参考模型分为：应用层、IP层、M2MAPI层、无线通信协议层。其中M2MAPI层定义了资源间进行交互的方式和接口，IP层则明确了广域范围内实现大规模资源共享的互联技术。该模型将不同的无线通信协议栈统一为一个物-物通信接口，结合互联通信协议支持大规模异构设备间的互联，可以接入大量的物联网应用。1.2.美国物联网体系架构美国国家情报委员会在《2025对美国利益潜在影响的关键技术》报告中将物联网列为六种关键技术之一，在体系架构方面的成果主要有Physical-net和CPS。（1）Physical-net体系架构Physical-net体系架构是由美国弗吉尼亚大学提出的，用来解决多用户环境下管理与规划异构资源的问题，分为服务提供层、网关层、协调层和应用层。Physical-net体系架构由底层感知设备直接提供服务，并由网关层进行服务的收集和分发，从而将应用需求与资源分配分离开来，支持动态移动管理和实时应用配置。（2）CPS体系架构CPS体系架构是由美国自然基金委提出的，它以构建可控、可信、可扩展的CPS网络，实现物理世界与信息世界的融合为目标。其特点在于，CPS将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。1.3.韩国物联网体系架构韩国2009年出台了《物联通信基础构建基本规划》，跟进了物联网基础设施的构建。在体系架构方面，韩国于2007年在ITU-T会议上提出了面向泛在传感网的USN体系架构，该体系架构自底向上将物联网分为五层：感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台。1.4.中国物联网体系架构我国具有代表性的物联网体系架构为无锡物联网产业研究院提出的“六域”模型。该模型从业务功能的角度对物联网系统进行分解，以功能域方式描述物联网系统的组成，将物联网划分为用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域以及资源交换域。该模型以“六域”为核心，对物联网不同应用系统的共性进行抽象，明确了应用系统、网络通信和信息交换等层面的功能实体和接口关系。2. 物联网体系架构标准化概况 2.1.ITU架构标准隶属于国际电信联盟的电信标准部门（ITU-T）是全球性的ICT标准化组织，其中涉及物联网架构的标准工作主要依托于SG13工作组，从下一代网络的角度展开研究。ITU-T自2012年起，发布了一系列物联网相关的标准，主要包括物联网概述（ITU-TY.2060）、WoT架构（ITU-TY.2063）、物联网需求（ITU-TY.2066）、物联网功能框架和能力（ITU-TY.2068）。其中，ITU-TY.2063提供了一个WoT的架构，将物理设备作为一个基于Web服务环境中的资源，通过传统的网络被访问。2015年6月，ITU-T成立了专门的物联网标准工作组SG20，主要面向包括智慧城市与社区在内的物联网及应用。2.2.W3C架构标准W3C（万维网联盟）组织是对网络标准制定的一个非盈利组织。2014年6月，W3C举行了物联万维网技术研讨会，并于年底成立了WoT兴趣组，旨在促进建立开放的基于Web技术的物联万维网标准及开放的生态系统，以突破当前物联网的产品壁垒，促成基于Web技术的物联网应用及服务开发的开放市场。W3C计划于2016年成立工作组开展物联万维网的标准制定，目前尚未发布正式的标准文档。2.3.IEEE架构标准IEEE（电子电气工程师协会）在2015年提出P2143标准，提供了IoT架构的参考模型，该模型描述了多个物联网产业间的关系，以及共同的架构元素，定义了基本的模块，使它们具有被分配到多层系统中的能力，此外还实现了文件的寻址。2.4.ISO/IEC架构标准ISO（国际标准化组织）和IEC（国际电工委员会）联合成立JTC1（第一联合技术委员会），负责制定信息技术领域的国际标准。2014年9月，由中国主导的《物联网参考体系结构》（ISO/IEC30141）通过立项批准。该标准以中国国家标准《物联网第3部分：体系结构》为基础，以“六域”模型为核心，同时借鉴了国际上各标准组织及专家学者对物联网概念、基本要素、关键技术以及系统组成的研究成果，对物联网不同应用系统的共性进行抽象，提出了一种一致性的系统分解模式和开放性的标准设计框架。第三章 中国电科物联网开放体系架构 中国电科长期从事国家和军队大型信息系统建设。近年来积极投身国内物联网建设大潮，先后承担了“公共安全”、“智慧城市”、“武警信息化”等一批国家和军队重点应用系统建设。在总结大量工程建设实践经验的基础上，中国电科从网络整体发展出发，组织相关院所和高校，开展了物联网开放体系架构研究，提出了名为“e-Things”的架构方案。e-Things架构致力于为物联网顶层设计和系统建设提供共性支撑，实现物体描述、标识解析、接入管理、交互服务等基础共性能力，打造物联网基础设施。主要目标：一是创新体系架构，支持泛在应用。在当前