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1物联网设计的思考邬贺铨中国工程院2011.09.15物联网设计的思考与通信网络的互联对感知层面的布局对智能平台的要求2与通信网络的互联3物联网的组成4-信息获取通信网络信息处理更透彻的感知更全面的互通更智能的决策传感网等互联网等数据中心等泛在网物联网物联网与互联网传感网传感网使用传感器作为感知元件，应用上可以无需基础网络物联网使用传感器、RFID、GPS、CCD相机、红外扫描器、二维码等作为感知元件，需要通过基础网络实现物物和人与物互联。联网的物体是可寻址、可通信和可控制的泛在网将物体看成是可寻址、可语义化、可调用的资源。泛在网实现物与物、物与人、人与人之间按需的的信息获取、传递、储存、认知、分析、使用等服务，强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用。InternetofThingsUbiquitousNetwork(WebofThings)通常互联网最适合作为物联网的基础网络承载应用，此时物联网相当于互联网上面向特定任务来组织的专用网络（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。与其说物联网是网络，不如说物联网是业务或应用，物联网是互联网应用的拓展。5物联网节点的功能6应用业务系统通信协议感知技术定位，汇聚，安全，同步，数据聚合，跨层优化平台，微操作系统，支持，性能评估，存储传送层，网络层，数据链路层提供物联网节点间通信功能、物联网节点与网关间的通信功能物联网分层模型传感器管理协议SMP：移动传感器、控制其开关、配置节点、管理认证和密钥分配及数据传送的安全性、时间同步、与位置发现算法交换数据、决定与数据集合、节点基于属性的命名和群集的规则应用层传送层网络层逻辑链路控制层MAC层物理层电源管理面移动性管理面任务管理面比特信号传输：低功耗的调制与信号检测（基带UWB802.15.3;通带802.11/802.15.4）、分布与精确同步（基准广播同步）、基于睡眠模式的功率管理通过建立节点间通信链路实现自组织网，在节点间公平有效地共享通信资源，可用协议有SMACS/EA、混合TDMA/FDMA、基于GSM等实现对传输数据的误码控制，可以使用FEC或ARQ/H-ARQ，前者无需控制信令、吞吐量受所增加的冗余度限制、解码复杂；后者解码简单，但信令复杂、吞吐量受需要重传次数限制网络层的任务是发现源与目的节点间最好的通道，并以下述特性来中继：以数据为中心、基于寻址和位置感知的属性、能效优先和基于QOS的路由算法通过控制数据流，提供端到端可靠通信，因能耗大而不用TCP,避免数据包重复或失序、误码校正、应对网络拥塞7物理层常用的标准是IEEE802.15.4,IEEE802.15.4标准仅规范物理层与媒介接入控制子层。物理层提供在物理媒介上的流传输方法，其关键的职能是:无线收发器的激活与解除激活；频率信道调谐；载波侦听；对收到的信号强度的估计(RSSI&LQI)；数据编码与调制；误码校正物理层技术82.4GHz频带与Wi-Fi相同，但IEEE802.15.4的低数据率使得其功率大约为Wi-Fi的1%，可以靠电池运行1～5年，适于传感器应用，但传输距离短，需要使用接力方式工作媒介接入控制（MAC）子层协议媒介接入控制子层(MAC)－－职能是为物理上直接互联的两个设备间提供可靠通信，其主要功能包括:•数据成帧和对接收到的帧的确认•设备寻址（64比特长度的MAC地址）•信道接入管理（使用CSMA/CD技术）•设备关联与解除关联（对设备的进入或离开网络实施管理）•发送确认帧IEEE802.15.4的MAC层有四种帧结构:信标帧－－由个域网协调器使用以发送指向标.数据帧－－用于传送数据.确认帧－－用于确认为成功收到数据.MAC指令帧－－分别处理所有MAC层的对等实体的控制转移。9物联网是自组织网（SON)但不适于采用Ad-Hoc协议物联网节点需要有自配置自组织功能，应该是自组织网络（SON），但通常不适合使用Ad-Hoc协议因为物联网节点数量非常多，密集布放而且容易故障由于节点的移动性和故障导致物联网拓扑变化频繁物联网节点通常是功率、计算能力和存储容量受限可能没有全球类似IP地址那样的标识传感器网络主要用广播方式通信，而大部分Adhoc网络是基于点到点通信方式的需要与实现感知任务的器件紧密结合10逻辑链路控制层（LLC)技术链路层：协议的作用是保证节点公平和有效地共享通信资源，同时适应传感器网络的优化节能、移动管理和故障恢复要求能效无线传感器网（ZigBee-6LoWPAN-WiFi混合、Bluetooth、RuBee、ISA100、WirelessHart、UWB等）；后IP的无连接通信；高性能可扩展算法和协议。11网络层协议---ZigBee与6LoWPAN12Z-Wave,prop.ISMetc.ZigBeeandWHARTAnyvendor6lowpanISA100CablesVendorLock-inComplexmiddlewareOpendevelopmentandportability1980s200020062008物联层（IEEE802.15.4）MAC层（802.15.4）PD-SAPPLME-SAPNLDE-SAPMLME-SAP网络安全管理网络消息批发选路管理网络管理网络层NLDE-SAPAPS安全管理APS消息批发Refector管理应用支持子层（APS)端点240APSDE-SAP端点1APSDE-SAP端点0APSDE-SAP应用属性应用属性设备属性应用目标应用目标….应用框架ZigBee设备目标(ZDO)应用层ZDO公共接口NLME-SAPAPSME-SAPZDO管理面安全服务提供者ZigBee协议6LoWPAN协议在IEEE802.15.4上支持IPv6的问题IPv6包头很大而MAC层净荷仅有127字节，IPv6包头须压缩以便腾出位置IPv6的消息传送单元（MTU）最短为1280字节，必须拆包才能装进802.15.4帧中IPv6的包头压缩和MTU的分拆/重组在适配层完成13482016881281281280*8128221280*81680/160/16/640/160/16/640~81616328710~1016(6~133)*8(5~127)*811282*81320*8PreambleSFD帧长保留物理层净荷SHRPHRPSDU帧控制序号目的地PAN识别符目的地地址源PAN识别符源地址帧净荷帧校验地址字段MHRMSDUMFR压缩指示下一头部剩余跳数源地址目的地址HC2编码MTU版本流分类流标签净荷长度下一头部剩余跳数源地址目的地址MTU比特数IPv6头部40字节6LoWPAN头部2字节物理层MAC层适配层IPv6层分拆压缩对感知层面的布局14识别技术(编号与寻址）物联网会出现一个物件有多个识别号的情况（例如制造商编号、网络地址、在一个ad-hoc集合中的临时编号，嵌入到物件中的传感器和读写器还可以有各自的地址)。需要开发全球识别方案、识别管理、识别编码/加密、匿名、使用识别和寻址方案的认证和储存管理、认证寻址方案、全球查号和发现业务。物品识别号（例如EPC)传感器节点编号物联网节点网络层地址（例如IPv6）M2M终端的码号(例如E.164)15NamespaceResolverUniqueItemIdentifier(UII)DiscoveryServicesURLOIDEPC(wow.)Domain?网络发现技术（授权认证与自配置）在物联网中，网络是动态变化的，新的物品的加入将改变网络的拓扑，而且物品的特征还会随自治程度而变，自动发现机理和映射能力对网络管理至关重要。物联网应具有基于智能匹配而不是预置模板与属性来对网中的物件自动指配作用、自动部署与激活、解除激活和性能监视，开始、停止、管理和调度发现过程，还可在任何时间对所分配的作用进行调整和监视属性，或按需创建新的属性。物联网中的物件间的交互并不需要预配置或硬连接，只要它们的地址或服务端点是关联的就可以。发现的服务必然应基于授权认证机理，以保护隐私和安全。目前可参考使用的在LAN级别的发现协议有WS-Discovery(作为WS-DD的一部分),Bonjour和SSDP(作为UPnP的一部分)16搜索引擎技术物联网要求开发查表/介绍服务，物品还要求能够发现在其所处环境内的对等物品的存在和身份，以便协商分享的任务；一些应用可能需要理解逻辑位置与空间位置的关系，研究实际、数字与虚拟实体的映射，地面映射数据等。支持技术：分布注册、搜索和发现机理、传感器和传感数据语义发现、自动路由标记、认知搜索引擎、自治搜索引擎等17对感知层面的几何布局节点的几何布局是物联网感知层面设计的主要问题希望在给定任务的情况下使用最少数量的节点。节点部署密集则感知的几何分辨率高，但成本很高；节点的传输距离：节点的发送功率与传输距离成指数关系，因此通信比传感和计算更需要消耗电能，将1kb传送100m的能耗等效于以每秒1亿条指令的速度传送300万条指令，因此节点传输间距比较短；节点的合理分层分簇，分层多则网关可连接更多的节点，覆盖范围宽，但层次多则节点接力次数多，功耗大，可靠性降低；拓扑控制:拓扑控制的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制或层次拓扑控制，最小化网络的能量消耗。有多种算法：统一功率分配算法（COMPOW）；基于节点度数的算法（LINT/LILT和LMN/LMA）；基于邻近图的近似算法（CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS）；层次拓扑控制成簇算法（TopDisc）；虚拟地理网格分簇算法（GAF）；自组织成簇算法（LEACH和HEED）。18物联网节点的分层分簇根据应用和服务对物联网节点分群分簇，还需考虑节点的存储、过滤和聚合能力每簇会有一个传感器负责收集数据并将集合的数据传到网关在某些应用情况下传感器节点可能会移动，移动后的传感器将重新分组并选出新的小组牵头的传感器Sink19路由器（簇头）端设备网关1.无人机部署传感器节点2.传感器节点以功率管理方式建立传感网3.传感器网检测到运动物体进入并叫醒传感器节点Zzz...传感网的节点部署与功能自组织网邻居发现选择哨兵选举领导领导迁移小组管理协调网格数据编组数据汇聚参数化定位调度重配置链路接入功率管理网络监视时间同步状态同步哨兵20节点的配置物联网节点数量密集，覆盖范围宽，而且新的物品的加入将要求节点添加或删除，某些应用时节点还会随物品而移动，网络拓扑动态可变，从减轻安装和维护成本考虑要尽可能少用人工干预，希望网络能自动发现、自我配置、自动部署与激活、解除激活。要求众多节点能够具有发现邻近节点的功能，发现在其所处环境内的对等节点的存在和身份，节点间能够协商分享的任务，自动定位节点的类型和编组。物联网的发现功能不仅表现在连接建立过程，还用于性能监视，开始、停止、管理和调度发现过程，还可在任何时间对所分配的作用和属性进行调整，或按需创建新的属性，当节点移动或节点故障情况下，节点将重新分层和分簇并选出新的小组牵头的节点。传感器节点定位：一是基于距离的定位方法（通过测量无线信号到达时间或强度然后计算得到），二是与测量距离无关的定位方法（例如APIT算法、质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法）。21感知数据的报送方式主动式：在每一个规定的间隔时间或簇头广播上报要求时，簇成员把数据发送到簇头，簇头节点融合数据然后发送到网关或者上一层的簇头。除了在报告时间和发送数据时，节点关闭感知器和发送器，以节约能量。各节点要求具有时间同步功能。反应式：节点不断地感知其周围环境，当节点首次检测到数据达到预定阀值时，便打开收发器进行数据传送，随后如果检测到的数据与前一次的差异不高于一定门槛