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物联网：目标和科学挑战

马华东，CCF，ACM，IEEE会员

北京智能电信软件与多媒体重点实验室，

北京邮电大学计算机学院，北京100876

电子邮件：流体bupt.edu.cn @

2011年7月18日收到; 2011年9月5日修订。

摘要：物联网（IoT）旨在实现物理世界和网络空间的互联和整合。 它代表了未来网络的发展趋势，并引领了IT行业革命的第三次浪潮。 在本文中，我们首先介绍物联网的一些背景和相关技术，并讨论物联网的概念和目标。 然后，我们提出了物联网发展所面临的挑战和关键科学问题。 此外，我们介绍了中国国家基础研究计划（973计划）支持的当前研究项目。 最后，我们概述未来的研究方向。

关键词：物联网，架构，数据交换，信息集成，服务交付

1 背景

信息网络已被用于日常生活的各个方面，以提供诸如娱乐设备，运输车辆，通信设备，家用电器，飞机，个人电脑和各种传感器之类的许多设备之间的互连。 信息网络已成为人们日常生活不可分割的一部分。 自本世纪初以来，新型网络的设计和实施一直是核心研究课题。 例如，自2005年以来，美国国家科学基金会（NSF）开始了两个关于互联网的研究项目：一个是全球环境网络创新（GENI），另一个是未来互联网设计（FIND）。 作为一个网络实验环境，GENI的动力是改进未来互联网的体系结构和服务，鼓励研究人员为未来的互联网提出革命性的概念和技术。 FIND是NSF网络技术和系统（NeTS）研究计划下的一个长期项目。 FIND的动机是为了满足未来15年的要求，从草案的设计开始建立一个全新的网络。 另一个项目是欧洲第七框架计划（FP7）下的未来互联网研究与实验（FIRE）。 FIRE是由欧盟在2007年初提出的，其动机是创建一个多学科研究环境，用于调查和实验验证新的网络和服务范例的高度创新和革命性思想，从而进一步改进未来互联网的体系结构，协议，管理机制和服务原型的研究。 与此同时，韩国和日本等其他国家也开始了关于未来互联网的研究项目。 例如，韩国于2006年启动了未来互联网论坛（FIF），旨在提供一个机会来回顾有关新互联网架构及相关问题的及时主题的前沿信息和知识。 为了讨论新一代网络的概念，技术问题和促进其实现的措施，日本于2007年成立了新一代网络推广论坛（NWGN）。

目前，物理基础设施的建设与信息基础设施的建设分离，以互联网为代表的计算模式吸引了人们进入网络空间的使用。 然而，当前的社会发展要求我们将计算技术扩展到人类生存和发展的物理空间。 物联网（IoT）可以实现物理世界和网络空间的互连和整合; 它代表了未来网络的发展趋势，并引领了IT行业革命的第三次浪潮。 目前，有关物联网的相关技术已成为当今的热点国际重点，被广泛认为是促进经济发展和技术创新的最重要的基础设施之一。 发达国家将物联网的发展视为未来发展战略之一，并投入巨资投入培育新的经济增长点。 例如，IBM于2009年1月提出了智慧地球战略，该战略得到了美国政府的积极响应。 欧盟于2009年6月发布了14项有关物联网的行动计划\，以确保欧盟将领导物联网的未来建设。 在中国，温家宝总理在2009年8月提出了感知中国的战略构想，并提出中国应抓住机遇开发物联网关键技术。 中国物联网相关研发主要以国家重大基础研究发展计划（973计划）和国家高技术研究发展计划（863计划）为重点的科技攻关项目，和国家自然科学基金进行探索性研究。 在本文中，在提供了物联网的一些背景知识之后，我们将讨论物联网的概念和目标。 然后，我们提出涉及物联网发展的挑战和关键科学问题。 此外，我们在国家973计划的支持下介绍我们的研究项目“物联网架构基础研究”。最后

我们概述未来的研究方向。

物联网的概念和目标

• 1. 什么是物联网

物联网最初的想法是MIT自动识别实验室在20世纪90年代末\提出的，后者起源于物流需求。 “国际电联互联网报告2005”指出，我们正在走向“无处不在的网络社会”，网络和网络设备无处不在。 未来，从轮胎到牙刷的所有产品都将处于通信领域，预示着新时代的到来，今天的互联网（数据和人员）让位于明天的物联网。 物联网中的“事物”概念目前已普遍推广到普通物体，而互连技术也延伸到包括RFID（射频识别）在内的所有网络技术。

物联网与互联网，移动通信网络和无线传感器网络密切相关。 将物联网与无线传感器网络，互联网，无处不在的网络和进一步的分析相比较，我们将物联网定义如下

基于传统的信息载体包括互联网，电信网络等，物联网（IoT）是将普通物理对象与可识别地址相互连接的网络，从而提供智能服务。

物联网有三个重要特征。

• • 1. 普通的物体被装备。 这意味着诸如杯子，桌子，螺丝，食品和汽车轮胎等普通物体可以通过嵌入芯片，RFID，条形码等方式单独寻址。
    2. 自主终端相互连接。 这意味着仪器化的物理对象被连接为自主网络终端。
    3. 普及服务是智能的。 在这样一个广泛互联的网络中，让每一个对象都参与到业务流中来使普及业务变得智能化。 例如，车载网络或人车网络的传感器节点可以监测道路或驾驶员身体的状态以获得用于指导驾驶行为的实时信息。

因此，物联网是一个复杂的综合性跨学科技术，例如包含计算机科学，通信，微电子和传感器技术等多个领域。

为了便于讨论，我们将物联网系统的体系结构分为四层：物体感应层，数据交换层，信息集成层和应用服务层。 四层体系结构如图1所示。 物体感测层处理感测物体并获取数据; 数据交换层处理数据的透明传输; 信息整合层处理从网络获取的不确定信息的重组，清理和融合，并将不确定信息集成到可用的知识中; 应用服务层为各种用户提供内容服务。

图1 物联网的四层体系结构。

传统的互联网一般没有传感能力，只能互联智能设备。 相比之下，物联网具有附加的传感层，降低了对设备性能的要求，实现了非智能设备和弱智能设备之间的互联。 同时，它给数据交换，信息集成和业务带来了许多新的要求和挑战，以及网络架构的复杂性。

基于这种架构，我们需要进一步研究互连各种异构网络的方法和机制。 应从用户，网络提供商，应用程序开发商和服务提供商的角度研究物联网架构，为定义各种接口，协议和标准提供基础。

与物联网密切相关的另一个概念是网络物理系统（CPS），它被定义为一个整合了3C：计算，通信和控制的系统，并且实现了物理世界和网络世界之间的交互。 CPS可以提供​​实时传感，动态控制，信息反馈和其他服务。

尽管物联网和CPS都旨在通过信息传感和交互技术来增加网络空间和物理世界之间的联系，但它们之间存在着明显的差异：物联网强调联网，旨在将物理环境中的所有环节世界，因此它是一个开放的网络平台和基础设施; CPS强调信息交换和反馈，除了感知物理世界之外，系统应该给予反馈和控制物理世界，形成一个闭环系统。

物联网的目标

与传统的信息网络相比，物联网有三个新的目标，即更广泛的互连，更密集的信息感知和更全面的智能服务。 详细阐述如下。

• • 1. 更广泛的互连

物联网扩展了计算机和手机等信息设备与所有智能或非智能物理对象的互联。 它具有以下突出特点：

1. 设备数量广泛。 连接设备的数量将从几十亿急剧增加到数千亿，其中包括众多设备，传感器，执行器，车辆和附带RFID的设备。
2. 设备类型的广泛性。 网络设备（网络元件）可以由电子电源直接供电或通过电池供电; 计算和通信能力可能大不相同，例如，有些设备甚至可能没有任何计算能力。

广泛的连接模式。 这些设备可以以有线或无线模式连接; 通信可以是单跳或多跳酒花; 该连接可以是强状态路由或统计弱状态路由。

因此，在这样一个大规模的异构网络中，我们必须面对网元高效互联的挑战。

1. 互联网协议（IP）适用于具有严格要求的网络设备。 例如，这些设备应具有强大的计算和通信能力; 它们的运行时操作依赖于相对稳定的环境，并且该路由通常基于固定连接或强状态。 相反，除传统设备外，IoT需要连接许多功能较弱的设备（例如无线传感器节点，RFID）; 网络可能是多跳的，自组织的，间歇性的并且容易受到恶劣环境的影响。 因此它通常是一个统计的弱状态连接。 在这种情况下，IP不能直接用作数据交换协议。 最近，已经探索了新的数据传输和路由技术，这些技术被称为非IP协议，例如延迟容忍网络（DTN）\，弱状态路由\，机会路由，基于位置的路由和事件基于路由。 未来的物联网必须处理IP和非IP协议的融合。 由于网络元素的异构性和动态应用环境，我们需要研究物联网中的各种组网需求以及相应的互联模型和机制。 应研究新的动态网元寻址模型，以确保不同能力的网元之间的兼容性，为支持大规模异构网络所需的全球网络融合和局部动态自治所需的有效数据交换奠定基础。
   • 1. 更深入的信息感知

物联网将传感器本身的传感器单独传感器的范例扩展到多传感器协作的新范例，以实现全球环境意识。 来自每个单个传感器的感测信息可能包含以下方面的不确定性：

• • • 1. 非均匀性。 温度，湿度，音频，视频和其他信息的数据格式各不相同。
      2. 不一致性。 由于时空映射的扭曲，信息不一致。
      3. 误差。 一系列信息不准确性通常由各种采样方法和传感器的不同能力引起。
      4. 不连续性。 间歇性信息可用性通常是由动态网络传输能力造成的。
      5. Incomprehensiveness。 信息的不完全感应是由传感器的限制引起的。 例如，仅仅依靠二氧化碳信息来衡量森林污染显然是不够的。
      6. 不完全性。 部分信息丢失是由动态网络环境造成的。

因此，难以直接使用传感器信息，必须满足物联网中不确定感官数据有效利用的挑战。

这种不确定的信息需要一定的表示，并且需要进一步整合以便将它们融合到相对准确的知识中。 然后，我们可以及时了解和控制物理环境。 例如，在煤矿瓦斯监测方案中，仅根据当地信息判断是否爆炸是不够的。 根据多点信息实时融合后的气体密度分布和气体流动情况做出决定。 通过使用多个互连设备的协作来感测物理世界需要解决不同类型的网络设备之间的信息交换问题。 因此，我们必须解决不同网络设备之间交互过程中信息表示，性能成本平衡和授权保护方面的困难。

• • 1. 更全面的智能服务

基于普通物理对象的广泛互连和对物理世界的强烈认知，物联网可以提供全面的智能服务，其中物理对象积极参与服务过程。 例如，像车载网络，人载网络，智能交通网络和环境监控网络等一些网络可以集成在一起，从而提供诸如动态拥堵状态，天气状况，环境信息和健康状况等智能服务。实现人，车，路，环境的和谐。 他们还可以动态改变旅行建议，并指导用户合理有效地旅行。 然而，物联网的环境是动态的，问题是软件设计如何适应它以提供智能服务。

这些智能服务需要新的软件建模理论，服务交付机制和方法，以适应物联网的动态环境。 传统的软件开发方法适用于由用户需求和网空组成的二元问题域，但不适用于由用户需求，网空和三元组问题域组成的系统环境物理空间，也很难提供灵活，适用和更全面的智能服务。

物联网作为一种新型网络，具有大规模异构网元，不确定感知信息，动态系统环境等特点。 这些特点带来了大规模异构网元高效互联，在动态系统环境下有效利用不确定感知信息和业务提供等挑战。 目前，还没有完整的理论指导我们应对上述挑战，严重制约了物联网的发展和应用。

物联网中的关键科学问题

为了应对物联网在广泛互连，信息感知和智能服务方面的挑战，我们关注以下三个关键科学问题。

问题1.大规模异构网络元素之间的数据交换。

接入大规模异构网元和海量数据交换是物联网广泛应用的重要新特点。 一方面，物联网通过互联网，电信网络等网络平台实现互联互通和网络融合，提供信息共享和协同服务。 另一方面，物联网对每个局部紧耦合区域都有强烈的动态自治要求。 为了执行特定的网络任务，各局域网中的各个网元采用动态自组织的方式，实现互联互通，从而利用局域自治区域内的信息提高网络服务效率。 因此，物联网必须面对的关键问题是如何解决物联网系统的超大规模，异构性和动态性与高效数据交换的需求之间的明显矛盾。 为此，大规模异构网元之间高效互联的挑战被提出为物联网的第一个关键科学问题，即大规模异构网元在局部动态自治和高效网络融合中的数据交换。

问题2：不确定信息的有效整合和交互适应。

物联网通过各种智能设备密集地感知物理世界，感知信息显然具有很多不确定性。 在一些网络内处理程序（如重组，净化和融合）之后，

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