2.1 物联网体系架构

体系架构可以精确地定义系统的组成部分及其之间的关系，指导开发者遵循一致的原则实现系统，以保证最终建立的系统符合预期的需求。因此，物联网体系架构是设计与实现物联网系统的首要基础。物联网体系架构的设计要遵循以下原则：首先，物联网需要能够与现有的网络进行互联与融合。无论从硬件基础设施、软件应用系统还是用户使用方式方面，互联网、传感网、移动通信网等现有网络都已深入了人类生产、生活，与现有网络兼容互通是物联网体系架构设计的基本要求之一。另外，物联网体系架构须充分考虑物联网自身的重要特征，特别是物联网中的节点能力差异性、网络环境动态性等特点 ^[1] 。

建立物联网体系架构的最主要过程是从各种应用需求中统一抽取出组成系统的部件以及部件之间的组织关系 ^[2] 。需要指出的是，通常可以从不同角度抽取系统的组成部件及其之间的关系，从研究对象角度来看，国内外对物联网的研究可分为两类，一类是从“物”的角度对物联网网元的感知和控制功能、标识、接入等方面进行研究；另一类是从“网”的角度对物联网的互联机理、异构网络互通等方面开展研究。在物联网体系架构方面，大体分为两种研究视角，一是物联网整体功能结构；二是物联网系统的关键技术问题。

2.1.1 ISO物联网参考体系架构

物联网参考体系架构是对物联网不同应用体系架构的共性抽象。ISO物联网参考体系架构 ^[3] 为所有物联网应用系统设计者提供了一种一致性的系统解构模式和开放性的标准设计框架，同时也能为不同物联网应用系统之间的兼容性、互操作性和资源共享提供保障。在不同物联网应用系统开发时，可选择参考体系架构所定义的部分或全部的业务功能域和实体，也可对不同的业务功能域或实体进行组合和拆分。同时，物联网应用系统开发时，也可根据自身特定的需求增加参考体系架构中未涉及的相关业务功能域或实体。

1.物联网参考模型

ISO物联网概念模型RM（Reference Model）是解构物联网系统组成、设计物联网参考体系架构的基础，可从实体和业务功能域角度描述物联网概念模型。

实体模型如图2-1所示，按从下到上次序，实体模型涉及物理实体（可附带标签）、IoT设备、IoT网络、网关、应用服务子系统、运维管理子系统、资源访问交换子系统、用户和对等系统。

● 物理实体 是存在于真实世界中的物体，可被IoT设备感知或作动，并可附带标签进行识别。

● IoT设备 包括传感器和驱动器，通过感知和作动与物理世界交互；IoT设备通过 网络 进行通信，多数IoT设备使用低功耗物联网通信方式，部分IoT设备直接使用广域网（如Internet）。

● IoT网关 在低功耗物联网络和广域网之间建立连接，并可提供移动数据存储和处理功能。

● 应用服务子系统 实现对数据的存储、处理、分析，以应用方式提供业务功能。

● 运维管理子系统 包括设备注册及识别，通过设备管理提供物联网设备的监控和管理功能。

● 资源访问交换子系统 为用户和对等系统提供对物联网系统的访问功能，为服务、管理和业务功能提供访问控制接口。

● 用户 包括人类用户和数字用户，人类用户使用手机、计算机等用户设备与IoT系统交互，数字用户通过API方式与IoT系统交互。

● 对等系统 是其他IoT系统或非IoT系统，通过互联网进行交互。

域模型如图2-2所示，其是对物联网中业务功能域及域间关系在系统层面的高度抽象和模型化表现，屏蔽了不同物联网应用间的差异。依据物联网应用实例中业务功能的分类，物联网域模型划分为用户域、物理实体域、感知控制域、运维管理域、资源访问交换域和应用服务域六大业务功能域。域之间的关联关系表示域之间的逻辑关联或者物理连接。

● 用户域 是不同类型物联网用户的集合，是物联网服务需求的提出者和最终消费者。

● 物理实体域 是物联网应用或用户期望获取相关信息或执行相关操控的物理实体集合。

● 感知控制域 是各类可获取目标对象信息的感知系统与操控目标对象的执行系统的集合，包括IoT设备及IoT网关，其与物理实体域的感知和作动关联关系是实现物理空间和信息空间融合的接口。

● 运维管理域 是物联网系统运行器和管理器集合，以实时方式对系统运行性能进行管理、监控和优化，保证物联网系统稳定、可靠、安全运行。

● 资源访问交换域 是根据物联网应用服务需求，实现与相关资源交换与共享功能的实体集合，为外部实体提供对物联网功能的访问端点。

● 应用服务域 是实现物联网基础服务和业务服务的功能实体集合，包含相应应用和业务服务功能。

2.物联网参考体系架构

ISO物联网参考体系架构RA（Reference Architecture）是基于物联网概念模型，从面向应用系统组成的角度，描述物联网应用系统中主要实体及其实体之间关系的抽象。特定物联网系统（农业物联网、智能电网、智能城市）的体系架构在RA基础上，面向特定需求进行裁剪形成。物联网系统可从 功能 、 部署 、 网络 和 用例 角度形成具体参考体系架构。

物联网功能参考模型从系统实现角度描述支持功能的分布和相互依赖关系。功能部件分为域内功能和跨域能力两类，每个功能部件可由一个或多个实际系统部件实现，具体如图2-3所示。

● 感知控制域 由感知、作动、识别功能和控制服务组成。感知功能实现传感器数据读取，作动功能向作动器写入数据和控制信号，识别功能区别物理实体，并使物理实体可被识别、发现和跟踪。控制服务控制局部状态，基于传感器和其他来源的数据，向作动器发布命令，通常具有实时特性。

● 应用服务域 是实现应用和业务逻辑的功能集合，包含分析服务、认知服务、流数据服务、过程管理服务、可视化服务、业务规则、控制服务和应用逻辑。API和门户功能提供受控（资源访问交换域）物联网系统访问功能，数字用户通过API，人类用户通过门户与物联网系统交互。

● 运维管理域 负责物联网系统的全局管理，包含运维支持系统OSS和业务支持系统BSS。OSS负责IoT系统的运维管理，包括供给、监测和报告、策略管理、业务自动化、服务等级管理、服务目录、设备注册、设备管理。BSS负责IoT系统的业务管理，包括客户管理、入网管理、计费等。

● 资源访问交换域 包含访问IoT系统资源（服务和数据）或与IoT系统通信的所有必要功能，访问以某种形式的服务调用或数据传输进行。资源访问交换域包含发现和访问数据流两类功能，发现功能确保外部或内部用户访问IoT系统内的适当功能，访问数据流控制外部用户对IoT系统功能的访问。

2.1.2 IETF物联网体系架构

IETF认为“物联网”是使用互联网协议的大量嵌入式设备相互连接形成的系统，这些设备通常称为“智能物体”，其不是由人直接操作，而是作为建筑物、车辆等的组件，分散在环境中。IETF强调“可以连接的所有物体都将被连接”，并通过互联网协议的重用和协议设计实现这一目标。它将物联网通信模式分为以下四种 ^[4] 。

1.设备-设备通信模式（D2D）

图2-4显示了D2D通信模式，两个不同制造商开发的设备直接进行通信和互操作，如一个照明开关与一个灯泡对话（由不同的公司制造，制造商A和B）。智能物体之间通信的前提是协议栈一致，如所采用的物理层、数据链路层、设备地址是IPv6或IPv4、设备IP地址配置机制、传输层协议、C/S或P2P通信模型、服务发现机制、应用层协议、信息编码的数据模型等。

2.设备-云通信模式（D2C）

图2-5显示了将传感器数据上传到云端应用服务提供商的通信模式。通常，应用服务提供商（例子中的example.com）也可能销售智能物体，在这种情况下，整个通信发生在提供商内部，不需要互操作性。但重用CoAP、DTLS、UDP、IP等现有规范，可以有效降低设计、实现、测试和开发工作的复杂性。在许多情况下，需要更改设备连接的云服务，例如当应用程序服务提供商更改其托管提供商时，同样需要标准的互联网协议。

由于各种智能物体连接所采用的接入网络通常不在应用服务提供商的管理范围内，因此必须重用常用的无线技术（例如WLAN、有线以太网和蜂窝无线通信）以及网络接入认证技术。

3.设备-网关通信模式（D2G）

对智能物体开发商而言，如果使用Wi-Fi等广泛部署的无线技术，设备-云通信模式工作良好。但某些情况下需要使用IEEE 802.15.4等尚未广泛使用的无线电技术，或必须提供特殊的应用层功能（如本地身份验证和授权），以及需要与传统的、非IP的设备交互，必须在通信体系架构中引入某种形式的网关，在不同技术之间进行转换并执行其他网络和安全功能，如图2-6所示。未来会部署更多通用网关，以降低消费者、企业成本和基础设施复杂性。即使物联网设备采用了通用互联网协议，也需要通用网关，以避免使用应用层网关（应用协议的转换）导致网络部署的脆弱性 ^[5] 。

如果网关是移动的（如网关为智能手机时），物联网设备与互联网之间的连接可能是间歇性的。尽管移动网关限制了设备-网关通信模式的应用范围，但对于可穿戴设备、不需要始终在线或实时连接的物联网设备而言，却是一种常用的通信方式。智能手机借助应用商店的软件更新机制，允许在定期更新功能，甚至有些物联网设备也定期更新功能，因此互操作性尤为重要。

网关对外可同时支持IPv6和IPv4（与传统应用服务提供商保持兼容），如果设备本身不具备同时支持IPv4和IPv6的资源，为了减少占用空间，可使设备只使用IPv6，以实现更大的灵活性（IPv4地址耗尽，不适合扩展到物联网）。

4.后端数据共享模式

设备-云模式通常会导致信息或数据孤岛，如物联网设备仅将数据上传至单一应用服务提供商，而用户通常需要将设备上传数据和其他来源的数据结合起来进行分析。因此，需要将上传数据授权给第三方进行访问，如图2-7所示。这就是所谓的Web混搭模式，根据应用需求引入智能物体上下文中，应用程序开发使用RESTful API设计，结合身份验证和授权技术（如OAuth 2.0），实现构建模块的重用。