1.3 物联网的体系结构

物联网是物理世界与信息空间的深度融合系统，涉及众多的技术领域和应用行业，需要对物联网中的设备实体的功能、行为和角色进行梳理，从各种物联网的应用中总结出元件、组件、模块和功能的共性与区别，建立一种科学的物联网体系结构，以促进物联网标准的统一制定，规范和引领物联网产业的发展。

各种网络的体系结构基本都是按照分层的思想建立的，分层就是按照数据流动的关系对整个物联网进行切割，以便物联网的设计者、设备厂商和服务器提供商可以专注于本领域的工作，然后通过标准的接口进行互联。典型的通信网体系结构是国际标准化组织（ISO）的7层模型，从下到上分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物联网目前还没有一个公认的体系结构层次模型，从3层到5层都有，其分层思想参考视频。2013年欧盟IOT-A项目组给出了一种3层模型，把物联网体系结构分为物理实体层、物联网服务层和物联网系统层3层。2012年ITU-T给出的是一个4层参考模型。欧盟的全球RFID运作及标准化协调支持行动工作组（CASAGRAS）给出了一个物联网的融合模型，有人据此把物联网层次体系架构分为5层，分别为边缘技术层、接入网关层、互联网层、中间件层和应用层。除了分层体系结构外，也有人按照功能域的思想提出物联网的域模型。

1.3.1 物联网三层模型

物联网三层模型是一种最早的、最简单的物联网分层体系结构。2013年的《中国物联网标准化白皮书》给出的物联网体系结构为3层模型，它按照物联网数据的产生、传输和处理的流动方向，把物联网从下到上分为感知层、网络层和应用层3层。

以地铁车票的手机支付为例，看一下物联网中的数据流动。很多手机具备近场通信（Near Field Communication，NFC）功能，当人经过验票口时，验票口的NFC阅读器会扫描到手机中嵌入的NFC电子标签，从中读取手机主人的信息，这些信息通过网络送到服务器，服务器上的应用程序根据这些信息，实现手机主人与地铁公司账户之间的消费转账。按照物联网体系结构的3层模型，手机支付的过程可以分为以下3部分。

1）感知层负责识别经过验票口的是谁，而且识别过程是自动进行的，无须人的参与。这就要求人们的手机必须具备NFC电子标签，NFC阅读器读取电子标签中的用户信息，然后把用户信息送到本地计算机上。

2）网络层负责在多个服务器之间传输数据。计算机再把用户信息送到相应的服务器，这里会涉及多个服务器，如涉及客流量统计的地铁公司的服务器、涉及话费的电信公司的服务器和涉及转账的银行的服务器等。每个行业的服务器也不止一个，这些服务器之间的传输就需要依靠各种通信网络。

3）应用层。数据之所以在各个服务器之间流动，是因为要把这些数据交付给服务器上的应用程序进行处理。这些应用程序最终实现的目的只有一个：把车票钱从用户银行账户或话费账户转到地铁公司的账户上。

物联网体系结构的3层模型体现了物联网的3个明显的特点：全面感知、可靠传输和智能处理。3层模型说明了物联网的本质就是传感、通信和信息的融合，但这种划分比较粗略，好处是能够迅速了解物联网的全貌，可以作为物联网的功能划分、组成划分或应用流程划分。坏处是把多种技术放在一层中，各种技术之间的集成关系不明确，这对以集成为特征的物联网而言是非常不利的。粗略的划分也造成一些技术无法归类，放在相邻层的哪一个层都可以，容易产生误解。

1.3.2 ITU-T参考模型

ITU-T在2012年的《物联网概述》报告中给出了物联网的参考模型，把物联网分为设备层、网络层、支撑层和应用层4层，如图1-3所示。

1）设备层实现设备功能和网关功能。设备功能包括设备与通信网络之间的信息传输、设备之间的自我组网，以及设备的睡眠和唤醒。网关功能包括对多种通信接口的支持和协议转换等。

2）网络层实现组网功能和传输功能。组网功能提供网络连通性的控制，如接入控制、移动性管理，以及认证、授权和计费（Authentication，Authorization and Accounting，AAA）等。传输功能为物联网的应用数据和管理信息的传输提供支持。

3）支撑层的全称是“业务支撑和应用支撑层”，可以对所有的业务和应用提供通用的支撑功能，也可以对指定的业务和应用提供特定的支撑功能。

4）应用层包括所有的物联网应用，如智能家居、智能电网和智能交通等。

物联网安全和管理功能的实现需要依靠物联网所有层次提供的功能。管理功能除了涵盖传统通信网络的故障管理、性能管理、配置管理、计费管理和安全管理外，还需要重点考虑设备管理、局部网络拓扑管理、流量管理和拥塞管理等。安全功能需要在各个层次上提供认证、授权、隐私保护、数据可靠性和完整性保护等。

1.3.3 物联网的域模型

物联网体系结构是对物联网功能的划分，不同的划分方法产生了不同的体系结构。分层体系结构是从数据流动的角度对物联网功能进行划分，有人从业务的结合或信息的运行方面对物联网的功能进行划分，提出了不同的域模型，如六域模型、五域模型等。

六域模型从业务结合方面把物联网功能分为6个域：物联网用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域和资源交换域。

物联网用户域是探析用户的需求。目标对象域是把用户需求映射到物理实体，了解如RFID等设备所需的信息。感知控制域定义具体的感知系统及感知系统之间的协同工作。服务提供域对数据信息进行分析处理，提供专业服务。运维管控域从技术和法律层面上对信息和实体对象进行管理与约束。资源交换域负责各部门物联网资源及外部资源之间的交换，联合提供高效服务。

五域模型从信息运行方面把物联网分为5个域：对象域、通信域、管理域、服务域和用户域，如图1-4所示。各域的功能基本与六域模型相同。

物联网中的信息分为感知信息和控制信息两种。对象域中的对象获取感知信息，通过通信域传输到管理域，管理域进行感知信息管理，再进入服务域中获取感知信息的公共服务，之后传输给用户，用户对感知信息进行分析、处理，转换为相应的控制信息，控制信息进入服务域中获取控制信息服务，传输至管理域进行控制信息管理，再通过通信域将控制信息传输至对象。也就是说，经过用户域的信息运行轨迹是：对象→感知信息通信→感知信息管理→感知信息服务→用户→控制信息服务→控制信息管理→控制信息通信→对象。

感知信息也可以不经过用户域，而是直接由服务域或管理域进行处理后，产生相应的控制信息，发送给对象。