下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在谈到体系结构时，人们立刻就会想到：计算机体系结构与冯·诺依曼、计算机网络体系结构与OSI参考模型，以及互联网体系结构。这说明了以下两点：
●对于一个复杂的计算机系统、计算机网络系统，我们需要抽象出能够体现不同类型计算机、计算机网络的基本与共性特征的结构模型。
●体系结构的研究水平是评价一项技术成熟度的重要标志之一。
在深入研究智能物联网时，人们自然会想到应该用一个怎样的体系结构来描述不同类型智能物联网应用系统结构的共性特征。在讨论智能物联网的体系结构时，我们需要回忆计算机网络体系结构概念产生与体系结构形成的过程，它会给我们很多重要的启示。
理解网络体系结构（network architecture）的概念有三点需要注意：
1）网络体系结构是由网络层次结构模型与各层协议组成的。
2）网络体系结构对网络应实现的功能进行精确定义。
3）网络体系结构是抽象的，而实现网络协议的技术是具体的。
20世纪70年代后期，人们逐步认识到计算机网络层次结构模型与协议标准的不统一，将会形成多种异构的计算机网络系统，这样会给今后大规模的网络互联造成困难，影响计算机网络自身的发展。研究网络体系结构首先要提出网络层次结构模型。20世纪80年代初，国际标准化组织（ISO）发布了开放系统互连（Open System Internetwork，OSI）参考模型，也就是我们常说的“七层结构模型”，它是研发计算机网络体系结构标准的基础。在市场竞争中，互联网中广泛应用的TCP/IP的层次结构模型最终取代OSI参考模型成为事实上的产业标准。这就说明，任何一种网络层次结构模型与协议都要接受市场的检验。
智能物联网（AIoT）的概念问世。AIoT推进“物联网+云计算+5G+边缘计算+大数据+智能+控制”技术的融合创新，将物联网技术、应用与产业推向一个新的发展阶段。
但是在不同行业中，智能物联网应用系统的功能差异很大，系统结构与协议标准复杂，这就给智能物联网层次结构模型研究带来很大的困难。尽管如此，不同智能物联网应用系统之间必然会存在一些内在的共性特征，重要的是研究者能否正确地认识和总结出这些共性特征，找到一种简洁和合理的层次结构模型去描述它，并能够用层次结构模型来指导智能物联网应用系统的规划和设计，这是智能物联网研究的一个重要课题。
目前，产业界与学术界比较通行的研究方法主要有两种：一种方法是集中精力研究某个产业的某类应用系统的共性特征，以此为基础提出智能物联网的层次结构模型。另一种方法是从更宏观的角度，从感知信息产生、传输、处理、控制过程中的信息、传递的逻辑关系，结合支撑智能物联网，提出智能物联网层次结构模型。本书将采用第二种方法来研究和提出智能物联网技术架构与层次结构模型。
研究智能物联网体系结构首先要研究智能物联网层次结构模型。研究层次结构模型需要注意以下几个基本原则：
●层次结构模型定义了系统的层次结构与各层之间的逻辑关系。
●层次结构模型将系统功能分解到各个层次，定义了各层的主要功能。
●层次结构模型反映了信息产生、传输、处理、应用的流程。
●层次结构模型不是一个标准，而是一种在制定标准时使用的概念性框架。
结合对智能物联网特点，本书采用的智能物联网层次结构模型如图1-19所示。
图1-19 智能物联网层次结构模型示意图
智能物联网层次结构模型由感知层、接入层、边缘层、核心交换层、应用服务层与应用层等6层组成。
1.智能物联网层次结构模型各层的基本功能
（1）感知层
感知层是智能物联网的基础，它实现感知、控制，以及用户与系统交互的功能。感知层包括传感器与执行器、RFID标签与读写设备、智能家电、智能仪器仪表与智能生产设备，智能手机与GPS终端、可穿戴计算设备、智能机器人、无人机、智能网联汽车等移动终端设备等，涉及嵌入式计算、可穿戴计算、智能硬件、物联网芯片、物联网操作系统、智能人机交互、深度学习和可视化技术。
（2）接入层
接入层承担着将海量、多种类型、分布广泛的设备接入智能物联网应用系统的功能。接入层采用的接入技术包括两类：有线与无线技术。有线接入技术包括Ethernet、ADSL、HFC、现场总线、电力线接入、光纤接入与光纤传感器网、现场总线与工业以太网等；无线通信技术包括近场通信NFC、蓝牙BLE、ZigBee、6LoWPAN、NB-IoT、Wi-Fi、蜂窝移动通信网，以及无线自组网与无线传感器网络等。
（3）边缘层
边缘层又称为边缘计算层，它将计算与存储资源（如微云Cloudlet、微型数据中心、雾计算节点或微云）部署在更贴近于移动终端设备或传感器网络的边缘，将很多对实时性、带宽与可靠性有很高需求的计算任务迁移到边缘云中处理，以减少信息处理响应时间，满足实时性应用的需求，改善终端用户体验效果。边缘云与远端核心云之间协同，形成“端-边-云”的三级结构的工作模式。
（4）核心交换层
为了提供行业性、专业性的智能物联网服务，核心交换层承担着将接入网与分布在不同地理位置的接入网与广域主干网互联的功能。对网络安全要求高的核心交换网需要分为内网与外网两大部分，内网与外网之间通过安全来连接。构建核心交换网内网可采用IP专网、VPN或5G网络技术。
（5）应用服务层
应用服务层的软件运行在云计算平台之上。云平台可以是私有云，也可以是公有云、混合云或社区云。应用服务层为智能物联网应用系统需要实现的功能提供服务。应用服务层提供的共性服务主要包括：从智能物联网感知数据中挖掘出知识的大数据技术；根据大数据分析结论，向高层用户提供可视化的辅助决策技术；通过反馈控制指令，实现闭环的智能控制技术。数字孪生将大大提升智能物联网应用系统控制的智能化水平；区块链将为构建智能物联网信任体系提供重要的技术手段。
（6）应用层
应用层包括智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗、智能家居等行业应用。无论是哪类应用，从系统实现的角度来看，都是要将代表系统预期目标的核心功能分解为多个简单和易于实现的功能。每个功能的实现经历复杂的信息交互过程，并且需要对信息交互过程制定一系列通信协议。因此，应用层是实现某类行业应用的功能、运行模式与协议的集合。研发人员将依据通信协议，根据任务需要来调用应用服务层的不同服务功能模块，实现智能物联网应用系统的总体服务功能。
需要注意是，尽管应用层软件也运行在云计算平台上，但是从功能分层的角度以及逻辑关系上来讲，还是要将应用层与应用服务层区分开，应用服务层侧重于为行业应用提供的共性服务与软硬件模块，而应用层侧重于行业应用功能实现的方法、协议与技术。应用服务层不可能涵盖行业应用中复杂的功能与协议，应用层与应用服务层之间需要协作，才能够实现智能物联网应用系统的总体服务功能。
2.跨层共性服务
在讨论智能物联网层次结构模型的同时，必须注意与各个功能层都有交集的跨层、共性的服务。这些服务主要包括：网络安全、网络管理、ONS与QoS/QoE。
（1）网络安全
网络安全涉及智能物联网从感知层到应用层的任何一种网络，小到接入的传感器、执行器，接入网中的Ethernet、NFC、BLE、ZigBee、Wi-Fi、5G或NB-IoT，大到核心交换网、云计算网络都存在网络安全问题，并且各层之间的安全问题是相互关联、相互影响的。
（2）网络管理
接入网、核心交换网与云计算网络使用大量网络设备，接入各种感知、执行、计算节点，并相互连接构成智能物联网；各层之间都要交换数据与控制指令。因此，网络管理同样是涉及各层，并且是各层之间相互关联与相互影响的共性问题。
（3）ONS
在计算机网络中，“名字”标识一个对象，“地址”标识对象所在的位置，“路由”确定到达对象所在位置的方法。整个网络活动是建立在“名字-地址-路由”的基础上的。显然，每个连接到智能物联网的“物”都需要有一个全网唯一的“名字”与“地址”。对象名字服务（Object Name Service，ONS）包括命名规则与“名字/地址解析”服务。
智能物联网的ONS功能与互联网的域名服务（Domain Name Service，DNS）功能类似。在互联网中，我们在访问一个Web网站之前，首先要通过DNS查询网站的IP地址。以RFID标签为例，在智能物联网中要查询RFID标签对应的物品详细信息，必须借助ONS服务器、数据库与服务器体系。与互联网的DNS体系一样，为了提高系统运行效率，必须在智能物联网中建立本地OSN服务器、高层OSN服务器及根ONS服务器，形成覆盖整个智能物联网的随时、随地、便捷地提供对象名字解析的服务体系。
（4）QoS/QoE
在互联网的发展过程中，人们花费了很大精力解决服务质量（Quality of Service，QoS）问题。智能物联网传输的信息既包括海量的感知信息，又包括反馈的控制信息；既包括安全性、可靠性要求很高的数字信息，又包括实时性要求很高的视频信息，以及安全性、可靠性与实时性要求都高的控制信息。在智能物联网应用中，用户关心的不仅是客观的QoS，还包括在QoS基础上加上人为主观因素的体验服务质量（Quality of Experience，QoE）。因此，物联网对数据传输的QoS/QoE要求比互联网更复杂，必须通过智能物联网体系各层的协同工作来加以保证。
讨论智能物联网层次结构模型时需要注意两个问题：
第一，由于感知层的传感器、执行器与用户终端设备通过接入层接入智能物联网之后成为智能物联网的“端节点”，研究者通常将感知层与接入层的设备统称为“端”，因此可以将智能物联网层次结构模型用简单的“端-边-网-云-用”来描述。产业界习惯用“端-边-管-云-用”表述，这里用“管”（即“通信管道”）表示“网”。
第二，网络体系结构是抽象的，而实现各层网络协议的技术是具体的。物联网系统架构师和系统开发人员习惯将各层所采用的主要技术标识在智能物联网对应的层次中，这样可以更直观地指导应用系统的规划、设计与实施，形成如图1-20所示的智能物联网技术架构示意图。我国符合这种技术架构的产业结构目前正在逐步形成。
图1-20 智能物联网技术架构示意图