物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題及隱患簡介 - 全文

物聯(lián)網(wǎng)（IOT， Internet of Things） 的概念起源于十多年前：由已故的Mark Weiser普適計(jì)算之父1991年在《科學(xué)美國人》雜志中預(yù)言21世紀(jì)的計(jì)算將是泛在計(jì)算。信息無處不在，計(jì)算亦無所不在，這是物聯(lián)網(wǎng)的概念起源。1997 年ITU 在Challenges to the Net2work的報(bào)告中提出，把所有的物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的形成又邁出一步。1999年麻省理工學(xué)院Auto-ID Center 提出：物聯(lián)網(wǎng)旨在建立一個(gè)龐大的無線網(wǎng)絡(luò)，其中的所有物體都有唯一的標(biāo)識(shí)。

之后Auto-ID Center又提出全球EPC 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，其基本思想是：每件商品都被賦予一個(gè)全球唯一的代碼，利用RFID技術(shù)將物品的信息與網(wǎng)絡(luò)相連接，通過Internet實(shí)現(xiàn)全球物品信息的實(shí)時(shí)共享。這是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的雛形。2005年ITU又一次召開了題為In2ternet of things的會(huì)議，在會(huì)議報(bào)告中就形象地指出小到一個(gè)牙刷或者輪胎的信息很快都會(huì)在我們的網(wǎng)絡(luò)范圍之內(nèi)，如圖1 提出了具體的平面概念，即任何時(shí)間、地點(diǎn)，與任何人連接，現(xiàn)在我們將任何事物連接起來，今天的互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)為明日的物聯(lián)網(wǎng)讓位。

IBM 在2008年底提出的智慧地球，包括智慧的電力、智慧的醫(yī)療、智慧的交通、智慧的城市等。目的是將世界運(yùn)行到一個(gè)更高的智慧水平，使個(gè)人，企業(yè)，組織，政府，自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)相互交互的方式更具智慧。這個(gè)智慧地球的概念將物聯(lián)網(wǎng)變的更具有透徹的感知和深入的智能化。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，所有的物質(zhì)都將變得透明化、智能化。人類生活的有效時(shí)間得到了提高，生活成本也將隨之降低，同時(shí)有效地避免了能源浪費(fèi)，從而更進(jìn)一步地維護(hù)了人類的生活質(zhì)量和社會(huì)安全。文中將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題及隱患做簡要的介紹。

1 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后又一次技術(shù)的革新，代表著未來計(jì)算機(jī)與通信的發(fā)展方向。這次革新也取決于一些重要領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)技術(shù)創(chuàng)新，從RFID、EPC、傳感技術(shù)到認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等。

1.1RFID，EPC，傳感技術(shù)

RFID（ Radio Frequency Identification） 5是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。RFID 系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器、應(yīng)用接口等硬件設(shè)備與中間件軟件、傳輸網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理系統(tǒng)等構(gòu)成6 。標(biāo)簽是一個(gè)內(nèi)部保存數(shù)據(jù)的無線收發(fā)裝置，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。讀寫器是一個(gè)捕捉和處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)的裝置，同時(shí)還負(fù)責(zé)與后臺(tái)處理系統(tǒng)接口。軟件包括RFID 系統(tǒng)軟件、 RFID 中間件、后臺(tái)應(yīng)用程序。RFID 系統(tǒng)軟件是在標(biāo)簽和讀寫器之間進(jìn)行通信所必需的功能集合。RFID中間件是在讀寫器和后臺(tái)處理系統(tǒng)之間運(yùn)行的一組軟件，它將標(biāo)簽和讀寫器上運(yùn)行的RFID 系統(tǒng)軟件和在后臺(tái)處理系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件聯(lián)系起來。后臺(tái)應(yīng)用程序接收由標(biāo)簽發(fā)出，經(jīng)過讀寫器和 RFID 中間件處理過濾后的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。這樣的RFID 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、監(jiān)控、追蹤。 EPC6（ Electronic Product Code） 是一種編碼及接口標(biāo)準(zhǔn)，專用于RFID。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為EPC 是RFID 中的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說EPC的載體是RFID 電子標(biāo)簽?，F(xiàn)今提到的EPC 系統(tǒng)是在互聯(lián)網(wǎng)、射頻技術(shù)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)構(gòu)造一個(gè)物品信息實(shí)時(shí)共享的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器在彌合物理和虛擬世界差距方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使得物體對(duì)可以自身環(huán)境的改變做出反應(yīng)。一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感網(wǎng)絡(luò)使用，稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN） 。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無需固定設(shè)備支撐的特點(diǎn)，可以快速部署，同時(shí)具有易于組網(wǎng)，不受有線網(wǎng)絡(luò)的約束。在無線傳感器系統(tǒng)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠感應(yīng)其環(huán)境，然后在本地處理信息，或者通過無線鏈路將信息發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)集結(jié)點(diǎn)。由于RF 發(fā)射功率低，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離比較近。短距離傳輸使傳輸信號(hào)被竊聽的可能性降到最小，同時(shí)還延長了電池的壽命，適用于物于物之間的聯(lián)系。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知技術(shù)

物體本身加入智能化，通過下放信息處理能力給網(wǎng)絡(luò)邊緣來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的功能，這樣為數(shù)據(jù)處理和增加網(wǎng)絡(luò)彈性提供了更大的可能性。賦予網(wǎng)絡(luò)邊緣的事物獨(dú)立處理和決定的能力。智能意味著機(jī)器能對(duì)外界的刺激信息做出反應(yīng)并通過學(xué)習(xí)和規(guī)劃做出決策來應(yīng)付外界的變化，即能夠模擬人類的一些智能活動(dòng)，能感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件，然后依據(jù)這些條件做出規(guī)劃、決策和采取動(dòng)作。

這里說的認(rèn)知必須是自感知的：應(yīng)該能知道內(nèi)部發(fā)生了什么，必須做什么；必須能確定適當(dāng)行動(dòng)去達(dá)到目標(biāo)和學(xué)習(xí)這些過程。如圖2 對(duì)認(rèn)知學(xué)的過程進(jìn)行了形象描繪，文獻(xiàn)提出通過感知、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)、行動(dòng)、策略這六個(gè)步驟結(jié)合傳感技術(shù)完成對(duì)事物的智能認(rèn)知。通過傳感器感知周圍環(huán)境。由傳感器捕捉到的觀測結(jié)果將被用于規(guī)劃，然后學(xué)習(xí)和記憶有用的觀測結(jié)果，這有助于之后的決策模塊做出決策。規(guī)劃模塊基于存儲(chǔ)在策略模塊的觀測數(shù)據(jù)和策略決定了將來可能采取的行動(dòng)，決策模塊根據(jù)可能采取的行動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)來決定當(dāng)下行動(dòng)。最后行動(dòng)模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行重配置。學(xué)習(xí)模塊在某種意義上有著最好連接性，它可以來源于：傳感器的數(shù)據(jù)，戰(zhàn)略，決策和執(zhí)行器并從這些訊息中進(jìn)行聯(lián)合和推斷。通過一系列完整的認(rèn)知過程對(duì)物聯(lián)網(wǎng)增加智能化。

1.3 云計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)要求每個(gè)物體都與它唯一的標(biāo)示符相關(guān)聯(lián)，這樣就可以在數(shù)據(jù)庫中檢索信息12。因此需要一個(gè)海量的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)平臺(tái)把數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成實(shí)際決策和行動(dòng)。若所有的數(shù)據(jù)中心都各自為陣，數(shù)據(jù)中心的大量有價(jià)值的信息就會(huì)形成信息孤島，無法被有需求的用戶有效使用。云計(jì)算試圖在這些孤立的信息孤島之間通過提供靈活、安全、協(xié)同的資源共享來構(gòu)造一個(gè)大規(guī)模的、地理上分布的、異構(gòu)的資源池，包括信息資源和硬件資源，再結(jié)合有效的信息生命周期管理技術(shù)、節(jié)能技術(shù)。云計(jì)算是由軟件、硬件、處理器加存儲(chǔ)器構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。它按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署、配置、重配置以及取消服務(wù)。在云計(jì)算平臺(tái)中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器，其本質(zhì)是由遠(yuǎn)程運(yùn)行的應(yīng)用程序（在云中）駐留在個(gè)人電腦和局部服務(wù)器。

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)還需要很多關(guān)鍵技術(shù)的支持，例如接入網(wǎng)技術(shù)，體系結(jié)構(gòu)，納米技術(shù)，PAI 技術(shù)，公共服務(wù)軟件技術(shù)，尋址技術(shù)，路由技術(shù)等等。迄今為止這些技術(shù)還不完善，仍存在著很多問題，文中將在下一節(jié)對(duì)此進(jìn)行闡述。

2 存在的問題

讓物品與物品及物品與人類之間的交流暢通無阻，實(shí)現(xiàn)理想中物聯(lián)網(wǎng)還有很多技術(shù)需要完善。存在的問題主要有：

（1） 統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，同樣基于TCP/IP ，但在接入層面，協(xié)議類別就十分繁雜，如TD-SCDMA、GPRS、傳感網(wǎng)等多種通道而標(biāo)準(zhǔn)化是大規(guī)模部署和擴(kuò)展的必不可少的技術(shù)，如果沒有大規(guī)模部署就談不上物聯(lián)網(wǎng)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)論壇等組織呼吁增加國際電聯(lián)來參與統(tǒng)一RFID 協(xié)議。EPCglobal 在2004 年年底提出了第一個(gè)全球RFID 標(biāo)準(zhǔn)的建議，它定義了多種類型的RFID 標(biāo)簽及相應(yīng)的工作頻率。

（2） 尋址問題。每個(gè)物品都會(huì)在物聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)，那么每個(gè)物品都需要一個(gè)地址。在IPv4 資源即將耗盡的背景下，物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP 地址。需要IPv6的支持，但由于IPv4 網(wǎng)絡(luò)的龐大規(guī)模導(dǎo)致IPv4 向IPv6 過渡存在一個(gè)漫長的過程，因此物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6 地址，就必然會(huì)存在與IPv4 的兼容性問題。物聯(lián)網(wǎng)的特性也使得物聯(lián)網(wǎng)中的尋址與互聯(lián)網(wǎng)不完全一樣，文獻(xiàn)17 解決了多種產(chǎn)品代碼標(biāo)準(zhǔn)引起的尋址沖突。

（3） 安全性能。RFID 當(dāng)初的設(shè)計(jì)是完全開放的，所以信息安全機(jī)制存在嚴(yán)重缺陷。對(duì)RFID 標(biāo)簽加密將使標(biāo)簽成本增加。云服務(wù)的透明度也是安全隱患，黑客正是通過操作系統(tǒng)的漏洞來攻擊它所服務(wù)的應(yīng)用程序載入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。提供內(nèi)存數(shù)據(jù)的保護(hù)和隔離是云計(jì)算的重要安全需求之一。目前可以通過服務(wù)級(jí)別協(xié)議向用戶擔(dān)保，但如何做到安全服務(wù)SLA 的可審計(jì)性，這是云計(jì)算必須面臨的挑戰(zhàn)19。無線傳感網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制無法應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，需要開發(fā)專門協(xié)議。現(xiàn)有的思想是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全，另一種思想是把著重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面。目前現(xiàn)行有效的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議例如SSL和IPSec，也存在著缺陷比如難以實(shí)施在嵌入式設(shè)備中。因此一個(gè)完整統(tǒng)一的安全系統(tǒng)呼之欲出。

（4） 實(shí)時(shí)性與同步性。無所不在的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求明顯高于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。它與實(shí)際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，所以必須采用物理時(shí)鐘同步，無法使用相對(duì)簡單的邏輯時(shí)鐘。但是物理時(shí)鐘的同步仍然存在著很多問題，例如，無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時(shí)間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制同時(shí)無線媒介連接方式不可靠，時(shí)鐘的不同步性將會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)帶來巨大的障礙。

（5） 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議算法局限。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)依照著端到端的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，這未必是一種合理的選擇。例如一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，未必適合物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。在密集性極高的物聯(lián)網(wǎng)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時(shí)增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為物聯(lián)網(wǎng)的提出了新的技術(shù)問題。

（6） 商業(yè)可行性。建立物聯(lián)網(wǎng)，需要大量的資金投入，如RFID 標(biāo)簽，RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)管理中間件，解讀器及計(jì)算機(jī)的購入等。成本的提高使得人們的可接受度和企業(yè)的回報(bào)率都成為未知數(shù)。另外，標(biāo)準(zhǔn)的爭奪是搶占市場先機(jī)的關(guān)鍵。盡管物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還處于起步階段，已有很多公司開始搶占市場先機(jī)，推廣自己的標(biāo)準(zhǔn)并申請(qǐng)相關(guān)專利。在中國開展物聯(lián)網(wǎng)，首先要獲得政府的支持，有了實(shí)質(zhì)資金后能找到應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的商品，搭建無線網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)平臺(tái)，再進(jìn)行物品的信息存儲(chǔ)，然后進(jìn)行傳感設(shè)備的安裝，但是現(xiàn)階段推廣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的商品仍屬于風(fēng)險(xiǎn)投資，因?yàn)閲鴥?nèi)在物聯(lián)網(wǎng)上缺乏核心技術(shù)的累積，同時(shí)，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化水平較低，高端產(chǎn)品被國外廠商壟斷。另一方面我國的寬帶建設(shè)目前還處于初級(jí)階段，大規(guī)模的普及無線傳感網(wǎng)絡(luò)短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)，所以物聯(lián)網(wǎng)在中國的普及還需要做多方面的努力。

3 結(jié)束語

因特網(wǎng)把人與所有的物體連接起來，物聯(lián)網(wǎng)將人與人、人與物、物與物連接起來。雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念早在十多年前就有了雛形，但想要建立理想中物聯(lián)網(wǎng)還有很多技術(shù)需要完善，例如安全、尋址、標(biāo)準(zhǔn)、接入方式、生物工程等。只有通過這些技術(shù)進(jìn)步和出臺(tái)統(tǒng)一的規(guī)范，才能夠獲取一個(gè)公平和以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)。