物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)_物聯(lián)網(wǎng)三大協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

目前被廣泛認(rèn)可的物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)分為三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層：包括二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)關(guān)等，主要功能是識(shí)別物體、采集信息。

網(wǎng)絡(luò)層：首先包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，除此之外還包括物聯(lián)網(wǎng)管理中心、信息中心、云計(jì)算平臺(tái)、專(zhuān)家系統(tǒng)等對(duì)海量信息進(jìn)行智能處理的部分。

應(yīng)用層：將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)應(yīng)用層最終實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化。

就目前國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來(lái)看，并未能夠有效地指導(dǎo)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，使之進(jìn)入快速發(fā)展的通道。部分原因在于，該架構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層的描述過(guò)于概括，并且網(wǎng)絡(luò)層本身從語(yǔ)義上也容易讓人與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層產(chǎn)生混淆，因此一定程度上阻礙了人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的認(rèn)識(shí)。從現(xiàn)狀來(lái)看，目前業(yè)界對(duì)網(wǎng)絡(luò)層認(rèn)識(shí)還處于相對(duì)粗淺的層次，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界還沒(méi)有充分發(fā)展網(wǎng)絡(luò)層中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展起到重大推動(dòng)作用的物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺(tái)，大多數(shù)應(yīng)用仍只是把網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)作物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸通道，尚未利用網(wǎng)絡(luò)層所提供的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)支撐能力和業(yè)務(wù)支撐能力。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的理解不能僅從網(wǎng)絡(luò)的視角觸發(fā)，而應(yīng)該把物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)作一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)看待，從全局的角度觸發(fā)，系統(tǒng)地考慮物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展過(guò)程中，需要涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)、所在的層級(jí)及它們之間的聯(lián)系。結(jié)合信息流的流向，以及產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)對(duì)象來(lái)梳理物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中各個(gè)層次，可以將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為四個(gè)層次，分別是感知及控制層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的樞紐，向下接入分散的物聯(lián)網(wǎng)傳感層，匯集傳感數(shù)據(jù)，向上面向應(yīng)用服務(wù)提供商提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)性平臺(tái)和面向底層網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，支持具體的基于傳感數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

感知與控制層：通過(guò)從傳感器、計(jì)量器等器件獲取環(huán)境、資產(chǎn)或者運(yùn)營(yíng)狀態(tài)信息，在進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚碇?，通過(guò)傳感器傳輸網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳遞出去；同時(shí)通過(guò)傳感器接收網(wǎng)關(guān)接收控制指令信息，在本低傳遞給控制器件達(dá)到控制資產(chǎn)、設(shè)備及運(yùn)營(yíng)的目的。在此層次中，感知及控制器件的管理、傳輸與接收網(wǎng)關(guān)、本低數(shù)據(jù)及信號(hào)處理是重要的技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)公網(wǎng)或者專(zhuān)網(wǎng)以無(wú)線或者有線的通信方式將信息、數(shù)據(jù)與指令在感知與控制層、平臺(tái)服務(wù)層、應(yīng)用層服務(wù)之間傳遞，主要由運(yùn)營(yíng)商提供的各種廣域IP通信網(wǎng)絡(luò)組成，包括ATM、xDSL、光纖等有線網(wǎng)絡(luò)，以及GPRS、3G、4G、NB-IoT等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

平臺(tái)服務(wù)層：物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈條中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)它不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備和資產(chǎn)的“管、控、營(yíng)”一體化，向下連接感知層，向上面向應(yīng)用服務(wù)提供商提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力和統(tǒng)一接口，并未各行各業(yè)提供通用的服務(wù)能力，如數(shù)據(jù)路由、數(shù)據(jù)處理與挖掘、仿真與優(yōu)化、業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用整合、通信管理、應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)備維護(hù)服務(wù)等。

應(yīng)用服務(wù)層：豐富的應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)，未來(lái)基于政府、企業(yè)、消費(fèi)者三類(lèi)群體將衍生出多樣化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，創(chuàng)造巨大的社會(huì)價(jià)值。根據(jù)企業(yè)業(yè)務(wù)需要，在平臺(tái)服務(wù)層之上建立相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如，城市交通情況的分析與預(yù)測(cè)，城市資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控與分析，環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控、分析與預(yù)警（如風(fēng)力、雨量、滑坡），健康狀況監(jiān)測(cè)與醫(yī)療方案建議等。

物聯(lián)網(wǎng)三大協(xié)議

實(shí)時(shí)通信技術(shù)作為一項(xiàng)根本性前提，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工作中扮演著核心角色。想象一下，如果我們能夠利用手機(jī)與家居環(huán)境內(nèi)的各種小裝置進(jìn)行通信，那么科幻電影中的種種場(chǎng)景將很快變成現(xiàn)實(shí)。但如果整個(gè)通信過(guò)程需要數(shù)秒才能完成，那么使用體驗(yàn)無(wú)疑會(huì)大打折扣。

要說(shuō)起實(shí)時(shí)通信技術(shù)的發(fā)展演變，我們就不能不提即時(shí)通訊方案的出現(xiàn)。從歷史角度講，即時(shí)通訊產(chǎn)品可以算是最早出現(xiàn)的客戶友好型聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通信客戶端。AOL IM、ICQ以及Jabber正是各類(lèi)支持實(shí)時(shí)通信的即時(shí)通訊方案中的典型代表。而這一切早在上世紀(jì)九十年代就已然出現(xiàn)了。

時(shí)至今日，我們開(kāi)始將著眼點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)作用于不同物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信協(xié)議——不過(guò)當(dāng)初構(gòu)建即時(shí)通訊解決方案時(shí)積累到的經(jīng)驗(yàn)仍然適用。目前物聞網(wǎng)設(shè)備所廣泛使用的三大實(shí)時(shí)協(xié)議包括：XMPP、CoAP以及MQTT。有趣的是，其中的XMPP早在Jabber時(shí)代就已經(jīng)作為一套開(kāi)放即時(shí)通訊協(xié)議存在了。

XMPP

XMPP的全稱(chēng)為可擴(kuò)展通訊與表示協(xié)議。這項(xiàng)立足于XML的TCP通信協(xié)議能夠以近實(shí)時(shí)方式在兩個(gè)甚至更多聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)體之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換。XMPP當(dāng)中的現(xiàn)成功能包括表示信息以及聯(lián)系人名單維護(hù)。盡管這兩項(xiàng)功能最初都是針對(duì)即時(shí)通訊需求設(shè)計(jì)而成，但它們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用程序當(dāng)中仍然能夠起到不錯(cuò)的效果。鑒于其出色的開(kāi)放特性并以XML為基礎(chǔ)，XMPP已經(jīng)被擴(kuò)展至各類(lèi)公共訂閱系統(tǒng)當(dāng)中——而這也恰好適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)際需求。

利用XMPP作為物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，我們能夠享受到幾大突出優(yōu)勢(shì)。首先就是XMPP的分散特性。XMPP的運(yùn)作方式與電子郵件比較相似，游走于由傳輸代理構(gòu)建而成的分布式網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，而非高度依賴(lài)于單一中央服務(wù)器或者代理節(jié)點(diǎn)（CoAP與MQTT皆屬于這種情況）。與電子郵件一樣，每個(gè)人都能夠輕松運(yùn)行屬于自己的XMPP服務(wù)器，這就使得設(shè)備制造商以及API供應(yīng)方能夠創(chuàng)建并管理自己的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)體系。而由于大家都有能力運(yùn)行自己的服務(wù)器，所以出于安全考慮，我們可以在必要時(shí)利用內(nèi)置TLS加密機(jī)制將該服務(wù)器隔離在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的安全驗(yàn)證協(xié)議之下。

遺憾的是，XMPP也存在著一些弊端。其最大的問(wèn)題之一就是缺少端到端加密機(jī)制。盡管在不少場(chǎng)景之下，這類(lèi)加密機(jī)制基本算是可有可無(wú)，但歸根結(jié)底大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍然需要利用加密來(lái)保障安全。端到端加密機(jī)制的缺失無(wú)疑會(huì)令物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商陷入被動(dòng)當(dāng)中。

XMPP的另一個(gè)問(wèn)題在于不具備服務(wù)質(zhì)量（簡(jiǎn)稱(chēng)QoS）控制。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，確保消息交付的重要性甚至比即時(shí)通訊領(lǐng)域還要高。如果大家的警報(bào)系統(tǒng)沒(méi)能切實(shí)收到相關(guān)信息并正確觸發(fā)，那么接下來(lái)的后續(xù)影響可能會(huì)非?？膳?。

CoAP

CoAP的全稱(chēng)為受限應(yīng)用協(xié)議，其開(kāi)發(fā)目的在于允許資源相對(duì)有限的設(shè)備利用UDP而非TCP通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。開(kāi)發(fā)人員可以同任意支持CoAP的設(shè)備進(jìn)行交互，具體方式與采用傳統(tǒng)REST API的設(shè)備完全一致。CoAP的主要適用場(chǎng)景包括低功耗傳感器以及需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)加以控制的設(shè)備。

CoAP是一種簡(jiǎn)單的請(qǐng)求/響應(yīng)協(xié)議（與REST非常相似），且遵循傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器模式?？蛻舳丝梢悦嫦蛸Y源發(fā)出GET、PUT、POST以及DELETE等請(qǐng)求。CoAP數(shù)據(jù)包采用位字段以最大限度提升內(nèi)存利用效率，且經(jīng)常將字符串映射至整數(shù)以降低數(shù)據(jù)包在設(shè)備內(nèi)部以及網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)所占用的帶寬。除了數(shù)據(jù)包體積極度小巧之外，CoAP的另一大優(yōu)勢(shì)在于其采用UDP;數(shù)據(jù)報(bào)文使得CoAP能夠在各類(lèi)基于數(shù)據(jù)包的技術(shù)之上起效——例如短信。

所有CoAP消息皆可被標(biāo)記為“確認(rèn)”或者“未確認(rèn)”，并作為應(yīng)用層級(jí)的QoS機(jī)制。盡管SSL/TLS加密無(wú)法在UDP之上實(shí)現(xiàn)，但CoAP使用數(shù)據(jù)傳輸層安全（簡(jiǎn)稱(chēng)DTLS）作為替代——其可以算是TLS的TCP版本。默認(rèn)加密級(jí)別相當(dāng)于一條3072位的RSA密鑰。盡管包含這些強(qiáng)大的安全保障能力，CoAP仍然能夠運(yùn)行在內(nèi)存僅為10 KB的微控制器當(dāng)中。

CoAP的弊端之一在于，它屬于一對(duì)一協(xié)議。盡管我們可以通過(guò)擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)組廣播，但這種廣播能力并非原生存在。除此之外，CoAP的另一大缺陷在于不提供公共訂閱消息隊(duì)列。

MQTT

MQTT的全稱(chēng)為消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，這是一種公共訂閱消息收發(fā)協(xié)議。與CoAP類(lèi)似，它在設(shè)計(jì)當(dāng)中同樣考慮到運(yùn)行設(shè)備資源有限的狀況。MQTT采用輕量級(jí)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在最大程度節(jié)約內(nèi)存使用量及運(yùn)行功耗。聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以訂閱方式監(jiān)聽(tīng)托管在MQTT代理端的話題。每一次在其它設(shè)備或者服務(wù)向該話題發(fā)送數(shù)據(jù)，所有參與訂閱的設(shè)備都將自動(dòng)獲取到這一更新信息。

MQTT的最大優(yōu)勢(shì)在于其公共訂閱消息隊(duì)列機(jī)制以及多對(duì)多廣播能力。有了指向MQTT代理端的長(zhǎng)效TCP連接的支持，以有限帶寬進(jìn)行消息收發(fā)變得簡(jiǎn)單而輕松。

MQTT的短板在于，其始終存在的連接限制了設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)的整體時(shí)長(zhǎng)。如果相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行中多數(shù)處于休眠狀態(tài)，我們不妨優(yōu)先選擇另一種MQTT協(xié)議——MQTT-S，其利用UDP取代原始協(xié)議中的TCP。

MQTT的另一大弊端是缺少基礎(chǔ)協(xié)議層面的加密機(jī)制。MQTT被設(shè)計(jì)為一種輕量化協(xié)議，而內(nèi)置加密的方式會(huì)給傳輸連接增加很大負(fù)擔(dān)。雖然我們也能夠在應(yīng)用程序?qū)蛹?jí)添加定制化安全機(jī)制，但這可能需要進(jìn)行大量的調(diào)整工作。