物聯網導論薛燕紅

編著21世紀高等學校規劃教材機械工業出版社目錄全球定位與地理信息系統

物聯網導論

共十一章第6章

第8章

第9章

第11章

第10章第1章

第2章

第3章

第4章

第5章

物聯網概述

射頻識別與產品電子編碼

無線傳感網絡

傳感器與微機電系統

信息自動識別技術

目錄物聯網應用案例

物聯網導論

共十一章第8章

第9章

第11章

第10章第7章

第8章

第9章

第10章

第11章

互聯網與移動互聯網

物聯網應用接口技術

物聯網安全

物聯網支撐技術

9.1行業運營平臺現有業務體系面臨的問題目前，物聯網正處于過渡階段的前期，各種業務應用和管理平臺仍處于孤立和垂直的狀態，相對比較零散。比如，一個物流應用業務就必須部署一個從無線射頻標簽接入到物流信息應用系統的多層架構物聯網。而城市交通控制應用也要部署從車輛數據采集接入到交通調度應用系統這樣一套完整的業務體系。這樣的垂直業務體系雖然在安全和隱私性等方面有顯著優勢，但是各個單獨的業務之間缺乏交互，每個業務都需要重新部署與運營支撐系統的接口設備，既不利于融合業務的開發，也導致了整體資源的浪費。而且，對于單個業務而言，由于獨立的業務體系無法便捷獲取其它相關業務和環境的資源，單個業務的能力和用戶體驗都無法實現更大的提升。

9.1行業運營平臺在物聯網過渡階段的前期，運營企業將應對來自不同行業的競爭、標準的制定以及商業模式的探索等幾方面的挑戰。首先，運營商缺少整合運營的支撐平臺，行業用戶只購買SIM卡，運營商僅提供通道，造成運營商在市場中與競爭對手同質化競爭，與行業廠家競爭，缺乏優勢，收益較低。其次，行業用戶需要提供整體解決方案，但運營商目前還無法整合并主導價值鏈，很難全面滿足用戶的需求。最后，運營商缺少整合運營的支撐平臺，無法對種類繁多的行業終端、個人終端提出統一規范的接入管理規范，同時難以提供端到端的管理和服務支撐，無法實現規模化發展。因此，為避免業務平臺的重復建設以及加速行業信息的整合利用，業界普遍認為建設統一的物聯網業務運營支撐平臺成為迫切需求。在物聯網發展過程中，網絡規模不斷擴大，標準化的程度進一步加深，不同行業平臺之間實現互聯互通，從而對規模覆蓋的網絡的依賴程度加深。在物聯網發展的成熟階段，不同應用平臺利用無所不達的網絡資源進行協同處理，平臺之間的整合力度和水平化程度加強，從而使得運營商充分發揮主導作用，實現物聯網業務的規模化運營。9.1行業運營平臺國內外知名的運營企業紛紛開始嘗試建設統一的物聯網業務運營支撐平臺，包括國外Orange、Vodafone、Telenor、AT&T以及國內中國移動、中國電信等。隨著物聯網相關技術和業務的快速發展，前期提出的一些建設思路均在不同方面體現出局限性，無法全面滿足物聯網的發展需求。例如，法國Orange的M2M平臺目前沒有實現端到端的安全保障，沒有與BSS/OSS進行對接。Telonor針對每個物聯網業務仍采用獨立的網絡平臺和業務平臺，還無法實現統一管理和運營，同時缺乏對云計算能力的考慮。Vodafone通過MVNE（MobileVirtualNetworkEnabler)封裝自身能力，通過MVNO(MobileVirtualNetworkOperator)使得合作伙伴可以集中于業務的研發，但這種業務模式并不是很適合國內現狀。AT&T正準備與JasperWireless共同建立M2M商用平臺，在實現終端廠商和運營商有機結合的同時，電信運營商的產業核心地位將被減弱。在國內，中國移動和中國電信的平臺目前僅用于滿足有限的M2M業務支撐需求，雖然考慮逐步滿足物聯網的應用的接入，但規劃中仍缺少對海量計算和海量存儲的支持。可見，傳統的垂直架構業務體系無法實現對各個異構接入網的基本能力調用，缺乏一個豐富的業務開發和部署環境，與運營支撐系統之間的接口設備存在重復建設的弊端，也阻礙了物聯網對人們“智能”服務的業務需求。9.1行業運營平臺業務平臺的需求分析為了解決現有物聯網體系在單個業務的交互性及設備資源重復投資的問題，需要一種新的網絡體系架構。由于未來通信網絡演進的方向將極大地影響物聯網業務體系的發展，而下一代網絡正朝著一個扁平的綜合網絡體系演進，因此，物聯網也將適應這一發展方向。為了充分發揮物聯網的整體潛能，實現多異構基礎網絡能力的融合，提升網絡的智能服務能力，物聯網必須有一個統一的行業運營平臺，由該平臺向上層的所有應用提供服務，以便單個業務能方便調用物聯接入層各種異構網絡數據的基礎能力。1.物聯網的特征

（1）網絡基礎環境異構由于物聯接入層的網絡是由各種功能不同的節點組成，因此，每個接入網絡內部的結構和網絡能力都不盡相同。整個物聯網可看成是一個能夠提供豐富的基礎能力的異構網絡。對于用戶來說，可能會頻繁地在不同的接入網絡中遷移，同時被若干個不同接入網絡同時覆蓋。這就要求物聯網需要屏蔽各種接入網絡底層的細節，為用戶自始至終提供無縫的、一致的服務，從而做到依據環境的變化情況，為用戶提供最佳的業務體驗。可見，不同接入網絡的異構性，在物聯網整體架構中將趨于統一化。9.1行業運營平臺

（2）接入網自組織由于底層接入網絡具有自組織的特性，物聯網無需像傳統網絡一樣擁有一個全局的通信基礎設施來完成網絡控制功能。與此相對應，物聯網的業務也呈現自組織的特征，服務與提供這些服務的設備是分布式地嵌入在用戶周邊，此周邊環境支持本地用戶和業務的交互，并不存在任何中心控制基礎設施。隨著接入網絡數量的增多和規模的增大，融合的物聯網系統中，對各接入網絡節點的管理、控制、恢復、優化將不可能再以集中式處理，為了實現系統健壯性和擴展性等方面的目標，自治的接入網絡管理方法是必須的。進而，業務對接入網絡中能力的統一資源配置與重配置等處理過程也將被賦予自組織的特征。（3）產業鏈環節多元化基于物聯網的巨大潛力，用戶的需求也將日益豐富。如果單靠運營商開發業務，前景將非常有限。為了吸引和滿足更多的業務需求，運營商、設備制造商、服務/內容提供商等相關企業必須打造新型的產業鏈。為此，需要一種開放的物聯網體系結構。在這種開放的體系結構下，運營商可以將自己不具備的或較弱的業務功能外包出去，把大量的功能化業務交付給更加專業的服務/內容提供商實現。通過與服務/內容提供商聯盟，運營商不但能彌補自身資源的不足，同時還能降低業務實現的成本，方便功能化業務的集成，促使產業鏈上新環節的涌現，盤活現有的產業價值鏈，使多方互利共贏。9.1行業運營平臺（4）安全隱私物聯網中多種異構接入網的融合將出現復雜的商業關系及頻繁的接入過程，物聯網業務主要處理的是與用戶有關的數據，對個人數據信息隱私安全的保護和管理將決定用戶對物聯網業務的接受度。因此，值得信賴的身份管理以及鑒權授權非常有必要，安全、隱私、信任的重要性不言自明。

2.業務平臺的特征需求物聯網應用通常需要使用到多個異構接入網絡的基本功能，為此，物聯網的業務平臺特征需求可以歸納如下：（1）自主自治由于物聯網由數量龐大的異構接入網絡組成，任何運營商都不能夠事無巨細地管理和控制如此大量的設備。所以，物聯網的業務平臺應當具有更多的自主性，能夠最大程度地自管理、自配置、自修復，并根據環境變化自發調整自己的行為。這種自主并不意味著讓網絡完全獨立于人的干預而運行，而是指網絡能夠按照人的利益和偏好去完成自發的控制過程，從而最終實現業務的開發、部署和實施。9.1行業運營平臺（2）自適應作為一個通用的業務平臺，物聯網業務平臺將面臨更多的變化。這種變化既包括下層基礎網絡能力的變化，又包括上層應用開發需求的變化。業務平臺需要應對產業鏈的多個環節。為了延長整個業務平臺的生命周期，業務平臺內部結構需要有相應的適應環境變化的能力。

（3）智能感知為了具備足夠的智能，平臺需要具有足夠感知的能力，必須能夠感知用戶的狀態和周圍的環境，從而根據這些信息調整對業務邏輯判斷、業務調用等行為。用戶的相關信息是非常豐富的，包括物理位置、生理狀況、心理狀態、個人歷史信息、日常行為習慣等。如何獲取需要的信息是智能感知計算實現時的關鍵技術點。不同的內容來自于各種分布式的數據源，因此業務平臺需要對這些信息進行收集管理，并運用一些相關的推理決策機制對這些原始數據進行評估和分析。

（4）安全可信業務平臺所處的網絡是以多種無線網接入互聯網實現的異構集成網絡。開放的無線網絡使得惡意攻擊者能夠隨時隨地以任意方式對網絡發起攻擊。此外，這種以用戶需求為中心主動向用戶提供服務的方式，決定了平臺中必定存儲著大量的個人隱私以及保密性很強的一些信息，這樣的一些信息一旦被人惡意地加以利用或是散布都將給國家的安全和社會的穩定帶來強烈的沖擊和影響。因而，要求業務平臺提供基于認證和信任的安全機制、個人隱私的保護機制等安全可信保證。9.1行業業運運營營平平臺臺業務務平平臺臺體體系系結結構構為了了滿滿足足物物聯聯網網特特征征的的需需求求，，物物聯聯網網業業務務平平臺臺必必須須能能提提取取并并抽抽象象下下層層網網絡絡的的能能力力。。將將相相關關的的信信息息封封裝裝成成標標準準的的業業務務引引擎擎，，向向上上層層應應用用提提供供商商提提供供便便利利的的業業務務開開發發環環境境，，簡簡化化業業務務的的開開發發難難度度，，縮縮短短業業務務的的開開發發周周期期，，降降低低業業務務的的開開發發風風險險，，而而對對最最終終用用戶戶進進行行統統一一的的用用戶戶管管理理和和鑒鑒權權計計費費，，以以增增強強各各種種智智能能化化應應用用的的用用戶戶體體驗驗，，同同時時向向平平臺臺運運營營人人員員提提供供對對用用戶戶和和業業務務的的統統一一管管理理，，方方便便其其進進行行安安全全維維護護。。基于于以以上上分分析析，，可可以以得得到到新新的的物物聯聯網網行行業業運運營營平平臺臺體體系系架架構構，，見見圖圖9.1所示示。。該該平平臺臺包包括括三三大大部部分分：：業業務務接接入入和和部部署署提提供供、、業業務務管管理理支支撐撐、、業業務務平平臺臺門門戶戶。。其其中中，，業業務務接接入入和和部部署署提提供供部部分分包包括括三三個個功功能能層層：：業業務務引引擎擎層層、、業業務務適適配配層層、、業業務務部部署署層層；；業業務務管管理理支支撐撐部部分分包包括括五五個個功功能能模模塊塊：：鑒鑒權權計計費費、、用用戶戶管管理理、、SP/CP（服服務務提提供供商商、、內內容容提提供供商商））管管理理、、運運營營統統計計、、網網管管維維護護；；業業務務平平臺臺門門戶戶為為維維護護人人員員和和業業務務提提供供商商提提供供標標準準的的平平臺臺接接口口和和操操作作界界面面。。1.業務務接接入入和和部部署署提提供供該部部分分功功能能自自底底而而上上設設置置了了業業務務引引擎擎層層、、業業務務適適配配層層、、業業務務部部署署層層共共三三個個功功能能層層。。9.1行業運營平臺臺9.1行業運營平臺臺（1）業務部署層層業務引擎層負負責提取物聯聯網中接入網網絡和終端的的能力，并抽抽象成為網絡絡和平臺相關關的基本業務務能力，再將將這些基本業業務能力封裝裝成為獨立的的業務引擎向向上層提供標標準的接口，，以便進二次次開發和集成成。物聯網中中典型的業務務引擎既包括括傳統電信網網絡中的基礎礎數據業務和和語音業務，，又包括無線線傳感網絡提提供的數據采采集和位置服服務等新型業業務。（2）業務適配層層業務適配層根根據用戶的特特征（包括所所處環境的狀狀況以及變化化趨勢、用戶戶的個性化設設置以及用戶戶偏好信息））對業務的內內容、提供方方式以及展現現形式進行智智能和動態自自適應的改變變，以匹配用用戶在特定時時間、特定地地點、特定場場合、特定身身份下的個性性化需求。為為此，本層由由多種智能的的控制和決策策的能力模塊塊組成，如數數據融合、上上下文感知、、服務質量（（QoS）管理等。通通過這些能力力模塊，業務務平臺可以對對用戶的環境境信息進行動動態的收集、、有選擇的提提煉、智能的的分析和實時時的反饋，提提升單個業務務的用戶體驗驗。（3）業務部署層層業務部署層基基于部署工具具和部署機制制，負責建立立業務原型、、部署業務。。為應用提供供商的業務軟軟件或業務邏邏輯分配基礎礎能力引擎資資源，確保用用戶能夠最大大限度的享受受具體業務提提供的服務，，同時提供資資源管理來幫幫助運營商管管理分布式網網絡上已部署署的各種業務務。9.1行業運營平臺臺2.業務管理支撐撐業務管理支撐撐部分為整個個業務平臺的的正常運轉提提供管理和運運行維護能力力。向最終用用戶提供業務務運營和認證證計費管理；；向應用提供供商提供業務務統計管理；；向第三方運運營支持系統統/商業支持系統統（OSS/BSS）提供開放接接口和功能劃劃分，以實現現不同系統的的整合，避免免了重復建設設。3.業務平臺門戶戶業務平臺門戶戶是整個平臺臺面向應用層層和物聯網運運營商的唯一一界面。為應應用提供商提提供業務信息息查看和部署署操作界面，，為平臺維護護人員提供操操作維護界面面。物聯網業務平平臺有效的改改變了傳統網網絡垂直架構構模式，使得得應用層可以以便捷的調用用各種異構網網絡的業務能能力，使得業業務提供方式式更加智能，，業務生成方方式更加多樣樣，業務對底底層網絡變化化更加自適應應。同時，便便于應用提供供商基于異構構網絡提供的的基本業務能能力來完成各各項業務的運運行、維護以以及管理。業務平臺應該該能向應用提提供商提供標標準業務引擎擎和統一的業業務開發部署署環境，并能能與傳統的物物聯網體系有有機融合，為為各種智能化化業務的開發發提供基本功功能支持，同同時向物聯網網運營者提供供對用戶和業業務的統一管管理，有利于于物聯網的扁扁平化架構演演進，并最終終成長為一個個以用戶為中中心的智能服服務系統。9.2物聯網網絡管管理技術由于物聯網自自身的特點，，使得其與傳傳統的網絡管管理有所不同同。電信網和和互聯網的網網絡管理的五五大功能，在在物聯網時代代已經感到滯滯后而難以適適應。物聯網網的網絡管理理是一個新的的挑戰，迄今今為止專門針針對物聯網網網絡管理的研研究較少。因因此，本節內內容包括了物物聯網網絡管管理和相關領領域同行們的的研究成果。。物聯網的網絡絡結構及其特特點物聯網是互聯聯網的延伸和和發展，是一一種將傳感器器網絡接入到到互聯網的網網絡結構。傳傳感器網絡作作為末端的信信息感知和傳傳輸網絡，是是一種可以快快速建立，不不需要預先存存在固定的網網絡底層構（（infrastructure）的網絡體系系結構。物聯聯網，特別是是傳感網中的的節點可以動動態、頻繁地地加入或者離離開網絡，不不需要事先通通知，也不會會中斷其他節節點間的通信信。網絡中的的節點可以高高速移動，從從而使節點群群快速變化，，節點間的鏈鏈路通斷變化化頻繁。傳感感器網絡這些些使用上的特特點，導致物物聯網或者是是傳感網具有有如下幾個特特點:9.2物聯網網絡管管理技術1.網絡拓撲變化化快這是因為傳感感器網絡密布布需要拾取信信息的環境之之中，獨立工工作。因為傳傳感器數量大大，設計壽命命的期望值長長，結構簡單單。但是實際際上傳感器的的壽命受環境境的影響較大大，失效是常常事。傳感器器的失效，往往往造成傳感感器網絡拓撲撲的變化。這這一點特別在在復雜和多級級的物聯網系系統中表現突突出。2.傳感器網絡難難以形成網絡絡的節點和中中心傳感器網的設設計和操作與與其他傳統的的無線網絡不不同，它基本本沒有一個固固定的中心實實體。在標準準的蜂窩無線線網中，正是是靠這些中心心實體來實現現協調功能，，而傳感器網網絡則必須靠靠分布算法來來實現。因此此，傳統的基基于集中的HLR和VLR的移移動動管管理理算算法法，，以以及及基基于于基基站站和和MSC的媒媒體體接接入入控控制制算算法法，，在在這這里里都都不不再再適適用用。。9.2物聯聯網網網網絡絡管管理理技技術術3.傳感感器器網網絡絡的的作作用用距距離離一一般般比比較較短短傳感感器器網網絡絡其其自自身身的的通通信信距距離離一一般般在在幾幾米米、、幾幾十十米米的的范范圍圍。。例例如如射射頻頻電電子子標標簽簽RFID中的的非非接接觸觸式式IC卡，，閱閱讀讀器器和和應應答答器器之之間間的的作作用用距距離離，，密密耦耦合合的的工工作作環環境境是是二二者者貼貼近近，，近近耦耦合合的的工工作作距距離離一一般般小小于于10mm，疏疏耦耦合合的的工工作作距距離離也也就就在在50mm左右右。。有有源源的的RFID，例例如如電電子子自自動動交交費費系系統統ETC，其其工工作作距距離離在在一一至至數數米米的的范范圍圍。。4.傳感感器器網網絡絡數數據據的的數數量量不不大大物聯聯網網中中，，傳傳感感器器網網絡絡是是前前列列的的信信息息采采集集器器件件或或者者設設備備。。由由于于其其工工作作特特點點，，一一般般是是定定時時、、定定點點、、定定量量的的采采集集數數據據并并且且完完成成向向上上一一級級節節點點傳傳輸輸。。這這一一點點與與互互聯聯網網的的工工作作情情況況有有很很大大的的差差距距。。5.物聯聯網網網網絡絡對對數數據據的的安安全全性性有有一一定定的的要要求求這是是因因為為物物聯聯網網工工作作時時一一般般少少有有人人介介入入，，完完全全依依賴賴網網絡絡自自動動采采集集數數據據和和傳傳輸輸、、存存儲儲數數據據，，分分析析數數據據并并且且報報告告結結果果和和應應該該采采取取的的措措施施。。如如果果發發生生數數據據的的錯錯誤誤，，必必然然引引起起系系統統的的錯錯誤誤決決策策和和行行動動。。這這一一點點與與互互聯聯網網并并不不一一樣樣。。互互聯聯網網由由于于使使用用者者具具有有相相當當的的智智能能和和判判斷斷能能力力，，所所以以在在發發生生網網絡絡和和數數據據的的安安全全性性受受到到攻攻擊擊時時，，往往往往可可以以主主動動采采取取措措施施。。9.2物聯網網網絡管理理技術6.網絡終端端之間的的關聯性性較低網絡終端端之間的的關聯性性較低，，使得節節點之間間的信息息傳輸很很少，終終端之間間的獨立立性較大大。通常常，物聯聯網的傳傳感和控控制終端端工作時時通過網網絡設備備或者上上一級節節點傳輸輸信息，，所以，，傳感器器之間信信息相關關性不大大，相對對比較獨獨立。9.網絡地址址的短缺缺性導致致網絡管管理的復復雜性眾所周知知，物聯聯網的各各個傳感感器都應應該獲得得唯一的的地址，，才能正正常的工工作。但但是，恰恰恰是IPv4的地址數數量即將將用完，，連互聯聯網上面面的地址址也已經經非常緊緊張，即即將分配配完畢。。而物聯聯網這樣樣大量使使用傳感感器節點點的網絡絡，對于于地址的的尋求就就更加迫迫切。雖雖然IPv6就是從這這一點出出發來考考慮的，，但是由由于IPv6的部署需需要考慮慮到與IPv4的兼容，，而巨大大的投資資并不能能立即帶帶來市場場的巨大大商機。。所以營營運商對對于IPv6的部署一一直是小小心謹慎慎。目前前還是傾傾向于采采取內部部的浮動動地址加加以解決決，這樣樣更加增增加了物物聯網管管理技術術的復雜雜性。9.2物聯網網網絡管理理技術物聯網網網絡管理理的內容容和管理理模型國際電聯聯與ISO（國際標標準化組組織）合合作公布布了網絡絡管理的的文件X.700，對應的的ISO文件為ISO7498。對于網網絡管理理，該標標準提出出了系統統管理的的五個功功能域，，分別為為故障管管理、配配置管理理、計費費管理、、性能管管理和安安全管理理。在一一般情況況下，這這五個功功能域基基本上涵涵蓋了網網絡管理理的內容容，目前前的通信信網絡、、計算機機網絡基基本上都都是按照照這五個個功能域域進行管管理的。。9.2物聯網網網絡管理理技術1.物聯網網網絡管理理的內容容但是，無無論對于于物聯網網的接入入部分，，即傳感感器網絡絡，還是是對于物物聯網的的主干網網絡部分分，這五五個功能能域顯然然已經不不能全部部反映網網絡管理理的實際際情況了了。這是是因為物物聯網的的傳感器器網絡有有許多不不同于通通信網絡絡和互聯聯網網絡絡的地方方。例如如，物聯聯網的接接入節點點數量極極大，網網絡結構構形式多多異，節節點的生生效和失失效頻繁繁，核心心節點的的產生和和調整往往往會改改變物聯聯網的拓拓撲結構構。另外外，物聯聯網的主主干網絡絡在各種種形式的的網絡結結構中也也有許多多新的特特點。這這些不同同導致傳傳統的五五個功能能域已經經不能全全部反映映傳感器器網絡和和物聯網網網絡的的性能和和工作情情況了。。因為物物聯網和和傳感器器網絡的的許多新新的問題題，不僅僅以上的的功能域域不能完完成管理理的任務務，甚至至連物聯聯網和傳傳感器網網絡的覆覆蓋都有有許多新新的情況況需要加加以解決決。這些些問題我我們可以以從物聯聯網和傳傳感器網網絡的特特點加以以分析。。9.2物聯網網網絡絡管理理技術術根據物物聯網網網絡絡管理理的需需要，，物聯聯網網網絡管管理的的內容容，除除普通通的互互聯網網和電電信網網絡網網絡管管理的的五個個方面面以外外，還還應該該包括括以下下幾個個方面面：傳傳感器器網絡絡中節節點的的生存存、工工作管管理（（包括括電源源工作作情況況等等等）；；傳感感網的的自組組織特特性和和傳感感網的的信息息傳輸輸；傳傳感網網拓撲撲變化化及其其管理理；自自組織織網絡絡的多多跳和和分級級管理理；自自組織織網絡絡的業業務管管理等等。物物聯網網網絡絡管理理的基基本內內容劃劃分和和功能能域見見圖9.2。9.2物聯網網網絡絡管理理技術術9.2物聯網網網絡絡管理理技術術2.物聯網網網絡絡管理理的模模型對于物物聯網網網絡絡管理理的模模型，，可以以從以以下四四個方方面來來進行行研究究。（1）分布布式物物聯網網網絡絡管理理模型型的研研究該網絡絡管理理模型型由網網管服服務器器（networkman2agementsystem，NMS）、分分布式式網絡絡代理理（distributednetworkagent，DNA)和網管管設備備組成成的，，其中中DNA是基于于自組組織的的網絡絡監測測、管管理和和控制制系統統的基基本單單元，，具有有網絡絡性能能監測測與控控制、、安全全接入入與認認證管管理、、業務務分類類與計計費管管理等等功能能，監監測并并管理理各DNA中的網網絡管管理元元素。。DNA之間是是以自自組織織的方方式形形成管管理網網絡，，按研研究制制定的的通信信機制制進行行通信信，在在數據據庫級級別上上共享享網管管信息息。各各DNA定時或或在網網絡管管理服服務器器發送送請求求時，，傳遞遞相關關的統統計信信息給給網管管服務務器。。這樣樣，大大大減減輕了了網管管服務務器的的處理理負荷荷，也也大大大減少少了管管理信信息通通信量量。此此外，，即使使管理理站臨臨時失失效，，也不不影響響DNA的管理理，只只是延延緩了了相互互之間間的通通信。。用戶戶還可可通過過圖形形化用用戶接接口進進行配配置管管理功功能模模塊，，提高高用戶戶可感感知的的QoS。9.2物聯網網網絡絡管理理技術術為實現現物聯聯網網網絡監監測、、管理理與控控制的的模型型，須須研究究適合合DNA之間交換信信息的通信信機制，研研究適合于于DNA網絡的拓撲撲結構、路路由機制、、節點定位位搜索機制制、節點加加入離開機機制，研究究鄰居節點點的發現機機制、相應應的安全和和信任機制制，研究網網絡的穩定定性、恢復復彈性和容容錯能力，，以實現分分布式管理理系統對于于DNA網絡動態變變化的適應應能力和魯魯棒性。自自組織的DNA通信網絡平平臺要監控控網絡間的的通信控制制和信息傳傳輸，協調調網絡通信信，保證網網間數據的的可靠安全全。除了研研究與對等等DNA之間的通信信模塊的設設計和實現現，同時研研究DNA與網管服務務器、用戶戶以及與內內部功能模模塊的接口口。這些機機制和結構構之間的關關系如圖9.3所示。9.2物聯網網絡絡管理技術術9.2物聯網網絡絡管理技術術（2）DNA功能模型的的設計及原原型實現的的研究DNA是物聯網網網絡監測、、管理和控控制系統的的核心，是是其所在管管理群內唯唯一授權的的管理者。。根據網管管服務器和和用戶的請請求策略配配置服務功功能，采用用輪詢機制制，對群內內各設備進進行特定數數據采集、、提取、過過濾分析，，監控網絡絡的運行狀狀態，感知知群內節點點的動態，，維護本地地數據庫，，獨立地完完成對本群群的管理工工作，能夠夠實現有效效的業務分分類，并按按業務特點點進行流量量控制與整整形，以及及合理計費費等管理功功能，并且且維護一個個本地的MIB。各DNA應能動態地地發現其他他DNA，在數據庫庫級別上共共享網管信信息，并且且并能實現現相互間消消息發送和和傳遞，完完成彼此之之間的定位位和通信。。同時還要要負責維護護物聯網管管理網絡的的正常運行行，實時維維護DNA節點及備用用節點的創創建或選擇擇、移動、、退出及網網絡重構。。最后能夠夠實現與用用戶和NMS的交互和管管理策略的的制定。除除了研究DNA應具備的功功能，形成成功能模型型外，研究究并實現DNA結構原型系系統。9.2物聯網網絡絡管理技術術（3）DNA中性能監測測和QoS控制功能模模型與實現現的研究為了評估網網絡的服務務質量以及及動態效率率從而為網網絡結構調調整優化提提供參考依依據，物聯聯網網絡監監測與控制制系統的基基本功能是是連續地收收集網絡中中的資源利利用、業務務傳輸及網網絡效率相相關參數，，如收集網網絡路由、、網絡流量量、網絡拓拓撲和業務務傳輸的各各測度進行行分析匯聚聚和統計，，形成匯聚聚報告，同同時根據用用戶和NMS的性能監測測管理要求求執行監測測配置并按按此配置進進行監測控控制，實現現統計運算算、門限告告警、監測測報告并根根據監測管管理策略設設置監測參參數。研究究物聯網網網絡的拓撲撲發現，對對于不同拓拓撲結構的的物聯網網網絡，由于于其搜索算算法、網絡絡形成機制制、節點加加入/離開機制、、網絡波動動程度、網網絡結構(有分級的和和平坦的體體系結構形形式)等都不盡相相同，所以以必須按照照實際網絡絡特性制定定不同的拓拓撲發現策策略和測量量方法，實實現拓撲測測量。9.2物聯網網絡絡管理技術術（4）物聯網網網絡安全接接入與認證證研究由于物聯網網網絡的分分散式體系系結構、動動態路由和和拓撲特性性，傳統的的接入認證證、密鑰分分發和協商商機制很難難應用，因因此必須建建立物聯網網訪問控制制模型和認認證體系。。傳統的訪訪問控制策策略主要有有自主訪問問控制(DAC)、強制訪問問控制(MAC)和基于角色色的訪問控控制(RBAC)策略。然而而由于物聯聯網網絡環環境的特殊殊性，在此此環境下，，節點之間間均無法確確認彼此身身份。另外外，由于用用戶出于自自身考慮，，一般不愿愿意把自己己的相關信信息提供給給對方，雖雖可采用匿匿名等方法法來實現這這種目的，，但卻增加加了訪問控控制的難度度。此外，，在物聯網網網絡環境境下大量用用戶頻繁進進出網絡，，使得網絡絡的拓撲頻頻繁變化，，也給訪問問控制帶來來復雜性。。建立物聯網網網絡的訪訪問控制策策略，首先先要建立物物聯網網絡絡的信任管管理模型，，在信任模模型的基礎礎上給每個個節點給出出信任權重重和可靠度度，然后在在這個基礎礎上應用相相應的訪問問控制策略略。如何建建立信任模模型，這與與網絡的環環境密切相相關，主要要是物聯網網網絡的節節點可用性性、數據源源的真實性性、節點的的匿名性和和訪問控制制等方面的的問題。9.2物聯網網絡絡管理技術術物聯網網絡絡管理協議議和應用總的說來，，物聯網的的網絡管理理協議還是是在TCP/IP協議之下的的管理。但但是也有許許多新的特特色。例如如，如果物物聯網的節節點處于運運動之中，，則網絡管管理需要適適應被管理理對象的移移動性。這這一方面，，目前使用用的移動自自組網絡MANET(mobileAd2hocnetwork，MANET)可以給我們們一些借鑒鑒。MANET與無線固定定網絡的不不同點在于于，MANET的拓撲結構構可以快速速變化。MANET節點的運動動方式會根根據承載體體的不同有有明顯差異異，包括運運動速度、、運動方向向、加速或或減速、運運動路徑、、活動高度度等。由于拓撲的的快速變化化，網絡信信息（如路路由表）壽壽命可能很很短，必須須不斷更新新。為了反反映當前網網絡狀況，，節點間不不得不頻繁繁交換控制制信息。而而信息的有有效時間又又很短，部部分信息甚甚至從未使使用就已經經被丟棄，，這使網絡絡的有限帶帶寬資源浪浪費在信息息更新之上上。如何節節省信息交交換,對網絡管理理提出了新新的問題目目前國內外外在與物聯聯網相近的的網絡領域域已經有不不少研究，，并且取得得了一些積積極的成果果。9.2物聯網網絡絡管理技術術從網絡的工工作形態來來看，物聯聯網技術與與MANET更加接近。。因此這些些網絡的網網絡管理技技術有可能能率先移植植進入物聯聯網領域。。MANET等網絡的網網絡管理特特點和相應應的網管要要求主要體體現在以下下幾個方面面。（1）拓撲結構構變化頻繁繁。（2）低可靠性性、電池容容量有限。。（3）移動設備備的多樣性性。（4）安全性。。由于Adhoc網絡中節點點地位的對對等性以及及有限的節節點能力，，集中式網網絡管理不不能適應其其實際管理理的需要，，所以目前前Adhoc網絡管理方方案以分布布式網絡管管理為主，，大致可以以分為基于于位置管理理的方案、、基于移動動性感知的的管理方案案以及基于于代理和策策略驅動的的管理方案案等三類。。9.2物聯網網絡絡管理技術術1.基于位置置管理的的方案（1）CAANM方案CAANM(clusteringalgorithmappliedtothenet2workmanagement)方案是FengYongxin等人提出出的一種種基于位位置管理理的方案案，基于于SNMP（simplenetworkmanagementprotocol），采用用同ANMP（Adhocnetworkmanagementprotocol）類似的的結構，，不同之之處主要要體現在在管理者者可以直直接與代代理以及及簇頭間間進行信信息交互互。CAANM方案還對對ANMP的MIB（管理信信息數據據庫）做做了一些些改進。。（2）MUQS方案MUQS（managementwithuniformquorumsystem)方案是由由Haas等人提出出的另一一種基于于位置管管理的方方案，在在邏輯上上使用了了兩級結結構，將將網絡中中的節點點分為骨骨干節點點和非骨骨干節點點。這個個兩級結結構僅用用于移動動性管理理，路由由協議仍仍在整個個平面進進行，即即多跳路路由可以以跨越骨骨干節點點和非骨骨干節點點。9.2物聯網網網絡管理理技術（3）DLM方案DLM（distributedlocationmanagement)方案是由由Yuan.Xue等人提出出的一種種分布式式位置管管理方案案，使用用的是一一種格狀狀的分級級尋址模模型，不不同級別別的位置置服務器器攜帶不不同級別別的位置置信息，，當節點點移動時時，只有有很少一一部分位位置服務務器需要要更新。。在DLM中每個節節點具有有惟一的的ID，并能通通過GPS獲知自身身的位置置。在每每個節點點傳輸范范圍相同同的情況況下，DLM要求網絡絡最小分分區的對對角線長長度要小小于節點點的傳輸輸范圍。。與DLM方案類似似的還有有SLALoM方案等。。2.基于移動動性感知知的管理理方案（1）LFLM方案LFLM（locallyforwardinglocationmanagement）方案是是由Liang.Wang等人提出出的一種種能感知知節點運運動的管管理方案案。在LFLM中使用了了一種混混合的網網絡結構構，總體體上分為為兩級，，第一級級是由網網絡中的的節點構構成組，，每個組組具有組組頭（類類似于簇簇和簇頭頭）。然然后由這這些組頭頭組成第第二級，，采用第第一級中中組的構構成方法法，在第第二級中中又形成成隊。LFLM是對傳統統分級網網絡中基基于指針針的位置置管理方方案的一一種改進進。9.2物聯網網網絡管理理技術（2）GMM方案GMM（groupmobilitymanagement）方案是是一種基基于節點點組移動動性的管管理方案案，通過過觀察節節點群組組的運動動參數如如距離、、速度以以及網絡絡分裂的的加速度度等來預預測網絡絡的分裂裂。GMM的運動模模型比較較準確，，主要是是采用了了組運動動加速度度這個參參數，從從而提高高了對節節點運動動速度的的估計準準確度，，同時也也提高了了對網絡絡分裂和和融合預預測的準準確性。。（3）PBCA方案PBCA（prediction2basedclusteringapproach）方案采采用了移移動性預預測的管管理方法法虛擬簇簇、移動動預測模模型、分分簇算法法和協議議以及管管理結構構主要有有虛擬簇簇、移動動預測模模型、分分簇算法法和協議議以及管管理結構構等四個個方面的的內客。。9.2物聯網網網絡管理理技術3.基于代理理和策略略驅動的的管理方方案（1）GMA方案GMA（guerrillamanagementarchitecture)方案是由由Chien2Chung.Shen等人提出出的一種種基于策策略的管管理方案案。GMA中能力較較高的節節點成為為管理節節點，承承擔智能能化的管管理任務務，GMA采用兩級級結構。。管理者者（supervisor）進行策策略的控控制和分分配，游游牧式管管理節點點（nomadicmanager）通過相互協協同完成整個個網絡管理。。（2）PBNM方案PBNM（policy2basednetworkmanagement)方案是基于策策略管理的方方案，對標準準的公共開放放策略服務(COPS)進行了擴展，，包括k2hop分簇、動態服服務冗余、策策略協商和自自動服務發現現四個部分。。9.2物聯網網絡管管理技術在三類管理方方案中，基于于位置管理的的方案最為簡簡單，管理性性能與節點的的分布情況以以及管理節點點的能力相關關，適用于節節點移動性較較低的網絡。。但隨著網絡絡節點移動性性的增加，管管理開銷上升升較快，同時時管理效率迅迅速下降。基基于移動性感感知的管理方方案相對基于于位置管理的的方案而言，，由于要完成成移動性感知知，對節點處處理能力要求求相對要高一一些，同時由由于移動性的的計算將會增增加能量的消消耗。基于移移動性感知的的管理方案通通過感知節點點移動性，可可降低管理開開銷，獲得較較好的管理性性能，但需要要指出的是，，一旦網絡中中節點的群組組運動特征不不明顯時，基基于移動性感感知的管理方方案同基于位位置管理的方方案相比，并并沒有什么優優勢。基于移移動性感知的的管理方案方方案有較好的的適用性，因因為在實際的的網絡中節點點的運動行為為往往不是孤孤立出現的，，通常具有一一定的群組運運動特性。基基于代理和策策略驅動的管管理方案是適適用范圍最廣廣的方案，方方案設計的復復雜度和難度度最大。從某某種意義上講講，基于位置置管理的方案案和基于移動動性感知的管管理方案只是是基于代理和和策略驅動的的管理的某些些特例，但基基于代理和策策略驅動的管管理卻與基于于位置管理的的方案和基于于移動性感知知的管理方案案有明顯的區區別。基于代代理和策略驅驅動的管理注注重管理策略略如何交互，，而基于位置置管理的方案案和基于移動動性感知的管管理方案更多多的是注重管管理策略的具具體實現。基基于代理和策策略驅動的管管理的應用范范圍較廣，由由于其策略代代理具有復制制和遷移等特特性，使其能能適應網絡的的動態變化，，具有較高的的管理效率。。9.2物聯網網絡管管理技術總的來說，針針對MANET網絡管理需求求，重點研究究其中的幾個個問題，旨在在提供一體化化的管理機制制，解決共享享性、自治性性等一系列問問題，對系統統資源、資源源配置、性能能、故障、安安全、通信等等進行統一的的管理和維護護，以保障網網絡系統安全全、穩定、可可靠、高效的的運行。物聯聯網網絡管理理的內容比MANET更為復雜，但但可以借鑒它它的管理形式式，豐富其管管理內容，擴擴大其適用范范圍。9.3專家系統專家系統是一一個含有大量量的某個領域域專家水平的的知識與經驗驗，能夠利用用人類專家的的知識和經驗驗來處理該領領域問題的智智能計算機系系統。專家系系統處于應用用接口層，為為用戶的各種種應用提供““智慧”。專家系統的基基本概念專家系統是人人工智能研究究與應用中的的重要分支。。一方面，專專家系統是知知識表達、知知識推理、知知識獲取技術術的應用對象象；另一方面面，專家系統統也是研究知知識表達、知知識推理、知知識獲取技術術的試驗環境境。專家系統統也稱為知識識庫專家系統統，是基于知知識庫的知識識利用系統，，是人工智能能的應用工程程——“知識工程”的的典型代表。。專家系統是是知識信息處處理的系統，，是新一代計計算機——第五代計算機機的技術基礎礎，是第二次次計算機技術術革命，從數數值信息處理理轉向非數值值（知識）信信息處理，具具有新的轉折折意義的里程程碑。9.3專家系統1.專家系統的定定義目前，對專家家系統尚無一一個公認的定定義。比較一一致的定義是是：專家系統統是一個在某某特定領域內內，用人類專專家水平去解解決該領域中中難以用精確確數學模型表表示的困難問問題的計算機機程序。人類專家之所所以能成為求求解某領域問問題的專家，，其關鍵在于于他掌握了求求解有關領域域問題的大量量的專門知識識。這些知識識一部分是書書本知識，但但主要是在長長期實踐中逐逐漸積累起來來的經驗性知知識。因此專專家系統的基基本思想是讓讓計算機能夠夠存貯某一領領域的專門知知識，并能像像專家那樣有有效地利用這這些知識去解解決該領域的的復雜問題。。2.專家系統的特特點（1）啟發性通常人們把具具有嚴謹理論論依據的專門門知識稱為邏邏輯性知識，，而把沒有嚴嚴謹理論依據據、主要來源源于專家經驗驗的知識稱為為啟發性知識識。啟發性知知識很難保證證在各種情況況下是普遍正正確的，但在在一定條件下下用來解決問問題往往能有有效地簡化問問題或快速求求得問題的解解。使用啟發發性知識處理理問題是人類類推理的特征征之一。人類類專家的技能能主要來源于于啟發性知識識，因此，專專家系統要達達到人類專家家處理問題的的水平就必須須能夠存儲和和利用啟發性性知識，像專專家那樣，通通過推理和判判斷來求解問問題，專家系系統的這個特特點稱為啟發發性。9.3專家系統（2）透明性專門知識大都都是人類專家家在實踐中積積累起來的啟啟發性知識，，通常只有專專家本人掌握握。為了使用用戶對求得的的結果放心，，專家系統必必須具有向用用戶解釋推理理過程、回答答用戶提問的的解釋功能，，使它對用戶戶是透明的。。（3）靈活性要把專家頭腦腦中的經驗知知識全部而明明確地表示出出來不是一件件容易的事，，而要反復多多次，不斷擴擴充才能達到到。況且這些些啟發性知識識往往是有針針對性的，在在特定情況下下才是正確的的，情況變化化后也要隨之之而變化。這這就要求專家家系統具有靈靈活性，系統統中的知識要要便于修改、、擴充。3.專家系統的結結構專家系統的結結構是指專家家系統各組成成部分的構造造方法和組織織形式。系統統結構選擇恰恰當與否，是是與專家系統統的適用性和和有效性密切切相關的。選選擇什么結構構最為恰當，，要根據系統統的應用環境境和所執行任任務的特點而而定。目前對對于專家系統統的結構尚沒沒有完全一致致的看法。9.3專家系統（1）基本結構實用專家系統統的基本結構構如圖9.4所示，由知識識庫、數據庫庫、推理機、、知識獲取、、咨詢解釋和和人機接口等等6部分組成，其其中知識庫和和推理機是核核心部分。●知識庫：用用于存放系統統求解問題所所需要的領域域專門知識。。●數據庫：用用于存放原始始數據和推理理過程中得到到的各種中間間信息。●推理機：是是用來控制、、協調整個專專家系統工作作的一組程序序。●知識獲取：：為知識庫的的建立、修改改和擴充提供供手段。●咨詢解釋：：負責對推理理出的結果做做出必要的解解釋。●人機接口：：為用戶提供供直觀方便的的人機交互手手段。9.3專家系統（2）理想結構專家系統的理理想結構如圖圖9.5所示。9.3專家系統●語言處理程程序：負責用用戶與系統之之間的信息交交流和轉換。。分析用戶輸入入的信息，并并將其轉換為為系統內部表表示的形式；；回答用戶提提出的問題；；將系統內部部存儲的信息息轉換成用戶戶易于理解的的形式，顯示示給用戶等。。●黑板：用于于記錄系統在在求解問題過過程中所產生生的中間假設設和結果。它是溝通系統統中各個部件件的工作區，，黑板中記錄錄著三種信息息：解題規劃劃、記事簿和和中間結果。。●解釋程序：：向用戶解釋釋系統的行為為。回答用戶提出出的“為什么么獲得某些結結論”和“為為什么不選擇擇另一種可能能”等問題。。它應能從黑黑板中找出對對回答用戶的的問題有意義義的信息。此此外，解釋程程序還應該能能夠回答用戶戶提出的一些些關于系統自自身的問題，，如系統求解解某種問題的的能力如何、、系統如何組組織與管理其其自身知識等等等。●調度程序（（調度器）：：管理、控制制記事簿，決決定下一步做做哪個工作。。在調度程序中中可以利用一一些策略性知知識，指導對對記事簿中各各個項目的調調度。因此，，調度程序應應根據解題計計劃和其它信信息排定各個個項目的優先先級，這通常常要估計規則則應用的效果果。9.3專家系統●執行程序（（執行器）：：完成調度程程序從記事簿簿上選出的待待執行項目。。通常情況下，，執行程序檢檢驗所用規則則的條件部分分，把條件中中的變量約束束到黑板中的的特定中間結結果上，并把把規則所預言言的變化記錄錄到黑板中。。●一致性處理理程序（協調調器）：保持持系統所得出出結果的前后后一致性。當黑板的結果果部分表示假假設的判斷，，并且推得一一些新數據時時，維護一致致性工作可以以采用可能性性修正；當結結果部分表示示邏輯結論和和它們的真值值關系時，一一致性處理程程序可能實現現的是真值維維護過程。多多數專家系統統使用某種數數值調整方案案決定每種潛潛在的結果的的可信程度。。這種方法試試圖確保可以以得出可能的的結論，同時時又避免不一一致的結論。。至今還沒有一一個專家系統統的結構包括括圖中所有部部分，而只是是根據其任務務和特點由其其中的幾個部部分組成。9.3專家系統4.專家系統與傳傳統程序的區區別傳統的程序設設計方法可表表示為：數據據＋算法＝程程序。專家系統程序序設計方法可可表示為：知知識＋推理＝＝程序。盡管其形式相相似而且均是是用計算機軟軟件求解問題題，但實質上上是不同的。。前者按人事事先指定的步步驟求解問題題（即指定它它做什么），，后者解題的的步驟由程序序自己（即推推理）決定（（即由它自己己決定做什么么）。傳統程序對于于一個待解決決的問題，首首先要根據它它的內在規律律，建立一個個數學和物理理模型，然后后用數值仿真真的方法，以以算法的形式式將數值信息息安排在計算算機中，使機機器按數學模模型規定的步步驟完成數據據的處理和計計算。解題的的全部知識隱隱含在整個程程序中，因而而不易實現解解釋功能。專家系統對待待解決的問題題的內在規律律往往不能只只用數學模型型來表示，許許多地方還必必須用專門的的經驗知識（（又稱啟發性性知識）來表表示。這些經經驗知識是以以規則符號、、形式語言或或網絡圖等形形式表示的。。因此計算機機處理的信息息還必須有字字符信息，而而不全是數值值信息。問題題求解的過程程不是按預先先確定的步驟驟進行，而是是根據環境、、條件及要達達到的目的，，在控制策略略指導下，通通過推理搜索索而尋找問題題解答的過程程。在理想的的專家系統中中，由于知識識庫和推理機機是互相獨立立的，因此知知識和推理是是分開的。這這樣，不僅易易于實現解釋釋功能，而且且因為在修改改知識時只涉涉及到知識庫庫，不會影響響程序，使增增減知識也很很方便。9.3專家系系統專家系系統和和傳統統的程程序在在程序序設計計方面面各有有特點點，其其差別別大致致歸納納如表表9.1所示。。9.3專家系系統5.專家系系統的的分類類專家系系統可可按應應用領領域、、知識識表示示技術術、處處理問問題的的特征征和難難度、、用途途性質質等分分類。。（1）按應應用領領域可可分為為：醫療專專家系系統、、化學學專家家系統統、地地質專專家系系統等等。（2）按知知識表表示技技術可可分為為：基于邏邏輯的的專家家系統統、基基于規規則的的專家家系統統、基基于框框架的的專家家系統統等。。（3）按控控制策策略可可分為為：正向推推理專專家系系統、、反向向推理理專家家系統統、混混合推推理專專家系系統等等。（4）按用用途性性質可可分為為：解釋型型專家家系統統、診診斷型型專家家系統統、預預測型型專家家系統統、規規劃型型專家家系統統、設設計型型專家家系統統、監監測型型專家家系統統、教教育型型專家家系統統、決決策型型專家家系統統、控控制型型專家家系統統、咨咨詢型型專家家系統統、調調試型型專家家系統統、修修理型型專家家系統統等。。9.3專家系系統6.專家系系統的的優點點專家系系統的的優點點包括括八個個方面面：（1）專家系系統能能夠高高效、、準確確、周周到、、迅速速和不不知疲疲倦地地進行行工作作。（2）專家系系統解解決實實際問問題時時不受受周圍圍環境境的影影響，，也不不可能能遺漏漏忘記記。（3）專家系系統可可以使使專家家的專專長不不受時時間和和空間間的限限制，，以便便推廣廣珍貴貴和稀稀缺的的專家家知識識與經經驗。。（4）專家系系統能能促進進各領領域的的發展展，它它使各各領域域專家家的專專業知知識和和經驗驗得到到總結結和精精煉，，能夠夠廣泛泛有力力地傳傳播專專家的的知識識、經經驗和和能力力。（5）專家系系統能能匯集集多領領域專專家的的知識識和經經驗以以及他他們協協作解解決重重大問問題的的能力力，它它擁有有更淵淵博的的知識識、更更豐富富的經經驗和和更強強的工工作能能力。。（6）軍事專專家系系統的的水平平是一一個國國家國國防現現代化化的重重要標標志之之一。。（7）專家系系統的的研制制和應應用，，具有有巨大大的經經濟效效益和和社會會效益益。（8）研究專專家系系統能能夠促促進整整個科科學技技術的的發展展。9.3專家系系統9.專家系系統存存在的的問題題目前，，雖然然專家家系統統的研研制和和應用用已取取得了了重大大進展展，但但是還還存在在許多多有待待解決決的問問題，，如：：（1）知識識獲取取難。。通常專專家系系統的的知識識獲取取主要要依靠靠人工工移植植，由由知識識工程程師將將領域域專家家的知知識移移植到到計算算機中中，這這是間間接的的、費費時的的、效效率不不高的的，是是目前前專家家系統統設