物联网架构全解析：从基础三层到六域架构

# 物联网架构全解析：从基础三层到六域架构 ## 1. 物联网基础三层架构之处理层 物联网的基础三层架构中，处理层有时也被称为应用层，因为它为不同应用提供服务和数据。处理层通常由云计算平台实现，涵盖平台基础设施（如硬件、软件、操作系统、Hadoop）、计算服务（如虚拟化服务、网络即服务、软件即服务、安全即服务）以及数据库服务（如MySql、NoSQL）。 处理层负责管理终端用户访问相关数据、获取所需服务（包括数据服务和计算服务），并与各种应用相连接。它还可进一步细分为负责数据处理的处理层和负责用户管理、服务提供以及与各种应用协作的应用层。 在物联网处理层，智能处理和智能计算技术贯穿始终，涉及数据存储和管理、系统虚拟化、用户管理以及丰富服务的提供。数据从感知层传输到处理层时，多为应用数据，这种传输称为上行数据传输；而从处理层传输到感知层时，多为命令数据，用于指示感知层的终端设备如何操作，这种传输称为下行数据传输。上下行数据传输都需经过网络层。 物联网处理层大多通过云计算实现，包括云计算平台及其提供的服务。虽然传统计算平台也可作为小规模数据处理平台用于物联网系统，但与云计算相比，传统计算平台存在扩展性不够灵活、可靠性较低和安全性可能较差等缺点，因此处理层的研究主要集中在云计算平台及其服务上。 ### 处理层的关键组成部分 | 组成部分 | 具体内容 | | ---- | ---- | | 平台基础设施 | 硬件、软件、操作系统、Hadoop | | 计算服务 | 虚拟化服务、NaaS、SaaS、SecaaS | | 数据库服务 | MySql、NoSQL | ### 数据传输流程 ```mermaid graph LR A[感知层] -->|上行数据传输| B[处理层] B -->|下行数据传输| A A & B --> C[网络层] ``` ## 2. 雾计算和边缘计算的位置 物联网概念虽新，但所涉及的内容和技术并非全新。物联网中的大多数技术是从现有技术发展而来，物联网系统对现有技术和某些新技术有更复杂的集成和更高的要求（如更高的效率、低能耗、对执行环境的更多限制）。 在感知层，传感器通过局域网独立或协作捕获环境信息，并在将传感器数据发送到处理层之前进行初步处理。因此，来自感知层的信息可能不是关于环境、位置或设备状态的原始数据。为感知层及更广泛范围提供的更高级计算服务被称为雾计算和边缘计算。 雾计算是一种分散式计算基础设施，其中数据、计算、存储和应用位于数据源和云之间的某个位置；边缘计算是一种分布式信息技术架构，客户端数据在网络边缘尽可能靠近数据源的地方进行处理。很多人会互换使用雾计算和边缘计算这两个术语，但边缘计算似乎比雾计算更接近感知层（某种程度上在感知层内）。 ### 雾计算和边缘计算特点对比 | 计算类型 | 特点 | | ---- | ---- | | 雾计算 | 分散式，数据、计算等位于数据源和云之间 | | 边缘计算 | 分布式，在网络边缘靠近数据源处理数据 | ## 3. 基于物联网设备的海云架构 从不同类型的物联网设备角度出发，有一种不同的物联网架构构建方式，即“海云”架构。“海”代表大量的物联网终端设备，包括传感器设备和用户应用设备；“云”代表云计算，包括云计算平台、云存储和云计算服务。“海”与“云”之间通过网络进行数据传输，形成“海 - 网络 - 云”架构，简称“海云”架构。 该架构也被称为“云 - 隧道 - 端点”架构，其中“云”含义相同，“隧道”对应“网络”，“端点”对应“海”，本质上是同一架构的不同名称。 在物联网系统中，处理层可能会遇到海量数据，即大数据。大数据意味着数据规模过大或过于复杂，传统数据处理技术无法妥善处理。因此，物联网的处理层通常指云计算，简称为“云”。 ### 海云架构与基础三层架构的关系 | 架构 | 对应关系 | | ---- | ---- | | 海云架构 - 海 | 基础三层架构 - 感知层 | | 海云架构 - 网络 | 基础三层架构 - 网络层 | | 海云架构 - 云 | 基础三层架构 - 处理层 | ### 海云架构的数据传输示意 ```mermaid graph LR A[海（终端设备）] -->|数据传输| B[网络] B -->|数据传输| C[云（云计算）] ``` ## 4. 物联网四层架构 基础三层架构可通过将处理层拆分为两层转变为四层架构，新的两层分别是处理层（名称相同，但为基础三层架构中处理层的子层）和应用层。 四层架构中的处理层主要涉及云平台及其功能，而应用层与实际的物联网应用相关，包括如何使用处理后的数据、用户如何访问应用数据、如何向云平台（处理层）请求服务、如何管理用户以及如何对用户进行身份验证。 ### 四层架构的功能划分 | 层 | 主要功能 | | ---- | ---- | | 处理层 | 云平台及其功能 | | 应用层 | 实际物联网应用相关功能 | ## 5. 物联网五层架构 为进一步拆分应用层的功能，特别是安全功能和服务，有人提出了五层架构。该架构是将四层架构中的应用层进一步拆分为应用层和业务层，将与业务相关的应用归为业务层。 虽然对五层架构有其他不同的描述，但本质上只是对物联网层的不同拆分方式。五层架构与四层架构以及基础三层架构在设备和服务的覆盖范围上相同，因此基础三层架构在物联网架构中起着重要作用，是重要的参考架构。 ### 五层架构的拆分逻辑 | 架构演变 | 拆分情况 | | ---- | ---- | | 四层架构到五层架构 | 应用层拆分为应用层和业务层 | ## 6. 雾计算的六层架构 Sethi和Sarangi提出了雾计算的六层架构。该架构在物理层和传输/网络层之间插入了监控、预处理、存储和安全层，六层分别为物理层、监控层、预处理层、存储层、安全层和传输层。 这并非完整的物联网架构，实际上是感知层的架构，当感知层包含雾计算和边缘计算时，该架构涵盖了数据发送到云之前的所有数据收集和数据处理。 ### 雾计算六层架构的层次顺序 | 层次 | 名称 | | ---- | ---- | | 1 | 物理层 | | 2 | 监控层 | | 3 | 预处理层 | | 4 | 存储层 | | 5 | 安全层 | | 6 | 传输层 | ### 雾计算六层架构示意 ```mermaid graph LR A[物理层] --> B[监控层] B --> C[预处理层] C --> D[存储层] D --> E[安全层] E --> F[传输层] ``` ## 7. 物联网六域架构 理论上，五层架构可进一步拆分为更多层，但这种拆分似乎并非必要，基础三层架构和四层架构已足够。不过，存在一种六域架构，它与其他分层架构不同，不是自下而上的分层结构，而是由六个相互关联的域组成。 ### 六域架构的各域功能 #### 7.1 用户域 用户域是物联网系统不同类型用户的集合。物联网的正常运行是用户作为主体从对象域获取传感器数据，并向对象域发送控制命令。用户域中的用户包括普通用户（如客户）、行业用户（如物联网系统运营商）、政府用户（如物联网行业监管者）和其他用户（如管理员）。 #### 7.2 服务提供域 服务提供域是物联网应用提供的所有服务的集合，是用户获取服务的地方，包括特定物联网应用中定义的数据和操作服务。该域没有特定的物理对象，具有可扩展性和多样性，其实际内容会随着不同领域物联网应用的发展而动态变化。 #### 7.3 感知和控制域 感知和控制域负责数据收集和设备操作，包括能够获取传感器数据或执行控制命令的设备和功能。它是用户域和对象域之间的连接，是连接网络空间和真实物理世界的接口。基于当前技术，感知和控制域与以下子系统密切相关： - 无线传感器网络：获取传感器数据和执行操作控制命令的基础。 - 识别系统：包括RFID系统、条形码和二维码，用于识别无通信能力的物理事物。 - 定位系统：如GPS、北斗导航卫星系统、移动通信定位系统等，许多移动物联网设备需要将其位置报告给处理层的数据处理中心。 - 多媒体系统：用于从目标源捕获音频和视频数据（包括语音、图片、数字视频）。 - 通信接口系统：为目标通信对象提供通信接口，负责网络连接、数据处理和融合以及协议转换，可用于服务如电源开关、空调、大型仪器和智能数字设备等。在实际应用中，智能设备的通信接口可集成到目标通信对象中。 - 其他系统：目前尚不完全明确，将作为感知和控制域的新组件出现。 #### 7.4 对象域 对象域是用户希望从中获取预期数据并对其执行控制命令的对象集合。对象域中的对象可通过某些交互接口与感知和控制域的子系统相连，这些接口可用于数据通信（如COM端口、LTP端口、USB和以太网）和非数据交互（如物理、化学、生物交互、标签附着或位置连接）。 #### 7.5 资源共享域 资源共享域是资源交换和共享平台及其服务的集合，为本地和外部应用提供服务。它包括本地资源（如感知和控制域以及服务提供域的数据）和外部资源（如政府、行业和个人信息，以及电子商务活动和商业交易的数据）。 #### 7.6 运营、管理和控制域 运营、管理和控制域（简称OMC域）是提供物联网系统运营、维护、管理和法律监督的实体集合。OMC域负责物联网系统的技术运营和法律合规管理，确保其稳定、可靠和安全运行。 ### 六域架构与基础三层架构的关系 | 六域架构 | 基础三层架构对应关系 | | ---- | ---- | | 用户域 | 与处理层交互，是处理层的主体和对象 | | 服务提供域 | 涵盖三层架构各层的功能和服务 | | 感知和控制域 | 对应感知层功能 | | 对象域 | 大致相当于感知层 | | 资源共享域 | 技术上对应处理层，管理上超出三层架构 | | 运营、管理和控制域 | 难以映射到三层架构的任何一层 | ## 8. 总结 物联网没有明确的定义，但可以通过架构来描述其概念。目前提出了多种物联网架构，其中最常见的是三层架构。不同架构各有特点，基础三层架构基于静态的物联网设备，而六域架构基于活跃且可扩展的物联网系统的功能。这两种架构可分别指导物联网系统在静态和活跃状态下的构建。 ### 六域架构与基础三层架构的映射分析 将六域架构与基础三层架构进行映射分析，能更清晰地看出它们之间的联系与区别。从六域架构的功能域对应到基础三层架构的层，可以得到如下关系： - **用户域**：在基础三层架构中虽未明确提及用户，但当架构处于活跃工作状态时，用户会与处理层的云计算及数据服务进行交互，并由云计算平台进行管理。所以，六域架构中的用户在发送服务请求和操作命令时是处理层的主体，在接收服务时是处理层的对象。 - **服务提供域**：该域涵盖了基础三层架构所有层的功能和服务，也可看作四层架构和五层架构各层提供的服务集合。 - **感知和控制域**：其功能可归类到基础三层架构的感知层，负责与对象域的设备控制相关操作。 - **对象域**：六域架构中的对象域大致等同于基础三层架构的感知层，对象域中的设备（如传感器、RFID 标签、执行器等）正是感知层的组成部分。 - **资源共享域**：从技术角度，资源共享域的功能可在基础三层架构的处理层实现；但从管理角度，它超出了静态三层架构的覆盖范围。 - **运营、管理和控制域**：由于该域提供的服务涉及整个物联网系统的运行情况，很难将其映射到基础三层架构的任何一层。不过，如果将监管视为一种特殊服务，它与服务提供域可看作广义的服务提供。 ### 架构对比表格总结 | 架构类型 | 架构特点 | 层次/域组成 | 与其他架构关系 | 适用场景 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 基础三层架构 | 基于静态物联网设备，按数据处理顺序划分 | 感知层、网络层、处理层 | 是其他架构的基础参考 | 适合对架构理解和基础构建 | | 海云架构 | 从物联网设备类型角度构建 | 海（终端设备）、网络、云（云计算） | 与基础三层架构有对应关系 | 适用于强调设备与云计算交互的场景 | | 四层架构 | 在基础三层架构上拆分处理层 | 处理层、应用层（拆分后） | 基于基础三层架构演变 | 适用于对应用和处理功能区分要求较高的场景 | | 五层架构 | 进一步拆分四层架构的应用层 | 应用层、业务层（拆分后） | 与四层、三层架构覆盖范围有联系 | 适用于对业务和应用功能细分的场景 | | 雾计算六层架构 | 针对雾计算提出，强调感知层处理 | 物理层、监控层、预处理层、存储层、安全层、传输层 | 是感知层含雾计算和边缘计算时的架构 | 适用于需要在感知层进行复杂处理的场景 | | 六域架构 | 基于物联网系统功能划分 | 用户域、服务提供域、感知和控制域、对象域、资源共享域、运营管理和控制域 | 与基础三层架构有功能对应关系 | 适用于构建活跃且可扩展的物联网系统 | ### 架构选择决策流程图 ```mermaid graph LR A[需求分析] --> B{数据处理复杂度} B -->|低| C{设备类型关注度} B -->|高| D{功能细分需求} C -->|高| E[海云架构] C -->|低| F[基础三层架构] D -->|业务和应用细分| G[五层架构] D -->|应用和处理区分| H[四层架构] D -->|感知层复杂处理| I[雾计算六层架构] D -->|系统功能构建| J[六域架构] ``` ## 9. 架构应用案例分析 ### 智能城市照明系统 在智能城市照明系统中，不同的物联网架构有着不同的应用方式和优势。 - **基础三层架构应用**：感知层的光照传感器和电流传感器收集环境光照强度和灯具电流数据；网络层通过无线通信将数据传输到处理层；处理层的云计算平台根据预设规则分析数据，控制灯具的开关和亮度调节。这种架构简单明了，适合对系统架构要求不高的初期建设。 - **六域架构应用**：用户域包括城市照明管理部门、维护人员和普通市民，管理部门可远程监控和控制灯具，维护人员接收故障报警进行维修，市民可通过手机应用反馈照明问题；服务提供域提供数据查询、故障报警、远程控制等服务；感知和控制域的传感器和执行器负责数据收集和灯具控制；对象域就是城市中的路灯；资源共享域可与城市其他系统共享能源消耗数据等资源；运营、管理和控制域确保系统稳定运行，进行故障诊断和维护调度。六域架构能更好地满足智能城市照明系统的复杂功能需求和多用户交互。 ### 工业生产监测系统 - **四层架构应用**：处理层的云平台对生产设备的运行数据进行实时分析和存储；应用层为生产管理人员提供设备状态监控、故障预警、生产效率统计等应用功能，方便管理人员及时掌握生产情况并做出决策。 - **雾计算六层架构应用**：在生产车间的感知层，物理层的传感器收集设备振动、温度、压力等数据；监控层实时监测设备运行状态；预处理层对数据进行初步处理和过滤；存储层暂存数据；安全层保障数据传输和处理的安全；传输层将处理后的数据传输到上层系统。这种架构减少了数据传输量，提高了系统的响应速度和可靠性。 ## 10. 架构发展趋势展望 ### 融合化趋势 未来，不同的物联网架构可能会相互融合，发挥各自的优势。例如，基础三层架构与六域架构的融合，既能利用基础三层架构的简洁性进行系统基础构建，又能借助六域架构的功能性满足复杂的系统需求。在一个大型物联网项目中，可以先采用基础三层架构搭建框架，再引入六域架构的功能域概念，完善系统的用户交互、服务提供和资源管理等方面。 ### 智能化趋势 随着人工智能和机器学习技术的发展，物联网架构将更加智能化。在处理层，云计算平台可以利用智能算法对海量数据进行深度分析和预测，为用户提供更精准的决策支持。在感知层，传感器和设备可以具备智能识别和自适应能力，根据环境变化自动调整工作模式。 ### 安全强化趋势 物联网安全问题日益突出，未来的架构将更加注重安全功能的强化。无论是在各层架构中增加安全防护机制，还是在六域架构中加强安全域的建设，都将是架构发展的重要方向。例如，在雾计算六层架构中，安全层将采用更先进的加密技术和访问控制策略，保障数据的安全性和隐私性。 ## 11. 总结与建议 ### 总结 物联网架构的多样性为不同的应用场景提供了丰富的选择。基础三层架构是最基本和常用的架构，为其他架构的发展提供了基础；海云架构从设备角度出发，强调设备与云计算的连接；四层、五层架构对功能进行了进一步细分；雾计算六层架构适用于感知层复杂处理的场景；六域架构基于系统功能构建，更能体现物联网系统的动态性和功能性。各架构之间既有区别又有联系，在实际应用中需要根据具体需求进行选择和组合。 ### 建议 - 在进行物联网项目架构设计时，首先要明确项目的需求和目标，包括数据处理复杂度、设备类型、功能细分要求等。 - 对于初学者或基础项目，可以先采用基础三层架构进行构建，逐步理解和掌握物联网架构的基本原理。 - 如果项目涉及大量设备与云计算平台的交互，海云架构是一个不错的选择。 - 当对应用和处理功能、业务和应用功能有细分要求时，可考虑四层或五层架构。 - 对于需要在感知层进行复杂处理和保障数据安全的项目，雾计算六层架构更合适。 - 对于构建活跃且可扩展的物联网系统，六域架构能提供更全面的功能支持。 通过合理选择和应用物联网架构，能够提高物联网系统的性能、可靠性和可扩展性，更好地满足不同用户的需求。