问题17：为什么体系结构研究对于设计物联网协议标准体系有着重要意义？

我们在冷静地思考物联网发展时会清晰地看到：物联网标准数量之多、行业差异之大、标准体系之复杂，将成为未来的物联网应用与产业发展的瓶颈。在很多物联网技术与产业发展的会议上，人们已经开始意识和讨论到这个问题，但是作者总的感觉是：“无所适从”与“一头雾水”。由于物联网目前处于起步阶段，所以有这个问题是非常自然的事。在研究这个问题时，我们不能“头痛医头，脚痛医脚”，而需要通过理性思考来解决这个复杂问题。

1.当年人们在研究互联网体系结构时的困惑

当年计算机网络与互联网的研究人员也同样遇到过这个问题，因此作者根据长期研究与跟踪互联网技术发展，总结互联网发展、演变走向成熟的角度，建议研究物联网的学者能不能换位思考一下，试着回答以下几个问题：

● 请你说出互联网到底能够提供多少种服务？

● 如果每种服务需要制定一个协议栈来支持，那么互联网到底要制定多少种协议？

● 为什么利用HTTP、TCP/IP、PPP、DNS等有限的协议标准，就能够满足不同领域、不同功能、不同规模的互联网应用系统开发的需要？

● 互联网在建立协议标准体系中有什么成功的经验？

对于没有深入地研究和跟踪计算机网络与互联网体系结构研究方法演变过程、没有实际参与设计与研发过互联网应用系统的人，很难说清楚这个问题。但是，互联网的研究者是怎样处理这样一个看起来“无从下手”的问题，从而让互联网应用系统的开发能够“有条不紊”地进行，服务于如此庞大的用户呢？回顾互联网在这个棘手问题上的处理方法与思路，对于我们处理更为复杂的物联网协议标准问题具有重要的借鉴作用。

2.物联网与互联网在体系结构研究上的异同点

（1）物联网与互联网在体系结构研究上的共同之处

从计算机网络技术研究的角度，互联网面对的问题是：不但要将位于世界不同地区、按照TCP/IP协议体系组建的广域网、城域网、局域网互联起来，还要与基于非TCP/IP协议体系的移动通信网、电视传输网互联起来，构成异构的复杂大系统。以物联网智能物流应用中典型的基于RFID技术的未来商店为例，支撑这样一个覆盖全世界的网络系统，同样要涉及广域网、城域网、局域网互联，以及与移动通信网、电视传输网互联，构成异构的复杂大系统的问题。

从计算机网络体系结构研究的角度，物联网与互联网体系结构研究的共同之处就是：必须采用“以简单的方法去处理复杂问题”和“化整为零，分而治之”的处理问题思路。具体的处理方法是：

● 在层次模型的体系结构框架之下，将协议分层。

● 不同节点对等层之间通过协议实现规定的服务功能。

● 在同一节点的相邻层之间规定接口标准。

这样就可以将一个复杂的计算机网络的设计与实现问题，通过“化整为零”的方法，转换成一个个我们可以处理的不同层次需要实现的某一个具体的功能。实现一个具体的功能就要制定一种协议。那么，我们就可以将实现一种“抽象”的功能，变成制定一种通信协议，并且通过软件或硬件开发来具体实现这个功能。这样，我们就可以将一个复杂的计算机网络设计与实现问题转变成很多个协议制定的问题，并用我们擅长的软件编程或硬件开发方法去实现，从而实现“分而治之”的目的。

（2）物联网与互联网在体系结构研究上的差异之处

尽管可以借鉴成熟的计算机网络体系结构理论与研究方法，但是在研究物联网体系结构时，我们仍需要考虑物联网与计算机网络、互联网在功能、结构、应用方面的差异。

计算机网络体系结构设计遵循OSI参考模型，而物联网不能照搬OSI的七层层次结构模型。原因很简单：计算机网络解决的是分布在不同地理位置的独立计算机系统之间的进程通信问题。每台联网的计算机都可以安装从物理层到应用层的硬件和软件，例如通过安装覆盖物理层、数据链路层功能的硬件网卡，在网卡的基础上安装执行网络层IP协议、传输层TCP/UDP协议的软件，以及执行客户端HTTP协议的Web浏览器软件。在Web服务器端，同样要安装覆盖物理层、数据链路层功能的硬件网卡，在网卡的基础上安装执行网络层IP协议、传输层TCP/UDP协议的软件，以及执行服务器端HTTP协议的Web服务器软件。作为计算机网络端系统的客户端计算机与服务器端的计算机都安装了执行特定通信协议的网卡、网卡驱动程序，以及操作系统与高层网络通信软件的硬件。作为端系统的网卡与执行高层网络通信的软件在各自的操作系统基础上，通过分布式进程通信实现系统工作的计算机网络系统，为不同地理位置的计算机用户提供计算资源以及信息资源共享的能力。

物联网的端节点可能是一个无源的RFID标签，也可能是一个无线传感器网络的节点，它们接入物联网的目的不是为客户提供计算资源共享服务，而是提供一种专门的信息感知服务。物联网端节点一般是低成本的节点，它的计算能力、存储能力、通信能力很弱，并且工作状态受到供电电源能量的限制。物联网端节点可能就是一个只能够感知周边环境温度、具有近距离通信能力的温度传感器节点。这样的节点不可能像一台功能很强的计算机那样，可以安装覆盖物理层到应用层的硬件与软件。从我们在研究无线传感器网络时，就已经意识到它与计算网络、互联网在功能、结构与设计思想上的差异。因此，简单地借用已有的七层网络层次结构模型是不可行的，但是OSI参考模型仍然对物联网体系结构的研究具有借鉴意义。

3.物联网与互联网在体系结构设计中使用的抽象思维方法

（1）互联网应用程序体系结构与边缘/核心交换的抽象方法

互联网是计算机网络最成功的应用，但是在讨论互联网应用系统设计方法时，我们一般不是直接采用OSI的七层层次结构模型，而是采用自顶向下分析方法，即边缘部分与核心交换部分的抽象方法。图2-4给出了应用程序体系结构与边缘/核心交换部分的抽象方法关系。

互联网的结构非常复杂，在最初研究互联网层次结构模型时，研究人员也遇到过类似的问题。经过大量的实践和理论研究，研究人员遵循“自顶向下”的设计方法和思路，提出了应用系统体系结构的概念。应用系统体系结构是将一个大型的互联网应用系统分为网络应用与传输网两大部分。为互联的计算机进程通信提供数据传输服务的部分叫做“传输网”。按照这个定义，广域网、城域网、局域网与个人区域网，以及电信的移动通信网、电话交换网都属于传输网的范畴。设计人员在设计一个大型互联网应用系统时，第一步是进行应用层功能规划、工作模型与协议设计，以及计算模型与应用软件开发；第二步是根据应用系统对数据传输服务质量的需求，选择适当的传输网技术与网络结构。这是一个成功的思维方式。依据应用系统体系结构的设计思路，任何一个大型互联网应用系统的设计者都可以将复杂的问题“分而治之”，使设计、实施与运行管理层次分明、功能清晰，将整个系统的设计与实现有条不紊地推进。

在讨论互联网应用软件整体结构设计时，人们将互联网体系结构抽象为边缘部分与核心交换部分，网络应用程序运行在端系统，核心交换部分则由互联的局域网、城域网与广域网组成，为应用程序进程通信提供数据传输服务。但是对于每一个接入到互联网的节点，无论是客户端节点还是服务器节点，人们仍然将它看成是一个覆盖OSI参考模型从物理层到应用层的硬件与软件的计算机系统，而接入物联网的端系统可能只包括物理层与部分数据链路层功能的感知节点。这一点正好反映出互联网与物联网的差异。

（2）大规模接入技术的发展与宽带城域网的结构与层次划分

20世纪90年代，世界经济进入一个新的发展阶段，带动了信息产业的发展，信息技术与网络应用成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准。1993年9月，美国公布了国家信息基础设施（NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路。信息高速公路的建设促进了宽带城域网的发展。

支持一个现代化城市的宽带城域网结构一般分为核心交换、汇聚与接入三个层次。用户可以通过计算机由局域网接入，通过固定或移动电话由电信通信网络的有线或无线方式接入，或者是通过电视由有线电视CATV传输网接入；汇聚层将大量用户访问互联网的请求汇聚到核心交换层；通过核心交换层连接国家核心交换网的高速出口，用户的访问请求便被传送到互联网，从而满足了一个城市的办公室、学校与家庭用户访问互联网的需求。宽带城域网已成为现代化城市建设的重要信息基础设施之一。采用层次结构的优点是：结构清晰，各层功能实体之间的定位明确，接口开放，标准规范，便于组建和管理。图2-5给出了典型的宽带城域网的网络结构。

（3）从核心交换、汇聚与接入的角度看互联网的结构

从核心交换、汇聚与接入的角度看，简化的互联网逻辑结构可以用图2-6表示。

理解图2-6对进一步研究物联网的网络体系结构与层次结构模型非常有帮助。