问题18：如何理解物联网层次结构模型？

在互联网体系结构理论的研究中明确指出：网络体系结构包括网络层次结构模型与各层协议。只要两个人或物之间交换信息、实现通信，就必须制定相应的通信协议。要实现一个复杂的网络功能，必须制定从底层到高层的一系列通信协议，而将这些协议有序地组织起来的最有效的方法是采用层次结构模型。物联网体系结构的研究也应遵循这种成熟的研究方法。在回顾互联网体系结构研究的思路与基本方法之后，我们就可以提出物联网的层次结构模型。

我们理解物联网体系结构时需要注意以下几个问题。

1.物联网与互联网在基础设施方面应该有一些重合之处

在规划和组建物联网应用系统的过程中，我们完全可以根据应用的需要选择要使用的网络技术，而不必局限在互联网与TCP/IP体系之上。但是，在实际工作中，我们从缩短建设周期、节约经费、借用成熟技术的角度，必然会考虑充分利用互联网的核心交换层与汇聚层已有的基础设施，因此物联网与互联网在基础设施上有一些重合之处。这正体现出互联网与物联网的相通之处。

需要注意的是：未来的覆盖全球的网络应该是由IP网络与异构的非IP网络（如移动通信网、电视传输网、卫星通信网等）互联而成，不同的物联网系统可以根据应用的需求选择接入IP网络或非IP网络。

2.物联网应用系统将根据需要选择无线传感器网络或RFID应用系统的接入方式

互联网用户通过端系统的计算机或手机、PDA访问互联网信息资源，发送或接收电子邮件；阅读新闻；写博客或读博客；通过网络电话通信；在网上买卖股票、订机票、订酒店。而物联网中的传感器节点需要通过无线传感器网络的汇聚节点接入物联网；RFID芯片通过读写器与控制主机连接，再通过控制节点的主机接入物联网。由于互联网与物联网的应用系统不同，因此在接入方式上也有所不同。物联网应用系统将根据需要选择无线传感器网络或RFID应用系统的接入方式。

3.物联网分为感知层、网络层与应用层

图2-7给出了人对外部世界的信息感知、处理的过程示意图，它也给我们一个重要的启示：物联网也可以分为感知层、网络层与应用层。

互联网成功地运用了计算机网络体系结构的设计思想与原则，组建并运行了一个覆盖全世界、用户超过十亿的大型网络信息系统，证明了这一设计思想与原则的正确性。物联网是一个形式多样、涉及社会生活各个领域的复杂系统。从实现技术的角度看，物联网的特点是：网络的异构性、规模的差异性、接入的多样性。尽管物联网系统结构复杂，不同物联网应用系统的功能、规模差异很大，但是它们必然存在很多内在的共性特征。我们可以借鉴上述成熟的计算机网络层次结构模型的研究方法，将物联网分为感知层、网络层与应用层。图2-8给出了典型的物联网感知层、网络层与应用层之间的关系。

从以上的分析中可以看出，物联网的网络层的功能主要是：连接感知层与应用层，正确传输感知层的数据与应用层的控制指令，保证数据传输与存储的安全性。物联网的网络层也称为“网络传输层”或“传输层”，一般简称为“网络层”。

需要注意的是，计算机网络层次结构模型是二维的，例如OSI参考模型、TCP/IP参考模型；而通信网络的层次结构模型是三维的，例如ATM参考模型。随着计算机与通信技术的进一步融合，从事计算机网络研究的人也开始使用三维的层次结构模型，例如WSN的层次结构模型、容迟网络（Delay-Toleant Network，DTN）的层次结构模型。在物联网中，由于存在着为接入层、网络层与应用层服务的共性技术：对象名字服务、网络管理、服务质量（QoS）与信息安全服务，因此需要用三维的层次结构模型才能够准确与全面地描述物联网的特征。考虑到这些因素，我们可以给出如图2-9所示的物联网层次结构模型。

在讨论物联网应用层时，我们需要注意：物联网与互联网的应用层结构、特点是不同的。

互联网提供的是面向全球性的公共信息服务。我们在讨论互联网应用层时，自然会想到Web应用的HTML协议、HTTP协议，以及电子邮件应用的SMTP协议、POP3协议等。物联网提供的是行业性、专业性与地区性的智能信息服务，如智能医疗、智能交通、智能电网等。物联网应用层需要采用互联网成熟的服务模式与协议，这是物联网系统开发的基本模式。例如，智能医疗系统中医院之间、医生之间电子病历交换是在Web平台上进行的，那么系统必然要用HTML协议、HTTP协议。同时，电子病历交换必须遵循美国国家标准局（ANSI）授权的标准开发组织（SDO）制定的卫生信息交换HL7（Health Level 7）协议标准。这样，在智能医疗的应用层中，HTML、HTTP协议属于物联网的管理服务子层，而HL7协议属于行业应用子层。这是一个最简单的例子。目前已经有很多国际标准化组织，例如国际电联的IDU-D、IDU-T，以及欧洲通信标准化组织ETSI成立了ETSI Project（EP）e-Health，积极开展智能医疗行业应用层标准的制定工作。

随着物联网行业应用的发展，物联网行业应用层协议体系将会不断地丰富和完善。

4.评价网络层次结构模型的标准

目前已经有专门的论文与科研课题在讨论、研究物联网层次结构模型与体系结构问题。作者在多年的计算机网络层次结构模型教学过程，通过比较不同计算机公司推出的计算机网络层次结构模型（如IBM公司的SNA、DEC公司的DNA、UNIVAC公司的DCA）以及研究ISO/OSI参考模型的发展过程，深刻认识到：各种层次结构模型都有它的技术背景、应用的具体对象。评价这些参考模型不是讨论谁对谁错的问题，而是哪一个能够用更为简单的抽象模型更为全面地描述不同类型的计算机网络共性特征问题。从这个概念出发，作者认为评价物联网网络层次结构模型优劣的标准有以下两点。

第一，是否能够用更为简单的模型更为全面地描述不同类型物联网应用系统的共性特征。这是一个“从下向上”的概括、提取与抽象的过程。

第二，是否能够用这个层次结构模型指导不同类型物联网应用系统的设计与软件编程。这是一个“从上向下”的检查、应用与验证的过程。

任何一个研究人员与科研团队提出的物联网网络层次结构模型都需要接受工程实践的考验，必然要经历一个不断的修正与完善的过程。