【转】欧盟物联网研究战略路线图（4）

第三章 支撑物联网发展的关键技术

随着科技的发展，在不远的将来，具有通信能力和处理能力的物品将更加的普及，物品的通信和处理能力也将得到更加广泛的加强与提升。而且这种能力的提升将不仅仅局限在性能领域，而是向着多种功能、多种用途的方向来发展。所以我们可以断言，未来的世界将向着物品更加紧密、更加便捷的互通互联而演化。

在上面所提到的这种技术发展背景下，本章将致力于罗列支撑物联网（IoT）发展的各种最为重要的关键技术，明确这些技术在研究过程中可能遇到的各种难点和关键问题，为这些技术未来的研究工作制定下一步的合理规划。通过各方专家的努力，我们相信，按照本文中提出的这些规划开展我们今后的研究工作，必将可以为物联网提供坚实的技术基础，并且为物联网的建设工作提供实用、可靠的解决方案，进而保障物联网可以在一个健康、合理、有序的环境下发展壮大。不过这里需要指出，本章所提到的各种规划还会在第4章中提及，以明确这些技术各项研究工作的先后顺序和优先程度。

3.1标识技术

标识技术的主要研究内容是如何将物品（或者实体）进行唯一的表示。从现在的技术发展情况来看，标识技术主要的研究方向就是如何在物品和我们通常所说的唯一标识或者唯一编码（UID）之间建立起一一对应的关系（当然，这种唯一标识、唯一编码以及它们与物品的一一对应关系既可以是全局或者全球唯一的，也可以是在某一特定领域和范围内唯一的）。通过使用标识技术，我们就可以在各种环境和情况下对物品（或者实体）进行识别，或者将物品检索出来。从今天的研究成果来看，物品的唯一标识或者唯一编码（UID）既可以是一串数字或者字符，也可以是物品一系列属性的组合。当然，数字或字符组合的形式是我们最容易见到的，而采用属性组合的形式就要复杂一些。这是由于为了保障属性组合可以唯一的表示物品，我们首先要保证这种组合的唯一性，也就是在一定的范围或者一定的领域中不存在两个物品属性组合一样的可能性。虽然复杂性是存在的，但是在未来物联网中物品还是将全部拥有各自独特的数字化身份。而这种数字化身份，从相当一段时间来看，是通过采用唯一标识和唯一编码技术来实现的。而且也只有通过这样做，我们才可以从未来物联网的数字层面上明确所有物品的数字名称，解析物品和物品之间的相互关系，使得物联网在真正意义上实现连接一切物品这一目标。

下面让我们看看，物品在物联网中进行标识的各种可能情况。给一个对象赋以一个唯一标识就相当于为这个对象在它的生命周期之内指定了一个永久的名称或者身份。但是通过上面章节的讨论我们可以看出，在未来的物联网中一个物品将有可能存在多种标识或者标识发生变化的情况。这是如何发生的呢？举例来说，比如在今天的物联网建设过程中我们不难发现：很多的产品都包含一些由它们的生产商所指定的唯一标识或是唯一编码，这些标识共存在产品之中。很多物品自身就包含了网络地址（如IPv6地址），而另外一些物品则是通过临时组建的对象集合或者临时网络来获取本地的网络地址的。当然更不用说像那些自身就附着有传感设备、探测设备或驱动装置的物品了，这些附着的设备和装置本身就有可能可以被单独的进行寻址，它们的标识既可以成为物品本身标识的扩展组成部分，也可以在注册查询机制下与物品的标识相关联以方便检索和查询。进一步的还有很多的产品或者物品是复合型的，它们由许许多多可以更换的部件或者零件所组成。在这些产品或者物品的生命周期之内，它们的部件或者零件将很可能被更换或者替代（可能由于这些部件或者零件自身的生命周期限制，或者因为物品的用途变化等），也就意味着这些部件和零件的唯一标识将会从物品中消失或者被变更。所以未来物联网的信息模型必须可以支持、查询或者记录这种标识的变化，同时可以跟踪标识之间组合关系以及配置关系的变化情况，以便帮助物品最终形成一系列可以反映物品内部以及物品之间相关隶属关系和新旧替换关系的完整历史记录。这个历史记录将可以告诉我们什么地方的旧部件被新部件所替换，哪些坏零件被进行更换与修理等。这里还需要明确的是，标识组合的情况不一定仅仅发生在单个物品上，我们将大量的商品或者物品绑定在一起（比如，食品的一个生产批次）时也会发生这种情形。在这种时候会发生以下的情况：为了满足零售的需要，被绑定在一起的物品可能被分解为单独的商品或者独立的包装，也可以使用这些物品形成新的产品、部件或者特定的销售组合（可以通过重新组装、重新组合或者配比其中的成分等形式，举个例子比如医药箱或者医药包就满足这样的要求），这就需要将它们的标识进行分解，或者进行重新包装、重新编码。

通过上面的描述，可以发现通过组合物联网中的物品，物品的标识也将在其架构层面上呈现为树状的结构。物品中的各种零件和部件的标识将通过分级、分层的方式结合到物品的标识体系之中，正如这些零件和部件在物理上按照分级、分层的方式组合于物品之上一样。这样也就形成了我们通常意义上所说的复合型物品或者复杂型物品，比如计算机、汽车、建筑物还有房屋等等。它们由大量的零件、组件、子物品或者子模块组成，这些组成部分也都有与之对应的唯一标识以及自身活动的相关历史记录。这一整套庞大的标识体系和历史记录体系也就形成了我们所说的复合型物品的材料序列化清单。通过这个清单，我们将可以跟踪物品的各种变化情况，了解物品的组合关系（比如：原始物品的父级对象和子级对象都是谁，以及它们的变化情况），进而帮助我们在物联网中实现一整套可以互通互联的数据共享规则表达框架。

我们已经明确在未来的物联网中为参与其中的物品指定一个或者几个唯一标识（UID）是非常重要的。因为只有这样做，每一个物品才有可能被作为一个个独立个体来对待；也因为如此，物联网才能识别每一个物品的自身特性，记录每一个物品的行为记录，跟踪每一个物品发出或者接受的信息，明确每一个物品在现实世界中的各种流程模式，了解这些物品与其他物品之间的相互交互关系以及各种交互活动。所以总的来说，正因为有了唯一标识，现实世界中的物品才可能成为物联网中的物品，物联网才可能成为连接一切物品的网络。唯一标识的必要性我们已经谈了很多，下面让我们看看一种标识是如何成为物联网中的唯一标识的。在物联网中，物品的唯一标识可能有两种情形：全局唯一或者局部唯一。全局唯一是指这个标识在整个物联网的范围内或者在很大的范围和时间内具有显著的一致性（唯一存在）和稳定性（或者说长寿性，一直不变，理想情况下要在物品的生命周期内不变）。局部唯一是指物品的标识在它所处的现场位置或者现实网络环境中具有唯一性。不论是哪种唯一标识，未来的物联网都要求可以通过它们收集一个物品的各种方方面面的信息，即使这些信息可能来自许许多多不同的物品，或者这些信息是许许多多不同的物品所要求收集的，甚至这些信息是横贯大量数据库和信息系统的各种微小的碎片数据。只有做到这些，未来的物联网才能从真正意义上成为未来互联网（future internet）架构下的基础网络平台之一。

在考虑对每一个物品进行唯一标识的同时，我们还需要注意下面这些问题：很多的物品都可以被认为是相同的或者几近相同的复制品（起码在它们刚被创建时）。比如，它们可能是同一种产品类型，或者它们的属性可能很多都是一样的。对于这样的相同类型的物品认为它们是一样的并没有什么错误。特别是，如果只考虑每个物品的唯一标识，那么对特定类型物品发送请求或者指令就必须进行大量的循环了。所以这时如果我们可以对某些特定分类的物品进行整体操作就非常有意义了。这将大大减少未来物联网环境中的运算量和算法复杂程度。因此在物联网中我们还应该研究针对物品分类的各种唯一标识技术。通过这些唯一标识我们应该可以既引用一类物品也可以指定这类物品中的独立个体。这样做将使得我们不但可以引用类级别物品的信息和服务，也可以遍历序列级别（单品级别）的物品信息以及服务。

在建设未来物联网中唯一标识体系的过程中，最为至关重要的是，允许一般的公司、组织或者个人可以简单、方便、便宜、便捷的获取或者创建他们所需要的唯一标识（可以是通过网络页面或者是其他各种网络资源），同时保障这些标识对于任意两个独立的实体不存在重复的可能性。拿现在的互联网来说，这通常是通过分层的标识符结构来实现的。在分层的标识符结构中，每一层只保证下一层成员的标识符之间的唯一性。这种结构也常常被用在电话号码、统一资源标识符（URIs）、互联网主机名和子域名、句柄、数字对象标识等情况下。通过采用这种分层的标识符结构，我们可以建立起若干分级别的名称空间[1]，这样的话不但对于独立的物品可以拥有其所需的唯一标识，而且同一类别的物品也可以通过共享一个名称空间来加以区分。比如，如今的万维网的各种资源就是使用其类别名称空间“IN”[17]来标识的，并且由互联网名称与数字地址分配机构（ICANN）来管理的.

按道理物联网的各种唯一标识应该尽可能的精简以减少存储空间的占用，并且应该尽可能的公开以方便识别和引用。但是出于安全性和其他各种考虑，我们还是需要在标识中加入一定的冗余信息。比如，我们有理由要求未来的物联网支持那些不透明的或者不明确的标识以及假标识，允许标识的内部结构和层次结构不是那么显而易见的。这样的话，在未来的物联网信息公开的网络环境下——这时非授权的组织或个人都可能读取到物品的类别信息（如产品类型和对象类别）——物联网才有可能发现那些可能侵犯公众隐私或者危害供应链安全的行为，及时对它们进行隔离或者对意图破坏者发动指定目标的攻击。而这些都是通过基于标识所暗示的物品的承载物、附着物以及传输方式等隐含的信息来实现的。同时标识的名称空间也有可能是不明确的，并且不作为分层的名称空间结构中任一组成部分，这样就使得物品的标识可以对外绝不显示物品的任何信息。比如，在一些医疗应用中，患者所携带药品的唯一标识就应该是保密的，特别是在使用了无线标识技术这种缺乏安全性保护措施的情况下，这种标识的不透明性就非常有意义了。

在标识技术的研究过程中，我们的目标当然是建立一整套比较适合于未来物联网发展的标识体系。但是这并不意味着原有的标识需要推倒重来。我们需要清醒地认识到这样一些事实：现在许多的行业已经开始对各种对象分配适用于该行业的唯一标识。并且通过各行业及其企业的努力在现有的应用系统中采用唯一标识技术的比重已经逐步提升，并且已经成为现有应用系统的主要投资之一。这些唯一标识已经在帮助我们收集大量的物品或者物品类别的信息。所以在物联网的架构中采用这些业已存在的唯一标识作为查询和引用信息的关键词，将对于物联网的建设和发展进程起到很大的推动作用。而且也没有必要替换这些唯一标识，因为这不但在成本上是极大的浪费，而且在技术上也将是极其困难的。所以，关键的问题就是要在部署物联网标识技术的过程中支持这些已经存在的唯一标识，尽量采用不做更改的形式，必要时才使用各种映射规则和标识映射流程来处理。

同时，就像ISO 15459所说的那样，现在的世界上已经存在了很多的进行名称发布的权威机构。物联网不应该忽视他们的存在。在物联网的标识体系的建立过程中，要承认这些机构的合法性，尽其所能的鼓励这些机构参与到构建物联网唯一标识体系的工作中来，赋予他们同等的地位。在必要时，帮助这些机构管理他们成员所创建的标识的唯一性，并且保证这些成员可以拥有在自己的名称空间内自主、自动、便捷的创造唯一标识的权利。此外，还需要使得物联网中的所有成员可以通过类似于统一资源标识符（URI）的形式使用这些唯一标识。

使用标识技术就是要理解唯一标识可以作为物品的名称或者地址来使用。而上面已经多次申明一个物品的相关信息和服务可能包含多种地址。所以比较简单的方式就是保证每个物品存在一个与它对应的唯一名称，然后通过查询机制和引用服务来获取其信息或者服务的地址。而这些地址既可以是由这个物品的创造者指定的，也可以是在某个特定的时间与物品相交互的其他物品或者对象提供给它的。所以在单一物品可能存在多个标识的情况下，不论出于何种理由，物联网的标识技术都还需要花力气研究出并建立起一套可以进行标识数据转换以及动态的进行标识兼容性和互操作性检查的机制。

此外，在标识技术的整个研究过程中我们还应该注意不要受现有存储技术和通信技术等的影响和限制。因为我们完全可以预期未来的数据载体技术将随着时间的流逝而快速的发展。今天的很多选择将被更好的解决方案所替代，今天的很多限制（特别是对于可用的内存空间的限制）将会随着技术的发展而不复存在。所以我们需要用发展的眼光来看待物联网的标识技术，合理的预期和规划物联网中的标识技术和标识体系的研究和部署进程。

从标识技术的应用来看，今天，不但很多唯一标识架构业已存在，而且很多基于这些标识架构的应用也已经被普遍采用。所以在相当长的一段时间内这些应用还将会在未来的互联网（Future Internet）环境中被广泛接受。这也就要求我们的研究绝不能忽视它们的存在。

再从复杂性的角度来看，只考虑未来物联网中标识查询和搜索的数量与频率，物联网中的网络交通流量就可以被称之为海量的了。它将几倍、几十倍甚至几百倍于今天互联网中的DNS查询所产生的网络流量。所以如何减低复杂性、如何减少查询冗余、如何进行高速搜索也将成为了未来物联网标识技术的若干关键研究课题。

综上所述，标识技术是未来物联网中的首要技术研究领域。我们切不可因为唯一标识看上去简单，而忽略它的重要性。要知道标识技术的研究、标识体系的建立是未来物联网发展、建设以及部署工作的首要前提，应该将它们最为我们研究工作的重中之重。从本节中我们可以发现物联网标识技术的研究内容将涵盖：部署全球统一标识架构、进行全球统一标识管理、标识编码技术研究、标识加密/解密技术研究、使用标识及其寻址架构的标识验证和存储管理技术研究、创建针对海量标识架构物联网应用的全球标识目录查询和发现服务等等。

3.2物联网架构技术

从物联网架构技术的主要研究问题来看：未来的物联网将是一个混杂有大量的底层信息系统、上层商业应用实例以及其他数据与信息的环境。在其面向服务的整体架构（SOA）之中，不论是对于服务的提供者，还是对于服务的使用者，最为关键的问题就是如何在这样的混杂环境中实现相互之间有意义的通信。而且从现实情况来看，要实现这种对于服务提供者和服务使用者的整合，要实现他们之间相互的合作与通信的最大障碍将很大可能就是技术本身，是现在各种技术之间互操作问题的延续而已。从概念上，我们称可能造成上述这种现象的根本原因为“语义互操作性”问题。所以，在未来物联网架构技术的研究过程中，语义互操作性的研究将是关键的技术研究内容之一。但是我们也需要注意到，从现实情况看，语义互操作性的研究，也就是如何实现在多重混杂信息系统之间（这些信息系统既可以是服务提供者的，也可以是服务使用者的）进行相互通信这一问题，并没有一个完整的通解，而是采用多种途径来实现的。一种极端情况是，我们可以建立起一整套全面的信息共享模型，而且要求各种参与物联网的应用与业务之间都要符合这个信息共享模型的要求。这样做当然可以以不变应万变，强制的保障语义互操作环境的形成。但是问题是这种做法使技术过于刚性，不利于在未来物联网面向服务的整体架构（SOA）中实现各种业务流程间灵活的转换，同时也不能完全满足于未来不断涌现的新的业务需求。在另一种极端情况下，语义互操作性可以通过在各种各样的参与物联网的对象、应用和业务之间各个终端位置上设置恰当的语义转换器或者语义转换接口来实现。这样做将既可以不要求参与方根据共享模型改变他们自己的基础算法和业务逻辑，又保障了可以根据自己的理解来进行各种信息格式之间的转换与交流。但是这样的做法所要求的工作量和工程量将是巨大的。随着物联网的发展，单个系统和服务的工作任务就将成几何级数形式增长。所以我们应该断言，未来物联网语义互操作性的实现应该介于上述两种极端情况之间，而且要考虑到所处地点、所处时间、所处环境的具体需要，在这两种极端情况之间寻找一个合理的平衡点，既包含基于环境的独立信息共享模型，也采取特殊的语义转换手段来满足所处情景的个性化信息需求。

从未来物联网架构技术的设计目标来看：一方面，就其关键设计需求来说，物联网的架构技术应该可以实现海量的千差万别的物品（事物）之间以及物品与环境之间交互与应用的可伸缩性、可模块化能力、可扩展性和互操作性。另一方面，物联网的架构技术应该可以保障一个开放的具有竞争性的解决方案市场的形成。在这个开放的市场环境中，大量解决方案提供商和开发者将能够公平的开展竞争，起码在不受技术限制的条件下向他们的用户提供各种各样的应用与服务。最后，物联网的架构技术还应该允许来自世界各地的客户充分享受这样一个饱含竞争性的解决方案市场所带来的各种便利与好处，同时允许他们可以就其需求进行应用与服务的自由组合与使用。

接下来让我们从现在已知的物联网架构技术的某些细节出发：第一，在未来的物联网中，物品将在它们所处的环境中运动，同时物品将与它们所处的环境进行交互并且发生相互作用。在这一过程中，物品与环境的事件将会自动地产生。这些事件在生成后将会逐步得到加强，而且将逐步获得各种各样附加的语义信息。而这些信息可能描述了事件发生的场景，也可能揭示了事件形成的原因（比如，物品为什么在一个地点可以被发现，或者为什么一个物品可以与其他物品交互，以及一个物品如何与其他物品进行相互作用等）。所有这些都为我们的研究工作，特别是为自动解释事件的各种新方法提供了广阔的研究和创新空间。随着研究的继续，我们既可以为物品附加新的语义标记，又可以对物品接下来将会发生什么或者应该采取何种措施等开展预测和准备。因而，未来物联网的架构技术，或者说未来物联网的架构标准，在事件这个问题上，不应该只局限在今天关于事件的操作细节和触发原因的研究上，而应该开阔思路，思考如何支持在各种事件以及附加语义信息之间进行清晰、意义明确的通信等问题.

第二，在未来的物联网中，物品和实体的各种各样分散以及不对称的属性将会混杂在他们相互作用的过程之中。为了实现这些属性的整合，就要求未来物联网的架构技术，应该提供一整套可扩展、灵活、开放、层次清晰以及基于事件驱动的标准体系。通过这样一套标准体系，将可以最大限度的减少和消除任何的单一编程语言、操作系统、信息传输机制或者其他技术模式所带来的技术偏见和技术实现的不确定性与不对称性，而且可以在需要的时候充分利用现有的网络资源和能源供给促进物联网的建设与发展。

第三点，在构架物联网的过程中，重要的是要牢记，并不是所有的物品都具有永久的持续网络连接。很多物品自身并没有固有的网络连接功能，也不具备多少自身的处理能力，而是依赖于他们所处的本地环境或者远程的信息系统来获取“智慧”的。在这种情况下，物品需要有能力向信息系统汇报他们自身的位置、状态以及需求情况。这些应用系统往往会具有更加可靠的或者是永久持续的网络连接能力。通过这些系统，物品的数字化副本被表现为一个虚拟的对象。远程的已获得授权的物品将可以查询其属性，更新其状态，并且对其施加相应的影响或者操作。所以这要求未来物联网的架构技术需要提供高效的双向信息缓存和同步能力，以支持那些缺乏可靠连接的物品和应用场景。对于这种情况的一个比较容易理解的例子是这样一些地方，比如飞机的机舱内，那里的网络连接可能由于电磁干扰而不能使用，或者可能出于安全考虑而禁止网络连接的存在，特别是当这种连接可能会干扰某些关键任务系统和关键安全系统（像飞行控制系统或者是机内通信设施）时。

上面的情况更为普遍的出现在使用手持设备的情况下。比如，维修技术工人和维修现场监督将会使用手持设备检查一个飞机部件的完整生命周期内的历史信息。这里的网络连接就未必存在。特别是当检查那些放置在控制面板背后或者是无法触及的部件时，我们就更不能指望附近正好有一个在线的网络了。再比如万米高空上的飞机乘务员，在她们巡回服务的过程中，基本上没有网络的支持。这时她们手中的手持设备可能需要随时检查机舱内的各种安全设备（如：救生衣、氧气面罩、灭火器，等）是否配备齐全，是否状态正常或者有没有被放错了地方，以保障应对飞行过程中可能遇到的各种突发情况。在上述情景下，高效缓存的历史记录将是唯一的可用资源。通过将定位信息和历史记录缓存到手持设备上，我们将可以预先得到一份全面的安全设备存储清单（对于第二种情况）；或者是针对每一个飞机部件，即使是那些特殊飞机需要安装的部件，的完整维修记录列表（对于第一种情况）。这样，在任何的时间、任何的地点一旦需要与这些“物品”进行交互，这些清单和列表所预存的信息将马上被投入使用，为我们的接下来的操作提供便利条件。从另一个角度看，手持设备的内存不光可以被用来预先缓存信息，它还可以作为临时的更新记录来使用。比如，当有部件进行了调整，当观察到了新的现象，或者当发现了有丢失的安全设备等情况出现时，这些新产生的状况更新信息就可以被存储在手持设备的存储中。一旦这些设备返回到具有网络连接的范围内（比如WiFi网络或者一个连接器上），设备内存中的更新信息就会马上同步到网络内，以便于整个物联网及其应用可以随时对身处其中的物品进行数据更新和状态追溯。

第四点，未来物联网的架构技术的另一个主要研究内容将是分布式数据的所有权问题。也就是说，要让物品具有可以控制自身信息对于其它物品的共享权限和交互方式等能力。在授权控制这个话题，未来物联网的架构技术还应该提供一种机制，来支持从海量的数据源收集各种各样的分散信息片断。而且这种信息收集机制，应该保证不论数据源是预先知晓的还是没有先验信息的，都要能够实现对于分布式数据的授权范围内的全方位、端对端追踪与追溯能力。

下面让我们把重点放回到语义互操作性上。首先，如果把未来物联网的面向服务的架构，按照业务模式，理解为纵横交错的领域与层次的话，那么垂直方向应该代表物联网的各种应用领域，而横向则是表示着每个领域中的各种不同层次与级别。根据上面这种划分，针对物联网面向服务的架构（SOA）中的语义互操作问题，特别是各个垂直的领域，我们今天已经尝试并且发展出很多切实可行的研究方法和实践手段；并且通过使用这些方法和手段，已经在今天各种级别的应用中取得了不小的成功。下面四个现在饱受关注的研究领域就是这个方面比较典型的例子：

以物联网垂直应用领域为中心的业务词汇表的制定。

对于跨垂直领域的各种横向应用层次上的业务框架研究，比如ebXML、UBL，等。

对于语义门户网络的语义本体框架的研究。以及对于语义转换器和语义转换接口的研究。

其次，通过研究，我们注意到：一方面，物联网的各个垂直的商业与业务应用领域都有特殊性。具体到每一个领域，都有可能、有必要发展起一套依托于领域的共享词汇机制和业务流程与业务文档模型。但是，从另外的角度，我们也容易发现大多数、很多类型的商务业务流程和商业数据类型是可以跨越多个垂直应用领域公用的。所以，为了使像这样的业务词汇和业务流程是可以适应于领域无关的情况和规则的，在未来物联网的架构技术研究过程中，我们也还是有必要发展起跨领域的业务词汇和业务流程系统的，特别是像下面这些典型与领域无关的通用概念所显示的那样：

通用的业务概念、数据和文档格式，如采购订单、发货通知、调度指令等。

通用的商务流程、工作步骤、业务规则以及异常处理方式等。

独立于领域的其它概念，如合同、信任机制、角色、权限等。

最后，在未来物联网面向服务的架构（SOA）中，还真实的存在着第三种业务模式划分。那就是基于业务流程而产生的动态面向服务的架构（SOA）。站在今天的角度上，这种动态架构形式处理的主要是那些按照“发布——寻找——绑定”（“publish-find-bind”）这一概念建立起来的业务模式。在那里，业务参与者和各种相应的应用将会动态的参与到业务过程中来。相对于前面两种情况，这种情形下的语义互操作性问题将会及其重要与复杂。特别是当牵涉到中间的服务提供商的时候，由于各种参与架构和应用的企业之间本身就缺乏固态的商业关系，所以在他们之间实现语义互操作性将会使异常困难和繁杂的。

就上述基于面向服务的架构（SOA）的动态绑定体系的语义互操作性问题，很多业内人士已经提出了很多、很好的建议。其中像利用语义门户网络工作来设计出一套全面开放的语义本体系统，就是一个比较不错的想法。

通过本节的讨论，本领域中一些主要的观点和研究内容包括：

未来物联网的架构将是具有端对端特性、不同系统间互操作能力、中立访问能力、明确层次划分以及抗物理网络中断和干扰能力的分布式开放体系结构。

未来物联网的架构将是基于对等节点的、分散的、具有自主能力的体系结构。

未来物联网的架构技术的主要研究内容将涵盖：云计算技术、事件驱动体系、缺少网络连接能力情况下的操作与数据同步等问题。

3.3通信技术

可以想见，未来物联网中的应用必将是多种多样、形式各异、丰富精彩的。而随着时间的推移，随着研究和建设工作的不断深入，作为未来互联网基础组成平台之一的物联网，必将为其上的各种应用在应用领域、范围以及设计思路、理念上，提供巨大的发挥与施展空间。其中就通信技术领域来说，物联网的通信结构和通信技术将呈现下面多种情况：

从部署方式来看，将包括一次性部署、增量部署、或者随机部署等多种方式。

从移动能力上来看：给定环境中的全部或者部分的“物品”将可能是固定的、不移动的，或者是偶尔移动的，抑或是持续的、一直在移动着的。

从成本、规模、资源和能源的角度来看：将涵盖资源有限型到资源无限型等各种情况。

从构造和类别情况来看：将既可能只针对单一类型的物品，也可能处理的是根据不同性质、不同属性或者不同层次而组合在一起的各种“物品”集合。

从通信方式来看：可能采用电磁通信（比如射频通信）、光学通信、声学通信、感应通信以及电感和电容耦合通信等多种手段.

从基础设施和基本架构的使用情况和适应性来看，同一物联网基础设施对于不同的应用将既可能是相容的，也可能是相排斥的，亦或者是相互依赖的.

从网络的拓扑结构看，将包含单跳网络、星状网络、多跳网络、混合网络以及多层网络等各种网络类型。

从覆盖情况来看，物联网对于各种“物品”以及应用将可能是稀疏覆盖、高密度覆盖，或者是冗余覆盖的。

从网络连接能力和连通性上看，将是持续连通、临时连通或者是偶发连通的。

从网络规模上，将从几个、几十个、几百个、上千个到成千上万个节点不等.

从生命周期角度，物品的寿命将从几小时到几个月甚至是几年。

在服务的质量要求上，有的物品和应用要求执行实时性约束，有些要求具有抗干扰性，而有些可能是无需进行干预的。

正是由于上述情况，也正是由于物联网建设过程中的设计空间巨大，才会给我们的开发和研究工作带来各种各样的困难；实际遇到的情况也往往是极其麻烦的。在这一过程中，对于通信技术，可能有一部分研究者会认为上面问题的解决之道并没有想象的那么复杂。比如他们希望可以在设计空间中选取最为基本的原点或是假设最大的可能程度（像选择那些最低级别的“物品”能力或者是那些最大的移动情况等），来开展我们的设计和研究工作。他们觉得这样做应该就可以解决上面这些问题了。但是，不幸的是，从今天的研究来看想要在宽阔的空间中做出这种通用“最低限度”或“最大程度”的选择判断是那么的困难；以至于根本不可能存在单个软件或者硬件平台能够支撑整个物联网以及其上应用的设计需要。因此结论是：我们必须放弃在物联网研究过程中实现统一的通信方式和通信技术的幻想，转而采用多样化的、多种不同构造的通信系统来解决未来物联网的实际通信问题。

通过本节的讨论，未来物联网通信技术领域中的一些主要观点和研究内容将涵盖：

如何实现基于未来物联网的高效、节能的通信方式

如何实现多重射频前端和多种射频协议之间的融合

通信频段和无线电频率分配问题

可软件定义的无线电通信系统（SDR）[2]的研发工作

可感知无线电通信技术（CR）[3]的研发工作

具有内部协议通信能力（综合各种通信协议，像ZigBee、6LoWPAN、WiFi等，的无线混合网络）的高效、节能无线传感器网络的研发工作

3.4网络技术

物联网的建设和发展将依托于网络技术的研究工作。只有通过网络技术的发展与支撑，未来物联网才有可能接触到现实世界中各种各样实际的物品，并且将这些物品带入到物联网之中，最终实现上面章节中所展现的各项宏大的愿景。从今天来看，这一趋势已经十分明显，并且网络技术领域的研究工作也已经有了初步的眉目：RFID技术、短距离无线通信技术和传感器网络技术，这些网络技术的蓬勃发展，使得上述愿景已经在一定范围内成为了现实。再拿已经家喻户晓的IPv6技术来说，由于它进一步扩展了网络地址空间，我们完全有理由相信他将在一段时间和一定范围内为物联网中物品之间的互连、物品的监控与追踪提供各种便利条件。

对于网络技术领域来说，在未来的物联网中，安全性、可扩展性以及横贯多种不同网络系统的跨平台兼容性与互操作性将是至为重要的。所以在这个方面，未来的网络技术不能再仅仅从考虑如何降低用户成本这个角度出发了，我们应该将研究重点放到如何实现将近乎所有物品都纳入到网络中来所必须的适应能力这个问题上，同时还要适时地根据未来这种无处不在的网络接入能力对现有信息与数据处理方式进行彻底的调整以及改变。说到这里我们需要指出这样一个事实，那就是今天的IP技术已经为端对端设备通信提供了必要的支持环境，而这样的环境中并不需要中间协议转换网关的存在。所以，对于今天的某些研究思路来说，我们要强调协议网关本身在设计、管理和部署时就是十分复杂的。虽然未来的物联网确实需要端对端的通信连接能力以及跨平台的兼容性与互操作性，但是如果我们把心思放到设计各种各样的协议转换网关上并不是十分必要的。特别是对于现在网络技术的研究来说，是以IP技术为基础的，而基于IP的端对端架构，并不需要任何协议转换网关的参与。

继续上面的讨论，我们还要看出未来网络技术需要产生新的具有可扩展性的网络体系结构，并且要让这个网络体系结构被设计来适应于未来普适传感器网络中的各种通信情况，特别是要考虑到未来物联网将允许数十亿设备所组成的各种各样的网络存在其中这样一个事实。这就要求我们在安全可靠无线通信协议方面继续开展研究工作，并且使得这个领域中的技术发展方向适应于“普适传感器网络中各种无线可标识设备之间实现基于关键任务的应用”这一要求。

通过本节的讨论，未来物联网网络技术领域中的一些研究内容将涵盖：

网络技术（固定的、无线的、移动的等）

临时自组网络技术

3.5网络定位和发现技术

在未来的物联网（IoT）中，不但网络是动态变化、持续演变的，物联网中的各种物品也将是随时变化的，而且这些物品将会在不同程度上呈现出各种级别的自主能力。在物联网的环境中，新的“物品”将会不断被纳入到现有的网络拓扑结构中来，网络也将持续的向四周拓展其疆界。在这种情况下，为了实现至关重要的网络管理能力和必须的整体通信管理能力，物联网要求其中的各种网络需要具备自主的网络发现机制与网络映射功能。通过这些机制与功能，物联网中的网络管理能力将得以不断的扩展。通过这些机制与功能，物联网将得以准确、高效的为其网络中的各种设备自主分配所属规则以及自动指定所应扮演的角色。同时通过这些机制，物联网将能够根据预先设定的基于各种职能匹配的模板和属性，自动地进行部署，自动的在各种状态（主动或是被动）间进行切换，自动地根据特定的规则和属性自己打开效率监控系统，自动的激活、停止、管理或者规划发现流程。最后，物联网也将可以通过上面这些机制与功能，自主地对任何规则和角色进行调整和改变，实时的进行配置情况监控，以及在任何需要的时间点上自主的创建所需配置文件。

这样，设备之间的交互行为将会摆脱“需要对地址和服务终端进行预先定义或者硬编码”这一限制，所有的连接行为都可以在运行时进行动态的配置与执行。这将让所有物联网中的设备和物品，特别是那些具有潜在移动性的设备和物品，可以随时动态的形成互相协作的团体和组织，以适应不断变化的环境。就像今天那些在局域网层级上的发现协议（如WS-Discovery [9] (作为WS-DD的一部分), Bonjour [10] 以及 SSDP [11] (作为UPnP的一部分)）所展示的一样，未来的物联网必将能够实现最大限度帮助物品以及我们人类进行无限的动态交互行为这一目标。

也许你可能认为上面的叙述只是理想，实现的路程将异常漫长，那么我们需要指出：就在现在，被动的和动态的发现机制已经不是天方夜谭，而且已经在很多场景下得到应用。所以，随着技术的发展，我们完全有信心实现上述的主动的以及被动的实时动态网络数据发现机制与规则。

在本节的末尾，还需要提醒未来的研究者们：上述这些发现服务还必须基于身份验证和授权机制来进行部署的，以满足物联网的各种隐私性和安全性需求。

3.6软件和算法技术

对于未来的物联网来说，其中很多的物品将是资源受限型设备。就软件和算法技术领域来看，一方面，为了满足物联网互通互联的要求，这些设备及其中的微操作系统起码需要具备一定的计算能力，允许本地闪存文件系统，提供完整的IP协议栈（要考虑既包括IPv4也包括IPv6），并且拥有一个强大的开发社区或者全面开发工具集合的支持。今天，满足上面这些要求的系统已经有了很多的尝试，其中比较成功、也是比较具备潜力的系统之一就要数Contiki [12]了。

另一方面，在建设物联网（IoT）应用的过程中，软件和算法技术领域中一个主要的技术挑战将是如何组建一个通用的软件底层平台。通过这个通用的软件底层平台可以将各种不同环境中的软件组合成一个复杂的合成系统功能，可以从一大堆没有任何联系的软件模型中抽象出并且建立起连贯一致的应用。从现在的研究来看，为了实现这些目标，我们需要将研发的重点放到面向服务的计算上来，开发出既可以支持分布式部署也可以联合起来运行的各种应用模式，以满足未来物联网网络中各种具有互操作能力的机器与机器之间、“物品”与“物品”之间的交互行为。在研究的过程中，我们的工作不但要基于现有的各种网络协议，保证应用的通用性和技术的连贯性；同时在此基础上，我们需要定义新的协议和规则来表述和处理实际遇到的各种服务问题与服务需求。从一定意义上来说，我们可以想象未来面向服务的计算将通过松散的组织以及整合各种各样的网络服务功能，形成一整套植根于未来物联网的十分重要的且不可分割的虚拟网络体系结构。

通过本节的讨论，未来物联网软件和算法技术领域中的一些研究内容将涵盖：

各种开放的中间件平台的建立

高效节能的微操作系统的研发。

分布式自适应软件的研发工作，而且要让这些软件可以具有自主优化、自主配置、自主修复（或者简言之自动化）能力。

基于交互式组件型/模块化抽象网络资源和网络功能的轻量级开放中间件的研发工作。

仿生算法（如自组织算法）和博弈理论（用来解决像公共财产悲剧和恶意结点攻击等问题）的研究工作。

自主管理技术的研究工作，用来处理日益增长的复杂性。

针对更高的安全性和隐私性要求的密码分配和管理机制。

拥有自主节能意识的操作系统技术的研究工作以及这种技术的早日实现。

3.7硬件技术

在硬件技术领域：首先，随着纳米电子学在无线可标识系统中得到广泛的应用，未来物联网中的设备将更加的精巧化，成本将得到进一步降低，而性能却会飞速的提升。

其次，通过对聚合物电子器件技术的深入研究，我们完全有希望开发出廉价、无害甚至是可降解的新一代电子器件技术。通过这些器件的使用，RFID标签技术和传感器技术将更加的完善，将可以实现集逻辑电路和模拟电路于一身，并且整合有n型与p型薄膜晶体管（TFTs）[4]、电源转换、电池系统、存储设备、传感探测装置和主动式标签的新型RFID标签元件和传感器元件。

图4 物联网的设备技术所需要考虑的问题

再者，用于感知和监控环境参数的各种系统中将普遍采用硅晶体集成电路技术（Silicon IC technology）。这样将使得这些系统可以获取更多的功能，并且可以满足非易失性存储介质（non volatile memory）[5]的要求。在未来的研究中，我们需要开展下列技术的研发工作：第一，极低能耗、极低电压和极低辐射泄露的亚微细粒射频互补型金属氧化物半导体技术（RF CMOS）的设计工作；第二，高效直流到直流（DC-DC）电能转换技术解决方案的研发工作；第三，极低能耗、极低电压可控制的非易失性存储元件的研发工作；第四，射频微电子机械系统（RF MEMS）与微电子机械系统（MEMS）相整合的各种设备的研制工作。而在这些技术之中，高度精巧型集成电路技术无疑将成为研究的焦点，特别是对于下面这些领域来说：

多重射频频率的具有自适应能力和重配置能力的前端系统。

高频/特高频/超高频/极高频通信技术。

电子擦除型可复写存储技术（EEPROM）[6]/非易失性铁电存储技术（F-RAM）[7]/聚合物存储技术。

128/256位标识和其他类型的标识技术。

多重通信协议。

数字处理技术

安全技术，包括防篡改应对技术，以及旁侧信道攻击挫败技术等。

通过上面这些技术的发展，物联网及其应用中无线可标识设备将呈现两个全新的发展趋势：

其一，“嵌入式智能”将得到进一步、广泛的应用。

其二，嵌入式智能之间的各种通信和联网行为也将更加的普及.

所以，有了上面这些发展，物联网将为未来的系统提供商开拓出更加新颖、更为广阔的服务空间和商业机遇，并且将可以为未来数百亿设备之间潜在的通信和交流需求提供全面的支持与保障。在这一过程中，下列的三个主要趋势将会凸现，那就是：

首先，具有局限特征的极低成本标签将会出现。通过这些标签，信息将在各种数据服务器上集中，并且由各种服务操作人员或者机制进行统一的管理。而这种类型的标签将在未来的数据管理技术中发挥非常重要的作用。

其次，具有附加扩展特性（如额外的存储容量和感知能力）的低成本标签将会得到发展。这样，各种信息将会同时存在于中心数据服务器上以及这种标签之中。通过高效网络基础设施的支持，这种标签以及这种标签之间的交互行为和数据管理功能，特别是可以将数据转换为可以付诸行动的信息等能力，将会在未来的通信和数据管理中扮演至关重要的角色。

最后，通过深入研究固定的和可移动的智能标签以及嵌入式系统，更多的功能将会变为标签的本地服务。标签本身就将携带有各种智能系统，比如感知/传感系统、监控系统以及驱动系统。这样做的话，标签也就成为了信息的集中体。而这种标签也必将会在各种保证安全高效网络同步行为的信息交互管理进程中发挥关键的价值。

可以这样来说，通过我们在未来物联网硬件技术领域的不懈努力，未来，具有设备间交流能力的各种智能设备将成为主流；同时通过这些智能设备将可以为我们组建起各种各样具有更高级别智能以及更高等级自主能力的智慧系统。这不但将会让物联网及其应用得到更加快捷与便利的部署和执行，而且将为我们人类未来的生活提供更加丰富的服务类型与支持方式。

3.8 数据和信号处理技术

今天，在各个纵向的产业领域之中，各种不同的产业团体已经充分认识到可扩展标记语言（XML）[1]将可以作为商业活动标准化过程中的基本语言进行使用。各个纵向产业也已经成立了各自的标准化组织来发展各种针对于特定行业的XML标准技术。在具体操作的过程中，这些技术的基本思想是通过使用XML的节点以及节点属性来表述各种商业语义概念，如合同、信任程度、处理过程、工作流程、信息以及其他语义数据等。而这些XML的完整词汇清单将作为通用的文档类型定义清单（DTD）[2]或者XML结构方案（XML Schema）[3]而存在，以便于该产业的其他成员可以共同使用这些信息，帮助产业的发展和信息的交互。这样当所有或者绝大多数产业成员都开始使用这些文档类型定义清单（DTD）和XML结构方案时，该产业内部的语义互操作性也就得以实现。

今天，在各个纵向的产业领域之中，各种不同的产业团体已经充分认识到可扩展标记语言（XML）[1]将可以作为商业活动标准化过程中的基本语言进行使用。各个纵向产业也已经成立了各自的标准化组织来发展各种针对于特定行业的XML标准技术。在具体操作的过程中，这些技术的基本思想是通过使用XML的节点以及节点属性来表述各种商业语义概念，如合同、信任程度、处理过程、工作流程、信息以及其他语义数据等。而这些XML的完整词汇清单将作为通用的文档类型定义清单（DTD）[2]或者XML结构方案（XML Schema）[3]而存在，以便于该产业的其他成员可以共同使用这些信息，帮助产业的发展和信息的交互。这样当所有或者绝大多数产业成员都开始使用这些文档类型定义清单（DTD）和XML结构方案时，该产业内部的语义互操作性也就得以实现。

追溯历史来看，最初这类标准的产生是从国际标准化组织（ISO）[11]的元数据注册国际标准(ISO/IEC 11179)以及OpenGroup[12]的通用数据元素体系(UDEF)开始的。这些标准都是通过为那些在语义上具有等价性的数据元素（尽管他们在不同的标准中可能有不同的名字）提供全球唯一的交叉引用方式和标识结构来实现的，以便完成“在不同的表达方式以及不同的数据词汇字典之间进行结构数据的语义互操作行为”这一根本目标。

而ebXML（电子商务用可扩展标记语言）[13]，作为一种端对端的堆栈式标记语言，则是由联合国贸易促进与电子商务中心（UN/CEFACT）[14]以及结构化信息标准推进组织（OASIS）共同主持和开发出来的。ebXML旨在解决全球贸易和电子商务过程中的标准化B2B商业协作问题。ebXML的基础是全球流通和贸易领域电子数据交换（EDI）技术。这种技术是为了实现在多个商务伙伴之间进行电子商务行为的管理而研发出来的。同时在设计之初，ebXML就已经考虑了如何允许任意大小、处于任意地点的企业可以通过电子的手段发现彼此，以及通过交换XML信息的方式进行商务行为等问题。ebXML早期基础是早期的商业词汇语义方法，比如Commerce One的XML通用商业词库（xCBL）[15]和Open Applications Group的商务对象文档模型（BODs）[16]。

对于ebXML来说，它提供了一种基于可扩展标记语言（XML）的开放体系结构，使得企业可以通过电子的方式管理自己与其他企业以及自己与客户之间的各种业务。事实上，ebXML可以说是有一些列电子商务活动相关标准所组成的集合。在ebXML的堆栈结构中，语义被限定在两个不同的操作层级之上：核心组件针对的是数据字典层级的操作，而通用商业语言（UBL）[17]则是针对标准商务文档级别的操作。

在ebXML的组织结构之中：核心组件描述的是那些电子商务讯息创建过程中基础语义数据对象所引用的各种概念。核心组件标准解决的是跨越多个行业和商务领域的通用数据对象采集问题。而且通过采用分层的方法，核心组件将可以依照所处环境（这里是指数据对象所处的环境）进行特别的规定与整合。这样事实上将存在两种类型的核心组件：(a)基本的核心组件——那些简单的、基础的、独立的用以描述不可再细分语义的概念，比如物品编码、标识等。(b)合并的核心组件——那些由多个核心组件组合而成或者整合在一起的组件集合，例如地址等。

而另一方面，由结构化信息标准推进组织（OASIS）所推出的通用商业语言（UBL）则是为了解决可重复使用的语义业务文档发展过程中所必须面对的各种问题，以及跨越多重商务流程和纵向业务领域的互操作性问题而存在的。所以根据上面对于核心组件的划分，由于核心组件可以被特定到两种元素类型：即核心组件元素和商业业务信息实体（BIE）。从结构上，我们可以认为通用商业语言（UBL）针对的是商业业务信息实体（BIE，既包含基本的商业业务信息实体，也包括合并的商业业务信息实体）领域的各种需求。

最后，可扩展标记语言作为语义互操作性基础解决方案的典型事例就是那些语义门户网络中的基础标准，特别是来自于万维网联盟（W3C）的那些标准，如美国国防部高级研究计划署代理标记语言（DAML）[18]、资源描述框架（RDF）[19]以及网络本体语言（OWL）[20]等。通过他们的介入将为我们在未来物联网动态环境下进行动态商务流程和业务服务发现提供必要的语义基础支持。

下面，对于物联网的数据和信号处理技术领域来说，我们还需要涉足另外一个问题，那就是智能决策算法的研发工作。未来的智能决策算法将不仅仅是对于某一个独立事件（如一个独立观察到的或者感知探测到的现象）的单独反应。物联网中的智能决策算法通常需要在通盘考虑事件之间的关联性以及原始传感探测数据的转换处理结果之后来进行最终的判断。这无疑将给研究工作带来相当的复杂性。不过我们也不必气馁，因为现在一些用于进行复杂事件处理的工具集合和技术框架已经存在（比如ESPER[21]和DROOLS[22]）。相信他们必定会在我们未来开发和制定机器可读规则，特别是如何依据特定系列事件来触发特定活动或进行特定处理时起到重要的借鉴和提点作用。

同时，未来的智能决策算法还有必要综合评估多种规则，详细考虑各种可能的诱因以及所应采取的合适响应或者合理结果。特别是对于通过传感和探测手段得到的数据来说，他们可能需要进行一定的预处理，比如减少噪声、评估与中心数据点的距离、进行平滑或者平均（很可能是沿时间轴向的）处理等。甚至，更进一步的，某些类型的传感数据可能还需要进行特定的转换以适应于智能决策算法的处理要求。

上面所说的智能决策算法的例子已经比比皆是：比如，根据温度数据以及易腐烂产品的生物化学反应知识与经验，智能决策算法完全有能力计算出有毒微生物的数量是否达到了危害健康的水平。这是由于有害微生物的增长率很可能是依赖于温度而呈现非线性增长的。再比如，通过将傅立叶变换以及复数逆谱变换（即对傅里叶变换结果的复对数应用傅里叶逆变换的所得到的结果）应用于振动数据，我们将可以检测到特定共鸣频率下的振幅变化以及这样频率下谐波的相对振幅变化。从而通过传感数据经过这些变换后得到的结果侦测那些敏感的退化、不稳定或不平衡迹象，更早的发现可能出现的各种机械故障与问题等。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括：

语义互操作性、服务发现、服务整合以及语义传感器门户网络技术

数据共享和协作规则

自动代理机制

人机交互技术

边界处理、滤波和聚合算法

服务和流处理的质量问题

3.9 发现和搜索引擎技术

在未来的物联网中，物品的种类和类型将是千差万别的，所以物品的各种信息和服务也将不存在统一性，而是分散于很多不同的对象之中。从层次结构来看，物品的信息和服务既可以是在类别层级上进行部署的（即相同类型内所有物品实例的公有信息和服务），也可以是针对独立的个体的（即那些单个的物品所独有的信息和服务）。而就提供者来说，这些信息和服务可能是物品创造者或者生产者所权威提供的，也可能来自于其他的物品，比如那些来自于物品在其生命周期中某些阶段与特定物品进行交互而获得的信息与服务。

因此，物联网的发现与和搜索服务的发展应该不仅仅被局限于链接物品的特定的信息和与服务，而应该考虑建立一种信息和服务的安全的接入方式。这种方式不但要充分考虑链接方（或者说使用者、请求者）的意愿，还要尽可能顾及服务和信息提供方的安全性以及保密性要求。也这有这样做，我们才有可能在充分信任的基础上建立起依照这种接入介入方式建立起的信息服务请求者与提供方之间的和谐匹配关系，或者说是搜索与发现体系。另外，随着物品在现实世界中的运动，它将经历变化的环境，也会遇到其他智能的物品或者媒介对象。在这个过程中，物品将会监测其他物品和媒介对象的状况，反过来其他物品或媒介对象也在实时监视着这个物品本身。这样就要求我们为未来的物联网建立起一套发现和查找机制：一方面，通过它，物品将可以发现自身功能或者服务在所处本地环境中的可用性。而这些功能和服务既可能是传感探测能力，也可能是驱动装置是否可以激活；抑或是，这个物品是否具有网络通信的各种接口、是否配备用于数据转换、运算和处理的各种设施，是否可以进行传送、运输、处置以及发生问题时的人为处理方式与各种报警能力，等等。

另一方面，通过发现与查找机制，物品也将有能力发现所处环境中对等物品的存在性以及他们的标识与身份。这样，物品与对等体（处于同一个地点，或者采用相同的传输方式，等）之间将可以自主的根据共同的目标（比如，对于运输和目的地的共同要求、特殊的处理步骤、储运的条件与环境（像要在特定的温度范围内），等）展开谈判与协商，明确各自的身份，解决相互之间的冲突，共同制定高效、协同、可靠的解决方案，并且相互协作、付诸实施。特别的，就现在而言，当物品计划和他们所处的本地环境以及所要求的运输环境中的传输装置进行交互时，这种机制将为我们节约很大的人力以及物力成本，同时也将开拓出大量新的商业机遇与产业领域。上面主要说的是信息和服务的发现与搜索问题，然而当我们处于现实的环境之中，信息的请求者（物品），也包括他们的虚拟副本，将经常需要监测物品的实际位置。而这些位置不一定是物品确切所处的实际地址，很多情况下位置信息将表现为或者抽象为“逻辑的”地址。这些地址既可能是某一位置地址的层次结构，也可能是这些层次结构的联合体，当然，如果幸运的话，位置将以我们常见的3维地球空间位置坐标形式而存在。

在这种情况下，物联网中的很多应用必须拥有可以理解位置概念的能力，并且也要求物联网的各种地址模型之间存在若干机制允许在相对于空间的实际位置与其所对应的逻辑地址之间搭建起可逆的对应关系。同时，物联网的某些应用还要求可以解释各种空间关系和几何概念，比如位置的重叠或者是边界的交集等。这种能力将是非常重要的，特别是应用于解释那些来自于传感器的数据的时候。因为，当传感器被安置在距被测物品有一定距离的情况下（比如，可能是由于温度因素，传感器不能靠近待测位置），就需要根据待测物品的实际位置以及传感器的位置判断或者推测物品处于平衡状态时的各种参数与数据。

最后，物联网中的物品和对象还要有能力进行断言，并且可以为该断言负责。只有这样其它物品和对象才能通过搜索和发现找到这些断言，并且根据这些断言判断一个物品或者对象的状态与类别。举例来说，断言可能是管理某个独立的物品事件的，比如这个物品有没有被售出、这个物品是不是已经销毁、这个物品是不是已经被挂失或者遗失的物品是不是已经被找到，抑或物品是不是需要标记为找回以及物品是不是需要进行回收以保护环境，等等，等等。再比如断言可能是用来声明一个物品的类别或者是状态的，像商品的评价、产品的评分、使用建议与要求、物品的用户帮助或者使用技巧，以及针对物品的全新服务和更新功能的可用性等（例如，物品是不是使用了新的软件或者是新的固件版本等）。此外，断言还可以被用来表明一个物品的标识或者这个物品与其它物品之间的关系，就像那些表述物品在一个物品联合体中的对等地位的断言那样。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括：

设备发现技术、资料库/数据库分布式部署技术

物品的定位、本地化以及局域化技术

现实的物品、数字化的物品以及虚拟的物品之间对应关系建立方式和规则的研究工作

物品的地球地理数据相关技术

3.10 关系网络管理技术

物联网需要管理各种网络，而网络中不但存在了数十亿的物品，还存在着海量类型的软件、中间件、系统以及硬件设备。所以未来物联网的网络管理技术将涵盖广阔的范围，并且需要考虑各种因素，从元素容纳、安全性保证，到性能优化以及可靠性要求，等。

首先，网络管理技术需要涉及分布式数据库/资料集合的管理、网络设备的自动轮询，以及实时网络拓扑变化和网络流量分布的图形界面监控系统。其次，物联网中的网络管理服务，需要开发出各式各样的工具、应用软件和设备，来辅助监控与维护那些参与到物联网及其应用中的各种类型的网络。

最后，就像今天在互联网上蓬勃发展的社区网络服务那样，未来物联网的网络管理技术还需要允许物品之间形成各式各样依托于网络的关系。这些关系既可能是传统的、标准的、经典的类型，比如物品对于物品集合的隶属性等；还可能是新颖的、松散类型的关系，比如基于一个意外或者事件所形成的短期临时性联盟结构等。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括：

以物品作为桥梁的经验和认知[23]传播技术

物品的标识、关系、声誉以及评价管理

3.11 电源和能量存储技术

在未来的物联网（IoT）之中，自主的“物品”要想参与到物联网及其应用之中，要想完成他们在物联网中的各种任务以及工作，就不但需要具有处理和执行能力，而且需要拥有对于情况变化和触发事件的监控能力。而所有这些都需要能源供给的支持。

今天，具有足够能量的微型电池正在为物品提供他们生命周期中所需的电能，并且能量捡拾技术（energy scavenging technologies）[24]也正在如火如荼的发展，以便于物品可以从他们所处的环境中收集能源并且为己所用。

但是，由于环境是变化的，物品被使用的地点和方式也经常进行调整，所以未来物联网的能源收集方法和手段也将会是多种多样的，比如可以采用射频/无线电、太阳能、声音、震动、热能，等等方式。

出于节能的需要，未来物联网的物品，特别是那些具有本地电源的物品将很少主动发送信息。对于未来物品的能源技术来说，我们要考虑的是如何让物品的读取设备或者是物品所构成的环境来为发送与接收信息支付相应的能量开销。因此，我们有必要开发低功耗的环境信息传递技术。举例来说，就像现在的大热门——无线传感器网络，如果对于特定情况和条件，大量存在具有传感功能的物品，并且空间分布比较均匀。那么，只要读取设备进入到这个网络中来，并经由距离最近的“物品”开始发起传送行为，这个网络的通信功能所消耗的能量就有可能被降低到尽可能低的水平上来。

电源和能量存储技术是未来物联网（IoT）及其应用发展和部署的关键引擎。要满足这样的要求，这些技术还要提供高密度能量生产和采集解决方案。同时，当与低功耗纳米电子学技术相结合时，能源技术将会得到全面的升华与提高。就单拿传感器技术来说，上面这种技术的融合就使得我们有希望在未来开发出具有自供电功能的无线可标识智能传感器系统了。

为了适应于未来物联网其应用的能源需要，我们需要研究能量生产和采集技术的相关内容。从现在的研究来看，一个典型的能量生产与采集单元一般需要具有如下四个主要的组成部分：能量采集设备、能量转换设备、能量存储设备以及能量传送装置。希望这种划分可以为我们接下来的研究工作提供一些基础的出发方向。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括：

电池和能量存储技术

能量采集技术

能源消耗映射与关联技术；允许“物品”可以针对各硬件部件进行细粒度精细能源需求、使用与消耗估计及测量的相关技术，以便于未来物联网中的物品可以根据具体的能量需求安排软件的优先级并且调度相关软件的使用。

3.12 安全和隐私技术

物联网需要面对两个至关重要的问题，那就是个人隐私与商业机密。而物联网发展的广度和可变性，从某种意义上决定了有些时候他只具备较低的复杂度，因此从安全和隐私的角度来看，未来物联网中由“物品”所构成的云将是极其难以控制的。

对于安全性相关技术，我们将有很多工作需要完成。首先，考虑到现存的很多加密技术，为了确保物联网的机密性，我们需要在加密算法的提速和能耗降低上下功夫。此外，为了保障物联网密码技术的安全与可靠，未来物联网的任何加密与解密系统都需要获得一个或几个统一密钥分配机制的支持

对于那些小范围的系统，密钥的分配可能是在生产过程中或者是在部署时进行的。但是仅仅对于这种情况，依托于临时自组网络的密钥分配系统，也只是在最近几年才被提出。所以，工作难度和任务量可想而知。

对于隐私领域来说，情况就更加的严峻了。从研究和关注度的角度来看，隐私性和隐私技术一直是整个技术和应用发展过程中的短板。其中一个原因当然是公众对于隐私的漠视。而对我们技术人员来说，最大的缺憾将是保护隐私的各种技术还尚没有被成熟的研究与发展出来：首先，现有的各种系统并不是针对资源受限访问型设备而设计的；此外，我们对于隐私的整体科学认知也仅仅处在起始阶段（比如，对于一个人整个生命过程中的隐私的相关认知观点）。

从技术上，物联网物品的多样性和可变性将会增加我们工作的难度与复杂度。而且仅从法律的角度上看，有些事情也还没有完全得到合理的解释。就像隐私法规的合理范围以及物品在物品协作云中的数据所有权等问题就将在相当长的时间内困扰着我们大家。

图 5 物联网的安全与隐私技术所需考虑的问题

对安全与隐私技术领域来说，从现在的研究来看，我们可以相信网络和数据的匿名技术将为物联网的隐私提供某种程度的基础。但是，目前，由于考虑到计算能力和网络带宽的要求，这些技术只有那些功能强大的设备才能够进行支持。所以我们还要努力，不光是更加深入的研究网络与数据的匿名技术，同时要考虑将同样的观点引入到设备授权使用和信任机制建立上来，以促进整个物联网安全以及隐私技术领域的发展。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括:

基于事件驱动的代理机制的建立，从而帮助各种联网设备和物品实现智能的自主觉醒和自我认知能力

对于各种各样不同设备所组成的集合的隐私保护技术

分散型认证、授权和信任的模型化方法

高效能的加密与数据保护技术

物品（对象）和网络的认证与授权访问技术

匿名访问机制

云计算的安全与信任机制

数据所有权技术

3.13 标准化和相关技术

不论是未来的物联网标准研发，还是今天的标准化工作都必须要遵循两个根本准则，那就是：确实可行准则和广泛可行准则。确实可行是指我们研发的标准在技术上是正确的，在方案上是可行的，在叙述上是清楚的，要尽量减少标准技术产生错误和歧义的可能性。广泛可行则是指标准要能够支持很大范围甚至是全球的应用，要可以解决很多行业的一般性需求，要能够使得具备一定条件的公司、组织以及个人可以实现标准中的方案，并且这些方案和技术要是尽可能廉价甚至免费的。同时标准还应顾及环境、社会乃至一般公民的各种需要。这样的标准才是具有生命力的，才是能够推动各行业、各地区、各个国家以及全球经济发展、技术进步的标准化技术。所以在这样的背景下，让我们看一看未来物联网中几个比较重要的标准化内容：

首先，未来的物联网中有一系列标准是我们今天的工作所很难涉及的。我们都知道，未来的物联网中将有很多的技术和应用是基于语义的，那么就要求物联网的标准制定者在未来的工作中可以时刻保持与各种利益相关方的充分协调和沟通，尽可能研发出未来物联网环境下的标准化语义数据模型和语义数据本体，确定通用的接口和协议准则，并在抽象的层面上定义它们。这样，我们就可以将这些语义模型、语义本体、通用标准和协议以及各种物联网应用和实例与各种技术（如：XML技术、ASN.1技术[25]、web services技术）相绑定形成未来物联网环境下完整的可以跨平台、跨语言的技术体系。

而且不单标准化工作将帮助形成未来物联网中基于语义的技术体系，本身上面这些工作也将协助我们进行文本编写甚至是标准制定工作。这是由于，在物联网语义技术得到完善的环境下，通过使用语义本体以及机器可读的编纂技术将可以帮助我们在起草和阅读文本的过程中避免由于人为错误或者语言差异而产生的各种不同的理解结果。这样，不论你在世界上的什么地区，不论你使用何种语言，通过参照各种物联网或者未来互联网中的系统所产生的有用附加信息，都将可以减少产生语言歧义的可能性。世界也将变得更容易沟通、更加和谐。

其次，物联网的标准化还将包括大量的通信标准制定工作。像物品间的双向通信、物品与物品的信息交换、物品与环境的信息交换、物品与其它数据对等体[26]的信息交换都需要未来物联网的标准化支持

最后，未来物联网的标准化工作还将基于今天的标准化工作，还要尊重现在正在实施的很多标准。当然，这很可能会给我们的工作带来一些限制和麻烦。举个例子，在设计未来物联网中的通信标准的过程中，我们不但要考虑有效的使用能源、提供足够的网络容量，还需要尊重其他的一些约束条件，比如现行法规所规定的无线电频带限制和射频通信电源水平等。所以随着物联网的发展，我们要经常检查所制定的标准和方案是否符合这些监管原则和约束条件，同时要调查这些监管原则和约束条件是否满足物联网对于容量和可扩展性的要求，并在必要时采用像增加分配可能的无线电频段等形式解决遇到的实际问题。

在无线电频段方面，我们将面对一个巨大的特殊挑战，那就是如何保障全球的互操作性，特别是针对那些使用无线电进行通信的物品和设备。从过去的情况来看，很多无线电频段已经被分配在各种用途之上，比如广播通信（AM、FM、数字音频广播、地面模拟电视信号和地面数字电视信号等）、移动电话、市民波段电台（citizen-band radio[27]）、紧急服务通信、无线互联网、短距离无线电通信等。这就是说，无线电频率的分配并不是全世界所有地区协调一致的。即，相同的频率在不同地区的用途可能是不一样的，相同的用途在不同地区使用的频率也可能是不一样的。

重新分配无线电频段将是一个非常困难、非常复杂以及非常缓慢的进程。在其中将涉及各种政府机关、监管机构和国际组织。像国际电信联盟（ITU[28]）这样的世界性无线电管理机构以及一些区域性无线电管理机构（如欧洲电信标准协会（ETSI[29]）和美国联邦通信委员会（FCC[30]））都将参与其中。在这个过程中，各方需要进行大量的沟通与协调以及充分仔细的讨论，既要减少对现有用户无线电频率的影响，又要对未来的发展有所规划。期间，使用无线电进行通信的各种物联网设备将不得不支持多重可能的协议以及多种可能的频率。这里有一个典型的例子是现行的ISO 18000-6C标准以及EPCglobal UHF Gen2标准。其中就使用了860MHz到960 MHz之中的几个略为不同的频率。实际应用时，这些频率的选择将取决于所在地区的具体实现，并且需要考虑使用的电源级别和协议情况等（至少最初在欧洲这样的选择是有必要的，特别是当支持Listen-Before-Talk协议时）。

通过本节的讨论，本领域中一些需要解决的问题和主要研究内容包括：

物联网标准化体系

基于语义本体的语义标准研究

云内、云外及云间通信标准的研发