1.4　物联网的发展阶段

由物联网的基本定义可知，物联网的连接与通信对象是“物”，所以要先界定什么是“物”。广义上，除了人，其他的东西都是物，大到一艘航空母舰、一幢大型建筑，小到一颗螺丝钉、一粒沙子，此外，还有动物、植物等，这些都可以是物联网的连接与通信对象。因此，在物联网背景下，“物”被定义为真实的、物理的存在，或者数字的、虚拟的存在，它能够在空间和时间上存在和移动，可以被辨识。一般可以通过事先分配的数字、名字、地址编码或其他标识符来辨识“物”。使物联网实现世间万物之间的无缝连接与通信，使网络无处不在、信息及时获取、指令随时下达、控制完全自动的理想目标在短时间内是很难完成的，因此，物联网需要一段相当长的发展过程。

从物联网的发展需求来看，其发展过程大致经历3个阶段[8，9]：支持机器互联服务的阶段、传感器网络引入与应用阶段、泛在传感网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）阶段。前两个阶段的物联网可以解释为现有通信网络向边缘的拓展，即通信网络+机器设备。物联网应用对通信网的影响主要涉及用户网络接口和业务应用处理控制平台等，并不涉及独立建网或大网改造等问题，当然，为了适配某些高价值的物联网应用，有可能需要对通信网络进行优化。

1.4.1　支持机器互联服务的阶段

物联网发展的第一个阶段就是利用现有的通信技术支持M2M服务。这个阶段属于物联网服务发展的初期，接入的终端较少，服务对象主要是一些专业领域的用户，通信对象主要是机器设备，尚未扩展到任何物体，在通信过程中，以使用离散的终端节点为主。利用现有通信网（包括现有的固定通信网、移动通信网、卫星通信网等资源）的空闲容量与能力，或者仅做些必要的适配和优化就可以满足M2M的信息传送需求，通信网络只需要为这类应用提供信息传输通道，不需要区分人与物的不同通信要求，这时的物联网应用对通信技术没有新的需求，对通信网络的发展没有影响。在该阶段，国内外不少通信网络的运营商（尤其是移动通信运营商）在M2M领域进行了大量研究工作，推出了各种M2M业务，如汽车信息服务、车队管理、远程医疗、远程计量等。此外，在这一阶段，传感器网络技术也在发展，但多用于在局域范围内实现数据传送，通信网络的运营商并不过多关注传感器网络技术，往往将其看作用户自己的设备。

1.4.2　传感器网络引入与应用阶段

随着物联网概念的不断升温及其技术本身的发展趋势的推动，“物”的范围也在不断扩大，在通信网络中，传感器网络逐渐被引入，虽然传感器网络仍主要用作局域组网，但是通信网络不再只将传感器网络看作用户自己的设备，而是将传感器网络看作通信网络终端节点向下延伸的毛细网络。

该阶段，传感器网络在现有通信网络的边缘进行了短距离的拓展，因此促进了多种短距离无线传输技术的发展，其中，发展较快且应用较广泛的有ZigBee、蓝牙、Z-Wave、RUBEE、WirelessHART等。此外，由于传感器网络发展的初期主要用于局域范围，各类应用仅关注有限范围内的信息传输、管理和局域寻址，而且每类技术主要针对某一类应用开发，各类技术之间缺乏兼容性。例如，Z-Wave主要应用于无线智能家庭网络，RUBEE主要应用于恶劣环境下的数据采集，而WirelessHART主要应用在工业环境监控领域。由于没有建立统一的技术标准，各种无线传感器网络技术基本不能实现互联互通，即便是在传感器网络中应用最多的ZigBee技术，由于有相当多的厂商均是基于自己的私有协议开发的，所以不同厂商的ZigBee芯片间也无法互联互通。另外，由于在实际应用中，通信协议也没有统一的标准，因此无线传感器网络往往是异构的。实现异构传感器网络的协同与互联互通是该阶段的主要研究内容之一。因此，物联网网关的概念应运而生，其可以屏蔽无线传感器网络的差异性，使异构的无线传感器网络之间、无线传感器网络与通信网络之间实现协同工作。

物联网网关将会在未来的物联网时代扮演重要的角色，它将成为连接传统通信网络与传感器网络，以及异构传感器网络之间的纽带，实现通信网络与传感器网络，以及异构传感器网络之间的协议转化与互联互通，既可以实现局域范围内通信网络与传感器网络的组网应用，也可以实现广域范围内通信网络与传感器网络的组网应用。

这个阶段，物联网的应用已经从行业扩展到个人，联网设备与传感器的数量将大幅增加，涉及种类和数量众多的传感器，仅就涉及的个人电子设备而言，就有电子书阅读器、音乐播放器、游戏机、数码相机、家用电器等。因此，物联网可能涉及的潜在通信连接数将大量增加，远高于现有的人与人之间的通信连接数（60亿～70亿），可达数百亿之多，当这些通信连接由公用通信网络提供时，IPv4地址将远远不能满足要求，需要IPv6地址的支持[10]。

物联网的业务种类极其广泛，其流量特征差异也很大，大体上可以归纳为五大类。第一类是长期在线的大流量业务，其传感器终端长期保持激活状态，对实时性要求较高，数据量较大，如以全球眼业务为代表的视频监控业务；第二类是具有突发性的大流量业务，其传感器终端根据需要激活并建立与网络的连接，会不定期发生一些大流量数据业务，其突发性高、实时性低，如家庭娱乐应用的视频信息下载等业务；第三类是长期在线的高频次小流量业务，其传感器终端长期保持与网络的连接并频繁发送少量的数据，实时性较高，主要是反向流量，如环境监测、电网监测等业务；第四类是长期在线的低频次小流量业务，其传感器终端长期保持与网络的连接，并低频次地向网络发送数据，主要是反向流量，如水、电、煤气等抄表业务；第五类是非长期在线的小流量业务，其终端在需要时才向网络发起连接，数据量较小，实时性较高，如无线POS机业务等。物联网业务的多样性决定了网络的多样性，随着业务种类和规模不断发展，网络需要进行进一步的优化和适配，甚至需要考虑为高价值的物联网应用建立独立的业务承载层。

1.4.3　泛在传感器网络阶段

物联网发展的高级阶段为泛在传感器网络阶段，此时的传感器网络不仅在局域范围内被组网应用，还会在广域范围内被组网应用，遍布陆、海、空、天各处的传感器节点通过天地一体化通信网络（含地面网络和卫星通信网）构成了一张全新的广域泛在网络[8]，它通过采集、分析、处理各种传感器数据，可以在任何时间、任何地点向任意用户提供与其环境和状态相适应的个性化智能服务。虽然这个阶段相对遥远，但物联网必然会向这个阶段演进。

该阶段，下一代通信网络NGN（含卫星通信网）需要向泛在广域的周边扩展，会产生一些基于传感器网络技术的公共网络节点，这些公共网络节点作为物联网基础设施的基本组成部分，必然要实现广域管理、广域寻址，遵循统一的通信协议，以便为物联网终端提供随时随地接入的通信能力。第一，针对海量存在的传感器与机器设备，以及数百亿量级的M2M连接数量，物联网需要具有海量的终端标识能力，因此需要IPv6地址的支持，另外，针对特殊应用的异构网络还需要网关的支持；第二，物联网需要具有业务感知能力，所以网络管理范围需要扩展到传感器网络节点；第三，对于某些实时性或低时延的业务，需要服务质量（QoS）机制保障网络性能，因此对网络性能的要求并不低；第四，考虑到有大量的传感器和机器设备是移动应用的，因此物联网需要具有“动中通”和移动性管理的能力；第五，物联网需要具有海量的存储与计算能力，因此可以利用云计算大幅度提升数据的存储、计算、处理能力，乃至辅助决策能力；第六，未来的物联网还会涉及网络安全、信息安全、隐私性和收费盈利等要求，这些都需要合理的技术才能实现。

ITU-T在Y.2221建议中给出了NGN支持泛在传感器网络应用与服务的主要要求[3]，如图1-6所示。

1．传感器网络管理

NGN需要具有对各类有线传感器网络和无线传感器网络的管理能力，对于采用IP协议的传感器网络可以管理其中的传感器节点；对于采用非IP协议的传感器网络的管理一般是通过网关进行的。

2．连接性管理

NGN需要具有海量连接管理能力，对于采用IP协议的传感器网络，既包括传感器网络接入基础设施网络的连接管理，也包括单个传感器节点接入基础设施网络的连接管理；对采用非IP协议的传感器网络的连接管理一般是通过网关进行的。

3．移动性支持与管理

NGN需要具有对传感器网络与传感器节点移动应用的支持能力，其中既包括传感器节点在一个传感器网络内部或多个传感器网络之间的移动性支持与管理，也包括传感器网络和传感器节点在基础设施网络中的移动性支持与管理。

4．服务/设备属性管理

由于泛在传感器网络面向的应用与服务种类非常多，传感器设备的类型也非常多，NGN应当针对不同的传感器网络应用与服务，以及不同传感器设备感知的数据进行服务/设备属性管理，以满足各类应用与服务的要求。

5．开放服务环境

NGN需要提供支持泛在传感器网络服务和应用的开放服务环境，其中包括服务的注册、发现、组装和协同等功能，以及与NGN中的其他服务生成环境互通的功能，同时可能需要各类信息传送和信息广播服务的支持。

6．QoS保障与管理

NGN需要具有根据应用和业务的重要性等方面的要求提供QoS保障与管理的服务。例如，对于火灾、地震等预警类的应用与服务，基础设施网络应当保障优先传送这类应用与服务信息。

7．标识认证与授权管理

为了防止非授权用户访问网络与物联网服务和应用，以及使用非授权的网络资源等事件的发生，NGN应当具有对接入网络与物联网服务和应用的用户的身份进行认证与授权管理的功能。

8．定位服务管理

未来许多物联网应用将要求NGN能够提供定位服务，如危险物体的监管。NGN将根据各类应用的不同需求，按照静态或动态的方式提供定位信息。

9．信息与网络安全管理

在未来的物联网应用中，需要对许多敏感信息进行加密保护，此外，还要进行网络的安全管理与防护，包括漏洞扫描、入侵检测、攻击防护与溯源等。

10．计费管理

泛在传感器网络的盈利模式将有别于传统的通信网，NGN应当具备对各类应用与服务进行计费管理的能力，一方面对泛在传感器网络通过NGN的流量计费，另一方面也要对泛在传感器网络使用NGN的服务收费。