物联网三层体系结构详解：感知层、网络层与应用层的功能与应用

物联网架构

目前广泛认可的物联网参考架构分为三层，即感知层、网络层和应用层。

感知层：包括QR码标签和阅读器、RFID标签和阅读器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网络和传感器网关等，其主要功能是识别物体和收集信息。

网络层：首先包括各种通信网和互联网形成的综合网络。此外，还包括物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等智能处理海量信息的部分。

应用层：将物联网技术与行业专业知识相结合的解决方案集，以实现广泛的智能应用。物联网最终通过应用层实现信息技术与工业的深度融合，实现行业智能化。

从目前国内外物联网的发展情况来看，还未能有效引导整个物联网产业，使其进入快速发展的通道。部分原因是该架构对网络层的描述过于笼统，而网络层本身的语义很容易让人与互联网协议中的网络层混淆，从而在一定程度上阻碍了人们对物联网架构的理解。从目前的情况来看，目前业界对于网络层的认识还处于比较粗浅的水平。物联网行业尚未完全形成对物联网业务发展起主要推动作用的网络层物联网支撑平台。大多数应用还只是将网络层视为物联网数据的传输通道，网络层提供的物联网运营和业务支撑能力尚未得到利用。

对物联网架构的理解不能仅仅从网络的角度来触发，而应该把它看作一个完整的系统，从全局的角度来触发，系统地考虑建设中需要涉及的各个方面以及物联网的发展历程。它们之间的联系、层次和联系。结合信息流的流向和行业相关对象来梳理物联网架构的各个层次，物联网架构可以分为四个层次，即感知与控制层、网络层、平台服务层和应用服务层。

物联网平台是物联网产业链的枢纽。它向下连接分散的物联网传感器层，收集传感器数据，向上为应用服务提供商提供应用开发的基础平台和底层网络的统一数据接口。支持基于传感器数据的特定物联网应用。

感知与控制层：通过传感器、仪表等设备获取环境、资产或运行状态信息，经过适当处理后，通过传感器传输网关进行数据传输；同时，通过传感器接收网关接收控制指令信息。低通至控制装置以达到控制资产、设备和运营的目的。在这个层面上，传感和控制设备的管理、传输和接收网关、低层数据和信号处理是重要的技术。

网络层：通过公共或专用网络，通过无线或有线通信，在传感与控制层、平台服务层和应用层服务之间传输信息、数据和指令。各种广域IP主要由运营商提供。通信网络包括ATM、xDSL、光纤等有线网络，以及GPRS、3G、4G、NB-IoT等移动通信网络。

平台服务层：物联网平台是物联网网络架构和产业链的关键环节。通过它，不仅实现了终端设备和资产的“管、控、运”一体化，而且向下连接感知层，向上连接应用服务。提供商提供应用开发能力和统一接口，为各行各业提供通用服务能力，如数据路由、数据处理与挖掘、模拟与优化、业务流程与应用集成、通信管理、应用开发设备维护服务、 ETC。

应用服务层：丰富的应用是物联网的最终目标。未来，将基于政府、企业、消费者三个群体衍生出多元化的物联网应用，创造巨大的社会价值。根据企业业务需求，在平台服务层建立相关物联网应用，如城市交通状况分析预测、城市资产状况监测分析、环境状况监测分析预警（如风、降雨、山体滑坡）、健康状况监测及医疗计划建议等。

物联网三大协议

实时通信技术作为物联网应用开发的基本前提，发挥着核心作用。想象一下，如果我们可以使用手机与家庭环境中的各种小工具进行通信，那么科幻电影中的各种场景很快就会成为现实。但如果整个通信过程需要几秒钟才能完成，用户体验无疑会大打折扣。

要谈实时通信技术的发展和演变，就必须提到即时通讯解决方案的出现。从历史的角度来看，即时通讯产品可以算是最早的面向客户的网络化实时通讯客户端。 AOL IM、ICQ和Jabber是各种支持实时通信的即时通讯解决方案的典型代表。而这一切都已经发生在 20 世纪 90 年代。

今天，我们的重点是开发不同物联网设备之间的通信协议 - 但构建即时消息解决方案时吸取的经验教训仍然适用。目前物联网设备广泛使用的三大实时协议包括：XMPP、CoAP和MQTT。有趣的是，XMPP 早在 Jabber 时代就作为开放的即时消息协议而存在。

XMPP

XMPP 代表可扩展通信和表示协议。这种基于 XML 的 TCP 通信协议可实现两个或多个网络功能实体之间近乎实时的结构化数据交换。 XMPP 中的开箱即用功能包括信息呈现和联系人列表维护。尽管这两个功能最初是为即时消息传递需求而设计的，但它们仍然可以在物联网应用中很好地工作。由于其优异的开放性和基于XML的特性，XMPP已扩展到各种公共订阅系统——这恰好适合物联网应用的实际需求。

使用XMPP作为物联网通信协议，我们可以享受到几个突出的优势。首先是 XMPP 的去中心化性质。 XMPP 的操作方式与电子邮件类似，在传输代理的分布式网络中传输，而不是严重依赖单个中央服务器或代理节点（CoAP 和 MQTT 都是这种情况）。与电子邮件一样，每个人都可以轻松运行自己的 XMPP 服务器，从而允许设备制造商和 API 提供商创建和管理自己的设备网络。由于每个人都有能力运行自己的服务器，出于安全考虑，我们可以在必要时使用内置的TLS加密机制，在企业内网的安全验证协议下隔离服务器。

不幸的是，XMPP 也有一些缺点。其最大的问题之一是缺乏端到端加密。虽然在很多场景下，这类加密机制基本上是可有可无的，但归根结底，大多数物联网设备仍然需要使用加密来保证安全。缺乏端到端加密无疑会让物联网设备制造商陷入被动。

XMPP 的另一个问题是它没有服务质量 (QoS) 控制。在物联网领域，确保消息传递比即时通讯领域更为重要。如果我们的报警系统未能真正接收到相关信息并正确触发，那么后续的后果可能会非常可怕。

联合行动计划

CoAP 代表受限应用协议，开发该协议的目的是允许资源相对有限的设备使用 UDP 而不是 TCP 通过互联网进行通信。开发人员可以与任何支持 CoAP 的设备进行交互，其方式与使用传统 REST API 的设备完全相同。 CoAP的主要适用场景包括低功耗传感器和需要通过互联网控制的设备。

CoAP 是一种简单的请求/响应协议（与 REST 非常相似），遵循传统的客户端/服务器模型。客户端可以对资源发出 GET、PUT、POST 和 DELETE 请求。 CoAP 数据包使用位字段来最大限度地提高内存利用率，并且字符串通常映射到整数，以减少数据包在设备内和网络中传输时消耗的带宽。除了数据包尺寸极小之外，CoAP的另一大优点是它使用UDP；数据包允许 CoAP 在各种基于数据包的技术上工作 - 例如文本消息。

所有 CoAP 消息都可以标记为“已确认”或“未确认”，并用作应用程序级 QoS 机制。虽然 SSL/TLS 加密不能在 UDP 之上实现，但 CoAP 使用数据传输层安全性 (DTLS) 来代替 - 可以将其视为 TLS 的 TCP 版本。默认加密级别相当于 3072 位 RSA 密钥。尽管有这些强大的安全功能，CoAP 仍然可以在只有 10 KB 内存的微控制器上运行。

CoAP 的缺点之一是它是一对一的协议。虽然我们可以通过扩展来实现群组广播，但是这种广播能力本身并不存在。另外，CoAP的另一个主要缺点是它不提供公共订阅消息队列。

MQTT

MQTT 代表消息队列遥测传输，它是一种公共订阅消息传递协议。与CoAP类似，它的设计也考虑到了运行设备的有限资源。 MQTT采用轻量级的数据包结构设计，旨在最大程度地节省内存使用和运行功耗。联网设备以订阅方式侦听 MQTT 代理上托管的主题。每次其他设备或服务向该主题发送数据时，所有参与的设备都会自动获取此更新的信息。

MQTT最大的优势在于其公共订阅消息队列机制和多对多广播能力。通过支持与 MQTT 代理的长期 TCP 连接，使用有限带宽发送和接收消息变得简单轻松。

MQTT 的缺点是其始终存在的连接限制了设备进入睡眠状态的总时间。如果大部分相关设备在运行时都处于休眠状态，我们不妨优先考虑另一个MQTT协议——MQTT-S，它使用UDP来替代原有协议中的TCP。

MQTT的另一个主要缺点是缺乏基础协议层面的加密机制。 MQTT被设计为轻量级协议，内置的加密方法会给传输连接增加很多负担。虽然也可以在应用程序级别添加自定义安全机制，但这可能需要大量的调整工作。