马礼：工业物联网及其关键技术（4）

四、工业物联网研究

物联网和大数据迅速发展。制造业是国家综合实力的象征，是全球化竞争中赖以生存的资本和保障。据IDC预测，2019年，IoT行业中，边缘基础设施将成为市场主流，多用于单个部门的业务板块中。2020年，数字孪生、IoT平台、资产管理和物联网安全将成为市场主流，其中数字孪生、IoT平台多应用于多部门协作的业务板块当中，资产管理和安全将用于全公司战略层面考虑。2021年前后，5G、物联网数据分析、物联网支出管理、区块链、物联网服务将成为市场主流，其中5G、物联网支出管理适用于单个部门的业务板块，物联网服务、物联网数据分析适用于多个部门协作的业务板块，区块链则用于整个公司的战略层面。

在工业物联网领域，现在平台现状如下。2016年，西门子推出Mindsphere平台。2017年2月，发源于三一重工的树根互联在中国工业互联网峰会上正式发布根云平台。2017年3月，GE宣布与中国电信达成协议，将实现Predix工业互联网平台在中国的落地。2017年4月海尔发布了COSMO PLAT工业互联网平台。航天云网受到各界广泛关注，各类物联网平台也十分活跃，如机智云、艾拉网络等。BAT（百度、阿里巴巴、腾讯）也在拓展物联网云服务。中国移动早在2014年就推出开放的物联网平台OneNET。PTC的ThingWorx已成为业界广泛关注的物联网应用开发平台。2017年3月，SAP在中国发布了Leonardo物联网套件。中国工业互联网的热潮，由此可见一斑！

从研究层面来讲，工业物联网有这些难点。第一，工业物联网的节点接入，包括智能感知、互连、精准控制等都是由大公司牵头来做的。所以，不同的公司推出各自的产品，造成接入标准不统一，难以互联互通。第二，海量资源寻址访问难度大、监管要求高。对于工业物联网来说，我们要管理的节点非常多。现在IPv4的地址已经耗尽，为了给更多的节点以标志，我们使用IPv6。如果把工业物联网中的每一个节点都用IPv6来编制的话，数量是非常大的，监管要求高。第三，能效问题。我们在物联网智能采集的节点上，往往使用能耗相对比较低，但变量存储、计算能力也相对比较低，能效要求严苛，需要更高的安全需求。这些特点使我们在工业物联网的研究中，要有一些新的研究领域来解决这些问题。比如说,在智能电网、智能交通、工业自动化、石油化工等领域，每一个领域都会有自己不同的设备和不同的固件。这些设备之间不能互通，各个行业之间不能互通。如果从监管的角度来讲，就需要进一步研究怎么来做到统一。

我们比较一下现在工业物联网已经形成的传统标准有这三个（如下图）。

对三个协议进行比较后，我们从工业物联网的角度来看，存在这样几个问题：一是寻址体系结构效率较低且不利于监管；二是节点访问如何提高能效和适应性；三是怎样处理访问便捷性与安全性的矛盾；四是怎样解决多种协议标准共存以及互联互通的问题。

针对这四个问题，我们进行了一些研究，解决思路如下。对于寻址访问，运用海量小文件存储思想，构建“扁平化”的寻址体系，提高访问效率与监管便捷性。对于能效，采用多重寿命标准，评价其普适性、可靠性与网络能耗的多目标优化之间的关系，利用凸优化变换与快速迭代算法来解决能效方面的问题。在安全方面，构建更加严格的多级访问权限控制，引入严格的身份认证与加密机制。在多种协议的互通中，引入协议转换网关，嵌入身份语义的编址与地址分配机制，参与提交CCSA标准协议草案。最后，我们形成一个验证的工业物联网系统，拥有“真实节点+路由器+高性能寻址服务器”，通过高精度功率监测统计能耗，通过“安全分析+大规模性能测试”进行验证。

我们从四个方面进行研究：一是工业物联网统一资源寻址定位技术；二是嵌入身份语义的工业物联网编址及分配；三是工业物联网的资源便捷和安全访问；四是基于工业物联网的高效资源访问。

研究内容一：工业物联网统一资源定位技术架构。我们现在借鉴分布式存储系统的思想，构建扁平化的体系结构，减少寻址过程的跳转次数，最终实现统一的定位。

研究内容二：嵌入身份语义的编址及分配方法。我们通过嵌入身份语义的编址形式，对每一个物联网节点按照IPv6的地址格式进行编码；在编码过程中，兼顾传统的信息采集节点短地址的特征，加上我们把它接入工业物联网IPv6的地址形式对外，把身份语义嵌入每一个编码地址中。在嵌入身份语义的编址和分配方法中，我们遵循这样的原则：（1）局域网内用16位短地址通信避免带宽浪费；（2）身份标识分级，可支持资源寻址聚类，有效降低寻址复杂度；（3）具有可压缩特征，适用于带宽资源受限的有损网络和组播业务；（4）地址分配由网关自动完成，人工配置工作量较低。基于这样的原则，我们把身份语义切入每一个节点的配置地址中，通过每一个节点的地址访问，就可以识别出这个节点是在什么样的生产线上，是哪一类传感器，再进一步我们可以定位到是哪一个工厂。

研究内容三：工业物联网高能效资源访问方法。工业的无线传输有一个重要的不足，那就是每一个节点的能量是有限的。它不像有线节点那样每个节点都有专门的供电方法。有些节点附近我们不方便连接有线电源，供电往往靠单个节点上自带的电池，很受电池寿命的影响。所以，基于密度控制的数据传输，由于数据收发节点的能量最先耗尽，就会造成这个节点的“死亡”，导致全网生命周期缩短。因此，方法之一就是要尽量避免能量空洞。第二种方法是通过路由算法来提高每一个节点的寿命，适度地通过休眠算法，通过簇头能量均衡调度，实现了剩余能量的流量分配。所以，基本上我们采用传统的方法就是以上两种：一是怎样避免能量空洞；二是怎么进行节能路由及其调度。但是，不同的应用场景也许对于能量空洞的避免和节能路由的使用是不一样的，我们在研究过程中引入了一种算法提高它的资源访问效率，通过一个约束条件，看你是更关心生命周期长还是更关心第一个节点死亡时间短，不同的需求有不同的方法来调整，使得整个高效资源访问更好地进行。

研究内容四：工业物联网的资源访问安全。主要研究统一资源细粒度安全访问方法，为政府、企业、客户等各类用户提供定制化的资源分级服务。比如说，用户使用寻址服务的时候，通过注册用户服务器来管理我们的合法用户。在资源访问节点这一部分，通过资源服务器管理这些节点，每一个节点的数据实际上要通过我们的安全网关再进入到资源服务器中，在安全网关和资源服务器之间增加安全连接，通过这两级保障使得服务器中的数据相对来说更加安全。也就是说，用户使用寻址服务进行资源访问的时候，第一是采集数据是安全的，第二是在采集安全数据基础上传输链路是安全的，第三是访问的人是经过注册和认证的是安全的。这样的话，我们尽力保障访问安全。

最终，我们形成一个多协议融合网关的原型。

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