引言

近年來，隨著無線局域網(wǎng)通信技術以及半導體元器件技術的不斷進步，代表著互聯(lián)網(wǎng)下一步演進方向的物聯(lián)網(wǎng)技術逐步從概念和理論走向了實際的部署和應用。物聯(lián)網(wǎng)的應用范圍非常廣泛，在智能家居、智能交通、公用事業(yè)、電子醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、庫存管理等領域都有著十分廣闊的應用前景。據(jù)預測，到2020年將有500億臺各種設備被連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)所有能夠從網(wǎng)絡連接中獲益的設備都被連接到互聯(lián)網(wǎng)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應用和設備的日益普及，用戶在日常生產(chǎn)和生活中將會面對和使用越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設備。如何正確配置和管理這些海量設備將是一個很大的問題，尤其是對于缺乏專業(yè)知識的普通終端用戶而言。因此，需要這些物聯(lián)網(wǎng)設備能夠支持遠程的配置和管理功能，以便可以建立一個物聯(lián)網(wǎng)設備管理系統(tǒng)來由專業(yè)人員遠程地配置和管理它們，爭取實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的即插即用，從而減輕普通終端用戶的負擔。另外，在很多應用場景中由于部署以及成本等多方面限制，物聯(lián)網(wǎng)設備通常都具有體積小、價格低廉、無固定電源供電的特點。受這些限制，它們的存儲能力、計算能力、網(wǎng)絡性能以及電源容量往往十分有限。因此，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中所使用的網(wǎng)絡設備管理協(xié)議和方法對于這些物聯(lián)網(wǎng)設備來說負荷過重，從性能到能耗等多方面的要求都難以滿足而無法有效使用。這就需要針對能力受限的物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)更高效的管理協(xié)議及方法，相關研究已經(jīng)吸引了學術界越來越多的關注和努力。國際和國內(nèi)的多個相關標準組織也已經(jīng)開始了對物聯(lián)網(wǎng)設備管理標準的討論與制定。IETF、OMA、IPSO、ESTI、CCSA等組織都起草或者發(fā)布了相關標準。

1物聯(lián)網(wǎng)設備管理的學術研究

學術界針對物聯(lián)網(wǎng)設備管理中的不同問題進行了大量的各種研究，包括如何在物聯(lián)網(wǎng)中使用現(xiàn)有網(wǎng)絡管理協(xié)議，借鑒現(xiàn)有網(wǎng)管協(xié)議開發(fā)新的適用于物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)管協(xié)議，針對不同物聯(lián)網(wǎng)應用場景進行網(wǎng)絡管理等多個方向。

1.1物聯(lián)網(wǎng)中的設備管理研究

PANDEY等總結了包括休眠設備、低功耗松散網(wǎng)絡、混雜網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡、雙向通信、動態(tài)網(wǎng)絡、時間敏感數(shù)據(jù)網(wǎng)絡等多種M2M網(wǎng)絡應用的特性和需求，提出了包括故障管理、配置管理、軟件升級、位置管理、QoS與SLA監(jiān)控以及安全管理等通用的M2M網(wǎng)絡管理需求。計劃后續(xù)開展針對物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的管理研究，以及如何將設備管理與業(yè)務管理相結合。

物聯(lián)網(wǎng)設備的部署可以通過管理平臺遠程地進行引導啟動和配置，并可提供一種在家庭網(wǎng)絡的場景中對無線設備進行注冊驗證的方法，通過具有驗證功能的注冊服務器，保證無線設備能夠安全接入到選定的家庭網(wǎng)絡，獲取相應的配置信息叫在物聯(lián)網(wǎng)設備被正確配置完成部署之后，它們?nèi)耘f會有bug修復、功能升級以及其他的維護需求，需要進行固件升級和軟件更新。在很多應用場景中，物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)目是海量的，且部署在非常廣闊的區(qū)域內(nèi)，完全靠人工現(xiàn)場升級是不現(xiàn)實的，這就需要設備管理支持遠程的在線更新功能。為了適應物聯(lián)網(wǎng)窄帶寬、低能耗的特點，要盡量減少網(wǎng)絡流量，避免不必要的重復傳輸，只傳輸需要更新的軟件部分。設備在進行了軟件更新之后往往需要重啟系統(tǒng)，但是系統(tǒng)重啟往往會使設備丟失之前運行中的所有狀態(tài)信息(如路由表等),為此,CHANGY等為物聯(lián)網(wǎng)設備實體的遠程管理更新設計了一種動態(tài)軟件更新模型，以支持在不需要重啟設備的情況下進行軟件的在線升級。該模型將實時應用分解為多個可重用的任務并將它們組織為樹狀結構，通過遍歷這些任務節(jié)點并調(diào)用相應的處理程序來逐個執(zhí)行這些任務以實現(xiàn)應用。由于不同處理程序之間互不相關，就可以在不干擾其他任務執(zhí)行的情況下對一個任務進行替換和更新。應用場景、故障管理、位置管理、QoS管理等也在不同的應用場景中對物聯(lián)網(wǎng)設備的正常工作起著重要作用。ZHANGYan等分析了家庭場景中不同設備和網(wǎng)絡的特性后，重點討論了如何在家庭網(wǎng)絡中有效進行QoS管理，設計了一種采用跨層聯(lián)合管理和速率控制機制來根據(jù)不同應用的QoS需求在資源受限的家庭網(wǎng)絡中合理地分配資源的方案電

1.2物聯(lián)網(wǎng)中使用現(xiàn)有網(wǎng)管協(xié)議研究

要對物聯(lián)網(wǎng)中的受限設備進行管理，首先能夠想到的就是既有的互聯(lián)網(wǎng)設備管理協(xié)議是否能夠直接用于物聯(lián)網(wǎng)及其效果如何。使用既有協(xié)議具有標準成熟度高，可以避免額外的標準開發(fā)工作，易與原有網(wǎng)管系統(tǒng)和設備兼容等優(yōu)點。SEHGALA等嘗試在運行Contiki操作系統(tǒng)的Atmel公司的AVRRaven硬件平臺上實現(xiàn)了輕量級的SNMP協(xié)議和NETCONF協(xié)議。比較發(fā)現(xiàn)SNMP協(xié)議比NETCONF具有更高的效率，占用的運算時間和存儲空間都相對較少。這些網(wǎng)管協(xié)議通常使用TLS/DTLS等安全機制來提供安全保證,這些安全機制往往需要更大的開銷。另外，由于大報文會帶來在不同協(xié)議層上的分片以及重組開銷，會需要較多的資源,建議更多地使用低負荷的小報文實現(xiàn)。經(jīng)過適當優(yōu)化，部分既有的互聯(lián)網(wǎng)設備管理協(xié)議可以用于一些受限的物聯(lián)網(wǎng)設備。

1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型管理協(xié)議研究

除了改進傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議，一些學者也開展了新型物聯(lián)網(wǎng)管理標準的研究和驗證工作。GLIGORICN等人討論了處于3GPPLTE網(wǎng)絡中物聯(lián)網(wǎng)設備的管理問題。建議可以使用OMA-DM定義的管理機制進行物聯(lián)網(wǎng)設備管理，OMA-DM使用的HTTP和XML對于物聯(lián)網(wǎng)中的受限設備來說負荷過重。建議使用輕量級的應用層協(xié)議CoAP來替代HTTP，這也是OMAlightweightM2M標準項目當前的工作重點。而在各種可以用于替代XML的壓縮報文格式之中，通過比較驗證了EXI相比CoreFormatLink和Protobuf會更有效率且更容易實現(xiàn)。另外，由于受電池容量的限制，為達到節(jié)能的目的,多數(shù)LTE網(wǎng)絡中的物聯(lián)網(wǎng)設備都會有休眠模式，如果要對處于休眠模式的設備進行遠程管理，首先需要將設備喚醒，建議可以使用短消息(SMS)來喚醒處于休眠狀態(tài)的設備。

2標準化工作

許多從事物聯(lián)網(wǎng)相關產(chǎn)品設計和生產(chǎn)的公司也進行了大量的研究工作，并在各相關標準組織中致力于物聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議的標準化活動。

2.1互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)

作為全球最具權威的互聯(lián)網(wǎng)技術標準化組織，IETF有專門的操作與管理域負責開發(fā)和制定互聯(lián)網(wǎng)管理的相關規(guī)范,曾經(jīng)制定了snmp、netconf、yang等用于網(wǎng)絡管理的協(xié)議和描述語言，在IP網(wǎng)絡的管理中被廣泛使用。這些協(xié)議和語言定義了如何描述一個被管理的對象，定義了管理架構和管理功能接口，以及如何傳輸這些管理信息。IETF仍在進行新的網(wǎng)絡管理技術的研究和開發(fā)，以便應對層出不窮的新應用場景和新需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，IETF陸續(xù)成立了多個工作組進行受限環(huán)境下IP網(wǎng)絡技術的研究，包括研究在低功耗無線個域網(wǎng)(802.15.4)上實現(xiàn)的IPv6協(xié)議棧的6lowpan工作組，研究在資源受限節(jié)點上實現(xiàn)IPv6的6lo工作組，研究家庭網(wǎng)絡的homenet工作組，研究各種輕量級實現(xiàn)的lwig工作組，研究低功率松散網(wǎng)絡條件下輕量級路由協(xié)議的roll工作組，研究受限網(wǎng)絡環(huán)境下安全傳輸?shù)膁ice工作組，研究受限IP網(wǎng)絡中面向資源應用協(xié)議的core工作組等。其中，core工作組制定了受限RESTful環(huán)境下的鏈接格式標準(CoRELinkFormatRFC6690),該標準中定義的鏈接格式可用于高效地描述受限物聯(lián)網(wǎng)web服務器的資源，包括它們的屬性以及鏈接關系等。特別地，core工作組剛剛完成了一種專門用于受限設備和網(wǎng)絡的web傳輸協(xié)議一受限應用協(xié)議(CoAP)—的制定。

CoAP是一種類HTTP的用于REST架構的輕量級應用層協(xié)議，承載于UDP之上，采用request/response交互模型，支持GET、PUT、POST、DELETE方法。該協(xié)議的設計充分考慮了低功耗、功能有限的物聯(lián)網(wǎng)設備的需求，具有報文頭開銷小，解析復雜度低，機制簡單，支持多播等特點。目前與之相配套的相關協(xié)議族也正在逐步制定中，涉及內(nèi)容包括組通信［13］、接口描述［14］、分塊傳輸［15］、資源觀測［16］等。CoAP及其配套協(xié)議族可以作為應用層協(xié)議來傳輸物聯(lián)網(wǎng)中的各種管理消息。另外，IETF中建立了專門的討論受限網(wǎng)絡中管理問題的非工作組郵件列表COMAN，目前正針對受限設備的管理需求［17］和備選的管理技術［18］等熱點問題進行熱烈討論，并計劃將來就此課題成立專門的工作組。

2.2開放移動聯(lián)盟(OMA)

由全球主要的移動運營商、設備和網(wǎng)絡供應商及信息技術公司組成的開放移動聯(lián)盟也早已認識到對處于多種網(wǎng)絡中海量的各種輕量級設備和連接進行監(jiān)控，配置和管理都是必不可少的功能，計劃制定一系列的標準來解決這些問題。目前,已經(jīng)開始了輕量級物聯(lián)網(wǎng)設備管理框架［19］的制定。該協(xié)議將所有的管理項都描述為對象和資源，并且定義了常用的管理接口，可用于快速部署客戶端/服務器模式的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。OMA當前定義了LWM2M服務器、接入控制、設備、連接、固件五種對象，每種對象下有各種相關資源，例如，設備對象下有制造商、固件版本、重啟、電池電量等多種資源。為提高描述和傳輸這些資源的效率，OMA為這些對象和資源都分配了相應的數(shù)字ID,例如設備對象下的重啟資源可以描述為“/3/8”。管理接口包括設備發(fā)現(xiàn)和注冊接口、引導接口、設備管理及業(yè)務使能接口和信息報告接口，可以使用CoAP協(xié)議來實現(xiàn)這些接口。通過這些管理接口對管理相關的對象和資源進行操作,即可實現(xiàn)相應的管理功能。

2.3IPSO聯(lián)盟

IPSO聯(lián)盟是一個致力于推廣IP協(xié)議族用于智能設備間通信的全球性非營利組織，致力于為相關標準組織提供服務，促進行業(yè)的推廣和發(fā)展。IPSO發(fā)布了其第一個技術指南［20］，使用IETF標準為基于IP的智能設備構建了一個簡單高效的RESTful的設計模型。該模型為如何使用HTTP、REST、XML、JSON、COAP等web技術來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)管理和應用描述了一個特定的模板。使用功能集的形式定義了智能設備可用于向后臺業(yè)務表示自身資源的REST接口。圖1所示就是IPSO定義的物聯(lián)網(wǎng)智能設備功能集，其中Device、Power、LoadControl、Location、Configuration都是管理相關的功能集。2.4其他標準組織

還有其他一些區(qū)域性的標準化組織也在進行物聯(lián)網(wǎng)設備管理方面的研究工作。歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)專門設立了一個新的技術委員會來制定物聯(lián)網(wǎng)通信標準，這些標準［21，22］分別定義了與寬帶論壇TR069管理協(xié)議以及OMA設備管理一致的管理信息模型，另有一些關于管理架構、接口、應用場景的標準也在制定中。中國通信標準化協(xié)會(CCSA)的泛在網(wǎng)技術委員會(TC10)也對部分場景下的管理功能進行了研究，如感知節(jié)點的電源管理，嵌入式通用集成電路卡(eUICC)遠程管理，醫(yī)療無線體域網(wǎng)管理等，但還沒有標準項目針對物聯(lián)網(wǎng)下的網(wǎng)絡管理架構、模型以及協(xié)議進行研究。

圖1IPSO定義的物聯(lián)網(wǎng)智能設備功能集

3結語

伴隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術的逐步成熟以及應用的日益普及，對于眾多物聯(lián)網(wǎng)設備的遠程管理需求也日益體現(xiàn)。由于物聯(lián)網(wǎng)設備普遍具有低計算能力、低存儲、低功耗的特性，如何高效地實現(xiàn)對它們的遠程管理具有相當?shù)奶魬?zhàn)性。學術界和工業(yè)界都對此問題進行了深入的研究，分析了物聯(lián)網(wǎng)特有的管理需求；探討了使用傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡管理協(xié)議，開發(fā)新的專用于物聯(lián)網(wǎng)管理協(xié)議等多種方式來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠程管理；并且在LTE網(wǎng)絡、家庭網(wǎng)絡等多種應用場景中進行了實現(xiàn)和驗證。通過比較和討論，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡的管理協(xié)議直接用于受限的物聯(lián)網(wǎng)設備負荷過重，難以滿足低負荷、低功耗的需要。開放移動聯(lián)盟(OMA)參考其原有的設備管理協(xié)議而定義的輕量級物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中所定義的管理框架和接口更適用于物聯(lián)網(wǎng)應用場景。IPSO定義了可供OMA參考的設備管理資源和模型。通過管理接口對管理資源進行相應的操作，就可以實現(xiàn)配置管理、故障管理、電源管理等各種管理功能。IETF所制定的應用于受限環(huán)境的應用層協(xié)議(CoAP)及其相關協(xié)議可用于實現(xiàn)這些管理接口以及傳輸管理消息。管理相關資源的描述可以使用IETF制定的LinkFormat數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)信息的高效的表述及傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)管理相關標準的不斷完善，物聯(lián)網(wǎng)設備和技術必將獲得更加廣泛的應用。

20211117_6193e67b67399__物聯(lián)網(wǎng)中的設備管理技術