物联网参考架构深度解析
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发布时间: 2025-08-29 10:59:22 阅读量: 14 订阅数: 12 AIGC 
# 物联网参考架构深度解析
## 1. 物联网简介
物联网（IoT）指的是与互联网以及彼此相互连接的“事物”或“对象”。这些对象几乎涵盖了所有类型，像计算机、平板电脑、智能手机、相机、医疗仪器、车辆、建筑物，甚至动物等，它们都连接到互联网，进行通信和信息共享。这些相互连接的对象会产生数据，这些数据会被收集和分析。
物联网技术在不同领域持续扩展，如智能家居和智慧城市、农业、医疗、辅助生活、公共安全、环境监测、交通和工业等。到2020年底，预计物联网技术的部署将使超过500亿台设备连接到网络，几乎影响我们日常生活的方方面面。
物联网这一概念源于各种网络、传感和信息处理方法。为了提供增值功能，在传感/驱动、连接性、边缘计算、机器学习、网络系统、安全和隐私等方面必须采用先进技术。
## 2. 物联网架构
由于物联网领域包含广泛的技术，目前没有单一的参考架构可以作为所有可能的物联网实施的路线图，标准化组织、行业或学术界也未就单一统一的物联网架构达成共识。目前有多种架构模型正在开发中，下面介绍三种主要的物联网架构模型。
### 2.1 三层物联网架构
三层架构是物联网架构的简化参考模型，已在许多系统中得到设计和实现。该架构包含以下三层：
1. **感知或传感器层**：传感器、执行器和边缘设备与环境进行交互并收集数据。传感器与网络以及将该对象作为网络对象进行管理的应用程序进行通信。
2. **网络层**：负责在网络上发现、连接和转换设备，并与应用层协同工作。该层也被称为“传输层”，其主要功能是传输和处理从感知层接收到的信息。传输介质可以是有线或无线的，使用3G、Wi-Fi、蓝牙、红外或ZigBee等协议。
3. **应用层**：管理传感器或设备，并为用户提供专门的服务和功能，进行数据处理和存储。
### 2.2 四层架构
三层架构是一种简化架构，随着物联网的不断发展和部署，它无法满足所有需求。国际电信联盟（ITU）在2012年提出了一种四层架构（ITU - T Y 2060建议）。该模型提供了对物联网架构基本功能和能力的普遍理解，有助于降低实施复杂性，并促进各种物联网应用和通信技术之间的互操作性。
ITU - T分层参考模型由四个水平层以及与所有层相关的通用管理和安全功能组成。从顶层到底层分别为：
1. **应用层**
2. **服务支持和应用支持层**
3. **网络层**
4. **设备或感知层**
支持功能分为通用功能和特定应用功能。管理和安全功能也分为通用和特定功能，并贯穿所有层。通用管理功能包括设备管理功能，如远程激活、状态监控和控制、软件更新、网络拓扑管理以及流量和拥塞控制。通用安全功能包括访问控制、授权和认证、隐私保护和完整性保护。
### 2.3 五层架构
五层架构由四层架构的三个组件组成，增加了顶层的业务层和一个名为处理层的额外层。从顶层到底层依次为：
1. **业务层**：负责整体管理物联网系统，控制应用程序、业务和盈利模式，并为用户提供隐私保护。
2. **应用层**
3. **处理层**：也称为中间件层，其主要目的是通过分析从传输层接收到的数据，去除任何无关信息，从而减少传递给其余层的大量数据。
4. **传输层**：将感知层接收到的数据传输到处理层，其功能与之前架构方案中引入的网络层类似。
5. **感知层**
下面用表格总结一下三种架构的特点：
|架构类型|层数|各层名称|主要特点|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|三层架构|3|感知层、网络层、应用层|简化模型，广泛应用|
|四层架构|4|应用层、服务支持和应用支持层、网络层、设备或感知层|提供通用理解，促进互操作性|
|五层架构|5|业务层、应用层、处理层、传输层、感知层|增加业务层和处理层，功能更全面|
## 3. 应用层协议
应用层是三层和四层物联网架构的顶层，负责处理使用相同应用层协议的物联网设备之间的通信。由于物联网设备资源受限，传统的互联网应用层协议并不适用，因此出现了专门为物联网需求设计的新协议。以下介绍几种主要的物联网应用层协议。
### 3.1 MQTT
消息队列遥测传输（MQTT）是一种轻量级、基于主题的发布 - 订阅应用层消息协议，用于机器对机器（M2M）通信。每次数据交换涉及两个网络实体：代理和一个或多个客户端。
- **工作原理**：代理作为中间方，将发布的消息路由到订阅的接收者。客户端可以是发布者、订阅者或两者兼具。客户端仅与代理进行通信，彼此之间不直接通信。发布者将传感器数据发布到代理的特定主题，代理负责将数据分发给订阅该主题的客户端。
- **主题表示**：主题以字符串格式表示，可由多个层次组成，用斜杠分隔。例如，“home/living_room/humidity” 表示客厅的湿度数据。客户端可以订阅特定主题或主题层次，如 “home/living_room/#” 可接收客厅所有传感器的更新。
- **传输协议**：MQTT设计用于TCP/IP网络，使用面向连接的传输控制协议（TCP）作为传输层协议。标准MQTT端口是1883，端口8883可用于通过传输层安全/安全套接层（TLS/SSL）加密进行安全的MQTT消息交换。
- **服务质量（QoS）**：MQTT具有三个服务质量（QoS）级别，允许通信双方对流量进行优先级排序并确保消息的传递。
- **QoS 0**：最低的QoS级别，确保消息最多传递一次，即接收者不确认是否收到消息。
- **QoS 1**：确保消息至少传递一次，接收者需要确认收到消息。如果未收到确认，发送者将重新传输消息。
- **QoS 2**：MQTT支持的最高QoS级别，确保消息仅传递一次，需要接收者进行两次确认。这是最可靠的QoS级别，但可能导致处理其他网络流量时出现延迟。
### 3.2 MQTT - SN
消息队列遥测传输传感器网络版（MQTT -
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