1 引言
物联网从字面上很容易解释成为连接物品的网络，我们也就很自然地把连接传感器的无线传感器网络误认为物联网。物联网实际上是物品互联网（Internet of Things）的简称，它必须具有互联网的功能特征，用于构成连接物品的全球信息基础设施。按照这种定义，目前并没有真正意义上的物联网，现有的某些连接物品的网络应该准确地称之为物品内联网（Intranet of Things）。有些人认为，只要把物品内联网连接到互联网，或者只要把无线传感器网络连接到互联网，就可以构成物品互联网。基于这样的观点，有些人进一步推演得到结论：物联网就是一种应用。我们认为，这些观点的依据较为片面，缺少对物联网当前研究现状的全面了解。实际上现在互联网无法提供物联网应用需要的标准化的通信和服务能力，例如全球标准化的物品感知能力，标准的基于位置的通信能力，以及标准的自主联网能力等。为了研究和开发真正意义上的物联网，必须研究物联网的标准化技术，实现不同物联网系统之间的互连、互通和互操作。
对于任何与物联网研发和应用相关的机构而言，他们最为关心的是所采用的技术是否能够与相关标准和最佳实践在技术上保持一致性。只有与标准化的物联网技术保持一致性，才能使得他们研发或使用的物联网系统与其他物联网系统实现互操作，这些可互操作的物联网系统才能构成一个物联网的生态系统。提供具有互操作性的物联网标准化技术是决定物联网能够持续、健康发展的关键环节。
欧洲联盟物联网体系结构（IoT-A）项目发布的报告指出：“虽然许多技术和系统供应商把他们的解决方案贴上了‘物品互联网’技术的标签，实际上这些解决方案形成了分离的‘物品内联网’，这些与物品互联网在技术上存在根本区别。”目前，某些应用领域在非公共信息基础设施之上构建的垂直物联网系统的做法是值得商榷的，如果这种垂直系统缺少标准的互操作性，则未来难以与其他应用领域的物联网系统构成一个生态系统，这些垂直系统生命力存在较大的疑问。
就像计算机网络标准化技术必须依赖于开放系统互连（OSI）参考模型一样，物联网的标准化技术必须依赖于物联网参考模型。如何规范物联网的参考模型？如何通过物联网参考模型的定义和规范化实现物联网的互操作？这些都是物联网研究中十分困难的基础性问题。
从国际研究的现状看，我们在本文发表前检索了国际上目前在IT研究领域较为权威的电气电子工程师学会（IEEE）的会议论文和期刊论文网站，检索到的有关IoT的研究论文已经超过1000篇，但有关IoT参考模型研究的论文只有2篇。从中可以看出，国际上在物联网参考模型方面研究成果较少。
本文通过分析欧盟IoT-A项目有关物联网参考模型的研究报告，探讨了物联网的体系结构参考模型、参考模型、参考体系结构的概念，分析了欧盟提出的物联网参考模型的建模方法，指出了欧盟物联网参考模型在物理实体、虚拟实体、数字实体和装置等概念方面的合理之处，阐述了物联网交互基本抽象方面的不适合之处，提出了一种改进物联网交互基本抽象的建议。
2 参考模型相关概念
为了分析物联网参考模型，必须首先讨论与物联网参考模型相关的概念，其中包括物联网体系结构参考模型，物联网参考模型、物联网参考体系结构等概念。
按照欧盟IoT-A项目中的定义，物联网体系结构参考模型包括愿景、商业场景和参与方、物联网参考模型，以及物联网参考体系结构四个部分。愿景主要汇总了为物联网提供体系结构参考模型的依据，其中包括动因、使用方式、研究方法以及涉及到的商业场景和参与方。商业场景和参与方主要构成了研究物联网体系结构参考模型需求的依据。物联网参考模型给出了物联网的概念模型，物联网参考体系结构提供了设计具有互操作性的物联网体系结构的参考框架。物联网参考模型和参考体系结构部分的输出文稿可以实际指导具有互操作性物联网系统的设计和实现。
物联网参考模型是物联网体系结构参考模型中的重要组成部分，它提供了描述物联网技术领域的一个较高层次的抽象，其中包括对于物联网组成、数据处理流程、以及内部组成部件以及与外部环境之间交互的抽象。欧盟定义的体系结构参考模型包括了领域模型、信息模型和通信模型。领域模型定义了物联网统一的概念、相关的实体以及实体之间的关系，构成了物联网的概念模型。领域模型是研究物联网参考体系结构的基础，它提供了IoT的字典或术语表，领域模型中定义的实体是物联网相关知识和行为的载体。信息模型主要表示知识，解释如何建立IoT知识的模型，可用于规范领域模型中的数据语义。通信模型主要表示行为，描述智能对象的交互模式，可用于表示如何管理通信行为以达到IoT要求的特征。研究物联网参考模型的主要目的是达到对于物联网认识和理解的一致性，为设计物联网参考体系结构提供概念上的支撑。
物联网参考体系结构是构建具有互操作性的物联网体系结构的参考，它提供了物联网参与方关心的不同视图和视角所涉及到物联网功能和机制的抽象。按照欧盟IoT-A项目中的定义，可以通过提取已有物联网体系结构中基本要素，例如组成部件、采用的机制和标准等，分别按照功能视图、信息视图、部署视图和运营视图，以及从安全与隐私、性能与可缩放性、可用性和恢复性、演进和互操作性等视角，定义一个物联网参考体系结构。这种参考体系结构的作用就是保证按照该体系结构设计和实现的物联网系统具有互操作性。这是欧盟IoT-A项目研究的主要目标。
这些物联网参考模型相关概念之间的关系如图1所示。物联网体系结构参考模型是研究的总体框架，其中包括了研究思路、需求分析、研究方法等关键内容，指导参考模型的研究和设计。参考模型通过建立物联网概念和关系之间的模型，建立对IoT领域的共识，以此指导物联网参考体系结构的设计。一个参考体系结构可以通过最佳实践的方式提供实际物联网体系结构设计的指南，使得新的体系结构和系统能够相互保持一致。物联网体系结构提供具体物联网系统的实现框架和测试指南，物联网实际系统反馈给物联网体系结构相关的实现机制和限制条件。
图1 物联网参考模型相关概念之间的关系
按照欧盟IoT-A项目研究方法，对于物联网体系结构参考模型的研究是一个螺旋式循环上升的过程，需要根据我们对物联网技术和应用的研究和开发的进展，不断拓展我们对物联网的认识和理解，补充和完善我们研究物联网体系结构的需求和思路，并在此基础上不断补充和完善物联网的参考模型和参考体系结构。
3 参考模型的研究方法
物联网参考模型的研究是一项较为抽象的工作，也是一项较为困难的工作。要在这方面取得有价值的结果，关键在于采用正确而有效的方法。参考模型的研究方法包括总体研究方法、规范化的描述方法、以及与物联网特征相关的建模方法。以下以欧盟IoT-A项目采用的方法为例，分析适用于物联网参考模型的研究方法。
3.1 自底向上的抽象方法
构建物联网参考模型面临的第一个问题是采用自底向上方法，还是采用自顶向下方法。欧盟采用了自底向上方法，即基于现有的物联网研究和应用现状，抽象出来了物联网的参考模型。这种方法的优点之一是可以最大限度地保证与已有物联网相关技术或模型的兼容性，减少社会资源的浪费；优点之二是可以较为完整和准确地分析和把握物联网的需求。
自底向上的方法是网络标准化过程中通常采用的方法，所有的技术标准化工作都是基于现有的技术基础上展开的。分析现有技术特征，同时考虑未来技术发展的趋势，以此可以构建一个具有实用价值的标准技术体系。在实际抽象过程中，不仅依赖于现有物联网应用实例和实际模型的输入，还依赖于研究人员预先设定的抽象框架。在欧盟IoT-A项目中采用了物联网用户与物理实体交互的抽象模型，这里反映了研究人员仅仅抽象出了物联网用户和物理实体，而忽略了物联网中的虚拟实体和数字实体，这种抽象框架与实际物联网应用架构存在一定的差异，并不符合物联网实际应用场景。这方面的问题将在本文第4节进一步讨论。
3.2 概念建模方法
构建物联网参考模型面临的第二个问题是采用直接指导物联网系统的标准化设计，还是间接指导物联网系统的标准化设计。欧盟采用了间接指导物联网标准化设计的方法，即把物联网参考模型作为一种抽象的概念模型，用于澄清物联网相关的概念，在此基础上指导物联网参考体系结构的设计，通过物联网参考体系结构指导物联网标准化工作。
与互联网采用的直接通过开放系统互连（OSI）参考模型指导互联网的标准化工作的方法相比，采用物联网参考模型间接指导标准化工作体现了物联网的特殊性。物联网与互联网存在几个显著差异，其一是物联网需要直接连接和感知物品，其二是物联网需要处理物品相关数据。与互联网仅仅连接单一的计算机系统不同，物联网连接的物品种类千差万别，不同应用领域的物品连接和感知方式和技术可能存在较大的差别；与互联网透明传递数据不同，物联网需要处理与物品相关的数据，不同应用领域的物品数据具有不同处理方式。物联网标准化工作面临的挑战就是如何综合不同应用领域的技术或方法，构建可互操作的物联网标准化技术体系。通过构建独立于任何应用领域的抽象物联网参考（概念）模型，可以形成在不同应用领域之上的统一的物联网概念模型，这样，就可以较好地指导涉及不同应用领域的物联网标准技术的设计和实现。
3.3 多视图的标准化方法
根据以上分析可以知，欧盟IoT-A项目中真正用于物联网标准化的模型是物联网参考体系结构。如何描述物联网参考体系结构也是物联网体系结构参考模型需要研究的问题。
欧盟IoT-A项目与传统描述网络体系结构的方法不同，它采用了功能视图、信息视图、部署视图和运营视图描述物联网参考体系结构，而不是单纯构建一个物联网的功能体系结构。这里的功能视图描述了系统运行的功能元素，和它们的职责、接口和主要的交互；信息视图描述了体系结构存储、操纵、管理和分布数据和信息的方式；部署视图描述了系统部署的环境，其中包括了系统运行环境中所属的其他环境；运营视图描述了系统在其投入商业运行的环境下，进行操作、管理和支撑的方式和方法。我们认为，这种多视图的物联网体系结构的标准化方法可以很好地体现物联网的多种类型信息处理、复杂应用环境部署、异构网络环境部署的特征。
欧盟在IoT-A项目中采用的这些建模方法可以用图2表示，自底向上的归纳和抽象是物联网参考模型建模的基础；进一步把通常的标准化参考模型分解成参考模型和参考体系结构两部分，这里的参考模型实际上构成了物联网的概念模型，以此化解物联网在概念层的复杂度，这部分工作形成了整个建模的核心；运用多视图建模方法构建参考体系结构，通过多个角度把握物联网的特征，体现了欧盟有关物联网标准体系结构研究的特色。以下我们将重点分析欧盟IoT-A项目中提出的物联网参考模型和参考体系结构的合理之处以及不足之处。
图2 欧盟采用的建模方法
4 参考模型的评价
欧盟IoT-A项目提出的物联网体系结构参考模型的文稿是一个最初的文稿，在物联网参考模型方面完成了其中的领域模型的工作，在物联网参考体系结构方面完成了其中的功能视图、安全和隐私视角建模的部分工作。
欧盟IoT-A项目提出的物联网参考模型中的领域模型较为准确地抽象了物联网的核心组成单元，较为合理地定义了相关术语。其中，有关物理实体、装置、数字实体等概念定义较为准确，有关装置（Device）的概念与我们提交国际电信联盟的观点基本吻合，即把装置定义为关联虚拟实体和物理实体的技术接口，使得虚拟实体可以与物理实体交互并且获得物理实体的信息。
欧盟IoT-A项目提出的领域模型较为合理地描述了物理实体、数字实体和虚拟实体之间的关系，即一个物理实体可以对应多个数字实体，描述一个物理实体的多个数字实体构成一个虚拟实体。这种抽象较为准确地反映了物联网中信息交互的模式。
欧盟IoT-A项目有关物联网体系结构参考模型还是存在一些不合理方面，其中最为明显的是领域模型中对于物联网交互的抽象。图3（a）表示欧盟定义的物联网交互的基本抽象，其中只表示了用户与物理实体的单向交互。实际物联网应用环境中，用户并不能直接与物理实体交互（注：这里需要明确“用户”就是指“物联网用户”，如果用户直接与物理实体交互，则就不是物联网应用环境，而是物理世界的应用环境了），而且用户与物理实体之间并不一定是单向交互，一些运动的或者具有生命力的物理实体也需要主动与用户交互。所以，我们建议采用图3（b）的物联网交互抽象模型，即抽象成为用户与虚拟实体双向交互，虚拟实体与物理实体双向交互，用户只能通过物联网间接地与物理实体交互。
图3 物联网交互抽象与改进建议
由于欧盟IoT-A项目有关物联网参考模型中的领域模型出现了偏差，使得后续的物联网参考体系结构放大了这些偏差，欧盟提出的物联网参考体系结构的功能视图缺少物品感知、自主联网和数据处理等功能，使得这种物联网参考体系结构难以区别于现有网络的体系结构；欧盟提出的物联网参考体系结构的安全和隐私功能同样也缺少反映物品感知、自主联网和数据处理过程的安全和隐私保护机制。
5 结束语
欧盟IoT-A项目提出的物联网体系结构参考模型的最大成功之处在于：梳理清楚了构建物联网体系结构参考模型的总体思路、基本方法和主要步骤，为后续物联网的标准化工作奠定了理论基础。其中，有关物联网中的核心思想：即把互联网延伸到物理实体的思想，准确地把握了物联网的本质；有关物理实体、装置和数字实体的概念定义较为清晰，准确地抽象出了物联网的主要组成单元；有关物联网体系结构参考模型的自底向上、概念建模以及多视图描述等方法较为完整，系统地表述了后续物联网标准化工作可以采用方法和步骤。
欧盟IoT-A项目提出的物联网体系结构参考模型的主要不足在于：由于这项工作还处于初始阶段，有些方面考虑不够系统和全面。其中，把物联网抽象为用户与物理实体的交互，这是一个不完整的抽象，缺少用户与数字实体的交互，以及数字实体与物理实体的交互，这种顶层的概念模型与实际物联网内部处理机制和架构不吻合。由于顶层概念模型的误差，造成了功能模型并没有涉及到物联网最为本质的物品感知、自主联网和数据处理等功能，使得文稿中定义的安全和隐私等功能也没有能够反映物联网的特征。这是需要在后续工作中进一步完善。从总体看，欧盟IoT-A项目还是为物联网标准化工作指明了正确的方向，提供了科学的方法，将对国际物联网的标准化工作带来积极的影响。
物联网研究和开发是一项较为困难和复杂的工作，物联网标准化工作，特别是国际物联网的标准化工作更是一项极其困难和复杂的工作。 
