物联网安全：物联网概述

物联网（Internet of Things，IoT）是一个融合计算机、通信和控制等相关技术的复杂系统，因此其面临的信息安全问题更加复杂。

物联网代表了未来计算与通信技术发展的方向，被认为是继计算机、互联网（Internet）之后信息产业领域的第3次发展浪潮。

最初，物联网是指基于互联网技术，利用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术、产品电子编码（Electronic Product Code，EPC）技术在全球范围内实现的一种网络化物品实时信息共享系统。

后来，物联网逐渐演化成了一种融合传统电信网络、计算机网络、传感器网络、点对点（Point to Point，P2P）无线网络、云计算和大数据等信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）的完整的信息产业链。

1、物联网的概念

2007年以来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网”一词频繁地出现在世人眼前。“物联网”这一概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，帮助全世界度过了2008—2010年的经济危机。物联网技术已经带来了一场新的技术革命，并推动了云计算、大数据和人工智能的发展。

尽管物联网经过了多年的发展，但其定义尚未统一。物联网一般的英文名称为“Internet of Things”。随着人、机、物融合的日益深入，物联网也被称为“Internet of Everythings”（IoE）。

顾名思义，物联网就是一个将所有物体连接起来而形成的物物相连的互联网络。物联网作为新技术，其定义千差万别。目前，一个被大家普遍接受的定义为：物联网是通过使用射频识别阅读器、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备或系统，按约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络或系统。

通过以上定义可以看出，物联网包含以下4部分内容。

1）多样化感知：感知设备多样化，包括传统的温湿度、压力、流量、位置传感器，新型的智能传感器，以支持物理世界数字化和人员位置的标定。

2）电子化身份：利用电子标签（Tag）、二维码、视觉和声音进行身份标识，方便信息化系统的构建与使用，以支持人员、物体等的识别与跟踪。

3）多模式通信：包括各种无线和有线通信手段，如蓝牙、无线通信技术（如Wi-Fi等）和近场通信（Near Field Communication，NFC）技术等近距离无线通信技术，第4代移动通信技术（The 4th Generation Mobile Communication Technology，4G）、第5代移动通信技术（The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G）和微波通信技术等中距离无线传输技术，卫星通信技术等远距离无线传输技术等。

4）智能化管理：通过对感知数据进行深度分析和可视化，对物理世界和信息世界实现有效监控和管理，以增强物联网系统的智能化。

显然，在物联网的定义中，“计算机”“传输与通信”“检测与控制”被有机地融合在了一起，所以，物联网是典型的3C（Computer、Communication、Control）融合新技术。

从物联网的定义还可以看出，物联网是对互联网的延伸和扩展，其用户端延伸到了世界上的任何物品。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在《ITU互联网报告2005：物联网》中指出，在物联网中，一个牙刷、一条轮胎、一座房屋甚至是一张纸巾都可以作为网络的终端，即世界上的任何物品都能连入网络。物与物之间的信息交互不再需要人工干预，物与物之间可实现无缝、自主、智能的交互。换句话说，物联网是以互联网为基础，主要解决人与人、人与物、物与物的互联和通信问题。

除了上面的定义外，物联网在国际上还有以下几个代表性描述。

国际电信联盟：从时-空-物三维视角看，物联网是一个能够在任何时间（Anytime）、任何地点（Anyplace）实现任何物体（Anything）互联的动态网络，它包括了个人计算机（Personal Computer，PC）之间、人与人之间、物与人之间、物与物之间的互联。

欧盟委员会：物联网是计算机网络的扩展，是一个实现物物互联的网络；这些物体可以有网际互联协议（Internet Protocol，IP）地址，它们被嵌入到复杂系统中，通过传感器从周围环境中获取信息，并对获取的信息进行响应和处理。

中国物联网发展蓝皮书：物联网是一个通过信息技术将各种物体与网络相连，以帮助人们获取所需物体相关信息的巨大网络；物联网通过使用射频识别阅读器、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备或系统，通过无线传感网、无线通信网络把物体与互联网连接起来，实现物与物、人与物的实时通信和信息交换，以达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的目的。

2、物联网的体系结构

认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统更是如此，物联网也不例外。首先，需要了解物联网的整体结构；然后，讨论其中的细节。物联网具有一个开放性体系结构，由于处于发展阶段，因此不同的组织和研究群体，针对物联网提出了不同的体系结构。但不管是三层体系结构还是四层体系结构，其关键技术都是相通和类同的。下面介绍一种物联网四层体系结构，在此基础上进行组合即可实现物联网三层体系结构。

目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，多将国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）在2002年提出的建议中描述的泛在传感器网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）结构作为基础，它自下而上分为感知网络层、泛在接入层、中间件层、泛在应用层4个层次，如图1所示。

USN结构的一大特点是依托下一代网络（Next Generation Network，NGN）结构，各种传感器在最靠近用户的地方组成无所不在的网络环境，用户在此环境中使用各种服务，NGN则作为核心基础设施为USN提供支持。

显然，基于USN的物联网体系结构主要描述了各种通信技术在物联网中的作用，不能完整反映出物联网系统实现中的功能集划分、组网方式、互操作接口、管理模型等，不利于物联网的标准化和产业化。因此需要进一步探索实现物联网系统的关键技术和方法，设计一个通用的物联网系统结构模型。

图2给出了一种通用的物联网四层体系结构。该结构侧重物联网的定性描述而不是协议的具体定义。因此，物联网可以定义为一个包含感知控制层、数据传输层、数据处理层、应用决策层的四层体系结构。

该体系结构借鉴了ITU的物联网的USN结构思想，采用了自下而上的分层结构。各层的功能描述如下。

感知控制层：感知控制层简称感知层，它是物联网发展和应用的基础，包括条形码识别器、各种类型的传感器（如温湿度传感器、视频传感器、红外探测器等）、智能硬件（如电表、空调等）和网关等。各种传感器通过感知目标环境的相关信息，自行组网以将信息传递到网关接入点，网关再将收集到的数据通过数据传输层提交到数据处理层进行处理。数据处理的结果可以反馈到感知控制层，作为实施动态控制的依据。

数据传输层：数据传输层负责接收感知控制层传来的数据，并将其传输到数据处理层，随后将数据处理结果再反馈回感知控制层。数据传输层包括各种网络与设备，如短距离无线网络、移动通信网络、互联网等，并可实现不同类型网络间的融合，以及物联网感知与控制数据的高效、安全和可靠传输。此外，数据传输层还提供路由、格式转换、地址转换等功能。

数据处理层：数据处理层可进行物联网资源的初始化，监测资源的在线运行状况，协调多个物联网资源（如计算资源、通信设备和感知设备等）之间的工作，实现跨域资源间的交互、共享与调度，实现感知数据的语义理解、推理、决策以及数据的查询、存储、分析与挖掘等。数据处理层利用云计算（Cloud Computing）、大数据（Big Data）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）等技术，实现感知数据的高效存储与深度分析。

应用决策层：应用决策层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务，如检索、计算和推理等。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、控制型（智能交通、智能家居）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。应用决策层可针对不同类别的应用，制定与之相适应的服务内容。

此外，物联网在每一层中还应包括安全、容错等技术，用来贯穿物联网系统的各个层次，为用户提供安全、可用和可靠的应用支持。在物联网的四层体系结构中，数据处理层和应用决策层可以合二为一，统称为应用决策层，这样物联网四层体系结构就变成了三层体系结构，即感知控制层、数据传输层、应用决策层。

3、物联网的特征

从物联网的定义和体系结构可以看出，物联网的核心功能包括信息（数据）的感知、传输和处理。因此，为了保证能高效工作，物联网应具备3个特征：全面感知、可靠传递、智能处理。图3给出了物联网的3大特征描述。

1）全面感知。“感知”是物联网的核心。物联网是由具有全面感知能力的物品和人组成的。为了使物品具有感知能力，需要在物品上安装不同类型的识别装置，如电子标签、条形码、二维码等，与此同时，可以通过温湿度传感器、红外感应器、摄像头等识别设备感知其物理属性和个性化特征。利用这些装置或设备，可随时随地获取物品信息，实现全面感知。

2）可靠传递。数据传递的稳定性和可靠性是保证物物相联的关键。由于物联网是一个异构网络，不同实体间的协议格式（规范）可能存在差异，因此需要通过相应的软、硬件进行协议格式转换，保证物品之间信息的实时、准确传递。为了实现物与物之间的信息交互，将不同传感器的数据进行统一处理，必须开发出支持多协议格式转换的通信网关。通过通信网关，将各种传感器的通信协议转换成预先约定的统一的通信协议。

3）智能处理。物联网的目的是实现对各种物品和人进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。这就需要智能信息处理平台的支撑，通过云（海）计算、人工智能等智能计算技术，对海量数据进行存储、分析和处理，针对不同的应用需求，对物品和人实施智能化的控制。

由此可见，物联网融合了各种信息技术，突破了互联网的限制，将物体接入信息网络，实现了“物物相联的互连网”。物联网支撑信息网络向全面感知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破，从而影响着国民经济和社会生活的方方面面。