物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：國內(nèi)現(xiàn)狀和國家標準綜述

◆尹鐘舒 洛向剛 楊成 王靖翔

（1.中國人民公安大學信息網(wǎng)絡安全學院 北京 100038；2.中化商務有限公司 北京 100038）

物聯(lián)網(wǎng)通過提供異構(gòu)網(wǎng)絡之間的無縫銜接改變了數(shù)據(jù)交互模式[1]。在物聯(lián)網(wǎng)范式中，許多實體將以另一種形式出現(xiàn)在網(wǎng)絡中[2]并生成大量數(shù)據(jù)，因此要求物理環(huán)境中的通信系統(tǒng)擁有更大的數(shù)據(jù)容量與更高的傳輸速率。為推動國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)研究和相關行業(yè)發(fā)展，本文主要探討國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與相關國家標準。基于國內(nèi)IoT 設備連接數(shù)量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模分析其發(fā)展趨勢；概述當前物聯(lián)網(wǎng)國家標準適用范圍和具體內(nèi)容；展望物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景和相關標準的制定方向。

1 國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，中國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展動能持續(xù)提升，面向消費者的智能終端市場潛力巨大。隨著物聯(lián)網(wǎng)被定位為我國新型基礎設施的重要組成部分[3]，碎片化、安全風險、成本問題將成為限制其未來規(guī)?；l(fā)展的要害。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)設備連接數(shù)量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大且保持高速增長

根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會的統(tǒng)計，2019 年國內(nèi)IoT 總設備連接數(shù)量為36.3 億，移動設備占比28.37%，增長量為3.29 億，預計2019 到2025 年我國IoT 設備連接數(shù)將持續(xù)增長至80.1 億[4]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)整體產(chǎn)業(yè)設備連接數(shù)量結(jié)構(gòu)將改變

圖1 2020 年中國物聯(lián)網(wǎng)卡行業(yè)占比[11]

由于受眾基數(shù)大、支撐技術(shù)成熟、產(chǎn)品類型多樣，消費物聯(lián)網(wǎng)取得先發(fā)優(yōu)勢，面向消費者的IoT 應用設備，如溫濕度調(diào)節(jié)控制器、智能水表等智能家居產(chǎn)品[5]在連接總數(shù)中占比較高。但隨著行業(yè)信息化和互聯(lián)能力不斷提高，產(chǎn)業(yè)IoT 連接數(shù)占比將逐漸加大，據(jù)GSMA Intelligence 預測，smart grid[6]（智能電網(wǎng)）中的智能電表、智能負載控制開關[7]等產(chǎn)業(yè)IoT 設備數(shù)量，將在2024 年超過消費IoT。2019年中國IoT 連接數(shù)中雙方平分秋色，而由于智慧工業(yè)[8]、智慧交通[9]、智慧健康[10]等領域發(fā)展的加持，到2025年產(chǎn)業(yè)市場占比有望達61.2%。

2 IoT 相關國家標準

根據(jù)GB/T33745-2017《物聯(lián)網(wǎng) 術(shù)語》，74 項物聯(lián)網(wǎng)國家標準分為基礎共性標準和行業(yè)應用標準?；A共性標準包括術(shù)語、系統(tǒng)接口、參考體系結(jié)構(gòu)、感知對象信息融合、信息共享交換、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)評價指標體系編制通則等共計39 項；行業(yè)應用標準涉及9 個領域35 項。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)模型是物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的高度抽象；域是具有特定功能目的的實體集合。GB/T33474-2016《物聯(lián)網(wǎng) 參考體系結(jié)構(gòu)》[12]中給出了以域描述的物聯(lián)網(wǎng)概念模型，如圖2[13]，以期從應用系統(tǒng)角度梳理用戶需求、開發(fā)系統(tǒng)功能和建設物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)概念模型[13]

標準中提出的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)描述了各個業(yè)務功能域中主要實體及實體間的接口關系，如圖3 所示，在實體規(guī)范方面具有普適性。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)

GB/T35319-2017《物聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)接口要求》根據(jù)參考體系結(jié)構(gòu)中的接口描述和IoT 系統(tǒng)實體間接口的設計、開發(fā)和應用，明確接口的具體功能要求[14]。由于大部分IoT 設備布設在兩個功能域內(nèi)部和連接處，規(guī)范接口可使目標對象域與感知控制域間的邏輯連接轉(zhuǎn)換為實體和系統(tǒng)間的物理連接。

GB/T36468-2018《物聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)評價指標體系編制通則》構(gòu)建了針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與功能的指標。IoT 系統(tǒng)評價指標體系包括架構(gòu)類（A1）、功能類（A2）、安全類（A3）三類[15]，B、C 加阿拉伯數(shù)字組成一級和二級指標標識編號，逐層深入到物聯(lián)網(wǎng)微觀，總計一級指標15 項和二級71 項。

2.2 圍繞資源交換域的信息交換共享

資源交換域?qū)崿F(xiàn)了IoT 系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的信息共享與交換。全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會制定的《物聯(lián)網(wǎng) 信息交換和共享》中包括GB/T36487.1-2018 總體架構(gòu)、GB/T36487.2-2018 通用技術(shù)要求、GB/T36487.3-2019 元數(shù)據(jù)、GB/T36487.4-2019 數(shù)據(jù)接口。

總體架構(gòu)中明確了數(shù)據(jù)供需雙方信息交換共享的活動過程、實體功能和交換共享模式，如圖4 所示[16]。

圖4 交換與共享的總體架構(gòu)[16]

通用技術(shù)要求承接總體架構(gòu)中的模塊設計，規(guī)范數(shù)據(jù)提供和使用服務、數(shù)據(jù)標準化處理、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)傳遞接口等內(nèi)容[17]，使技術(shù)滿足評價指標體系中A2 和A3 的要求。

GB/T33745-2017 將元數(shù)據(jù)定義為“描述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)及其相關信息的數(shù)據(jù)”，涵蓋功能實體從環(huán)境中感知的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分級信息、數(shù)據(jù)生命周期、目錄信息、行為以及操作和用戶歷史記錄等。

根據(jù)GB/T36478.1-2018 中的架構(gòu)規(guī)定，供需雙方物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換共享需要數(shù)據(jù)接口作為底層支撐，按照GB/T36478.2-2018的功能模塊劃分，完備的接口結(jié)構(gòu)如圖5[18]所示，其位于不同域之間對交換的數(shù)據(jù)進行登記，一定程度上保證數(shù)據(jù)的可靠性。鑒于絕大多數(shù)IoT 設備算力較小，相關數(shù)據(jù)保存標準以及不同域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)體量仍需進一步規(guī)范。

圖5 數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)[18]

GB/T37684-2019《物聯(lián)網(wǎng) 協(xié)同信息處理參考模型》新增協(xié)同實體定義，即具有能力評估、協(xié)同策略規(guī)劃、協(xié)同效能評估和過程管控等部分或全部功能的實體。如圖6[19]所示，信息處理被劃分為若干子任務，協(xié)同實體分別面向需求方和提供方，使對應的任務分配和任務處理功能脫離資源交換域，有助于提高信息交換共享效率，明確資源交換域的功能和屬性。

圖6 協(xié)同信息處理參考模型[19]

2.3 圍繞感知控制域和運維管控域的安全需求與管理

感知控制域是各類獲取感知對象信息與操控控制對象的軟硬件實體集合，該域?qū)嶓w通過對物理世界對象的本地化感知、協(xié)同和操控，為其他域提供遠程管理和服務接口[12]；目前IoT 設備以感知設備為主，因此亟待設立國家標準滿足安全要求。

GB/T 37024-2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)關安全技術(shù)要求》中定義了感知層網(wǎng)關部署于物聯(lián)網(wǎng)感知層的網(wǎng)絡連接軟硬件實體。其實現(xiàn)了感知網(wǎng)絡之間、感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換和互聯(lián)，支持短距傳輸協(xié)議與廣域網(wǎng)通信協(xié)議之間的編碼和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。該標準提出安全技術(shù)要求等級分為基礎級和增強級[20]，增加了感知終端接入認證與支持基于網(wǎng)絡標識、MAC 地址、通信協(xié)議、端口和口令五項之一的鑒別機制，以及限定鑒別失敗次數(shù)的閾值終止訪問等機制

[21]。

運維管控域是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)運行維護和法規(guī)符合性監(jiān)管的軟硬件系統(tǒng)的實體集合[12]。全國信息安全標準化技術(shù)委員會為滿足IoT 系統(tǒng)的通用安全需求、規(guī)范安全對象及各對象的安全責任，制定運維管控域安全標準：

GB/T37044-2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型及通用要求》描述安全區(qū)是由若干功能域或子域所對應的信息安全需求組成，因其組成的功能目標不同，信息安全防護需求各有側(cè)重。在IoT 參考體系結(jié)構(gòu)的基礎上，形成從安全分區(qū)、生存周期和防護措施三個維度構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型，如圖7 所示，各類相應的安全標準均可以在此模型基礎上進行再開發(fā)[22]。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型[22]

2.4 物聯(lián)網(wǎng)各域在行業(yè)應用標準中的規(guī)范

各個行業(yè)均已形成體系成熟且契合功能設備應用與服務的標準，基于此，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用標準針對不同域進一步規(guī)范產(chǎn)業(yè)IoT 設備屬性，便于標準高效推行。

2.4.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準的提出源于工業(yè)儀表在互聯(lián)互通、無縫融合中的不足，具體內(nèi)容由全國工業(yè)過程測量、控制和自動化標準技術(shù)委員會制定。

針對感知控制域下的設備，GB/T33899-2017《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表互操作協(xié)議》定義總長89+X bytes 的互操作報文編碼結(jié)構(gòu)[23]，其中前24 位是由GB/T33901-2017《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表身份標識協(xié)議》定義的針對目標對象域標簽識別系統(tǒng)的身份標識編碼，中間65 位由消息優(yōu)先級、源設備地址、目標設備地址、時間先后排列構(gòu)成，最后的X位為長度可變的消息內(nèi)容[24]；《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表應用屬性協(xié)議》中描述了工業(yè)儀表的結(jié)構(gòu)、功能、性能、位置、商業(yè)，并在附錄中提供了供電方式、外殼防護等級、防爆型式與通信方式[25]。

針對服務提供域，GB/T33904-2017《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表服務協(xié)議》結(jié)合工業(yè)儀表屬性擴展了服務內(nèi)容，包含觀測服務（IIOS）、配置服務（IICS）、規(guī)劃服務（IIPS）、警告服務（IIAS）、網(wǎng)絡注冊服務（IIWRS），并對服務進行標識編碼[26]。

2.4.2 智能家居

智能家居，又稱家庭自動化，涵蓋監(jiān)控家庭屬性如照明、溫濕度、娛樂系統(tǒng)、電器使用，以及家庭安全如訪問控制和警報系統(tǒng)。作為當前IoT 產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，智能家居相關標準的歸口單位為全國智能建筑及居住區(qū)數(shù)字化標準化技術(shù)委員會。

針對感知控制域，GB/T35134-2017《物聯(lián)網(wǎng)智能家居 設備描述方法》從設備功能角度規(guī)定了相關數(shù)據(jù)元素，通過設備描述語言（DDL）描述了5 類智能家居實體，分為系統(tǒng)功能對象、基礎功能對象、合成功能對象、關聯(lián)功能對象和組合功能對象[27]。

針對目標對象域，GB/T35143-2017《物聯(lián)網(wǎng)智能家居 數(shù)據(jù)和設備編碼》定義了設備基礎數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、廠家自定義數(shù)據(jù)及其序號，作為物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)品的唯一標識，其中A 部代表企業(yè)的EAN-13編碼；B、C、D 部分別表示設備所屬的大、中、小類；E 部代表廠商自定義型號、生產(chǎn)序列號，如圖8 所示。

圖8 智能家居設備標識示意圖[30]

針對用戶域，GB/T 39189-2020《物聯(lián)網(wǎng)智能家居 用戶界面描述方法》規(guī)定了物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中用戶交互模型、數(shù)據(jù)服務、用戶界面等要求[28]，并給出了用utf-8 編寫的完整用戶界面描述文件內(nèi)容。

針對服務提供域，GB/T39190-2020《物聯(lián)網(wǎng)智能家居 設計內(nèi)容及要求》基于GB/T35143-2017 中的智能家用電器分類設定對應系統(tǒng)與子系統(tǒng)，并明確物聯(lián)網(wǎng)智能家居的基本功能和擴展功能[29]，以打造安全高效、舒適便利的家居環(huán)境。

3 總結(jié)與展望

作為國家新型基礎設施建設的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)已進入發(fā)展的第二個十年，未來在產(chǎn)業(yè)標準化建設與推廣方面存在諸多挑戰(zhàn)。

3.1 加強對標準適用范圍和關聯(lián)性的研究

由于各行業(yè)在發(fā)展過程中已形成相對獨立的設備描述、標識與編碼以及安全與管理的國家標準，因而前文所論述的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用標準中，相關標準在內(nèi)容上存在冗余；部分物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用標準的制定基準已更新或補充內(nèi)容，而現(xiàn)行標準沒有及時更新版本，在面對云計算、移動互聯(lián)等新領域時缺少相應規(guī)范；不同產(chǎn)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)模塊彼此較為孤立，使得標準間關聯(lián)性不足，且難以滿足應用服務和設計內(nèi)容的要求。

鑒于上述問題存在以及物聯(lián)網(wǎng)關聯(lián)領域廣泛、設備接入方式多樣，對通用設備、應用服務要求與監(jiān)管控制技術(shù)規(guī)范宜形成共性標準，以之為基礎制定行業(yè)特殊標準。其中，應用服務和設計內(nèi)容的標準制定可參照 GB/T33904-2017《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)儀表服務協(xié)議》和GB/T39190-2020《物聯(lián)網(wǎng)智能家居 設計內(nèi)容及要求》，將相關實體的應用范圍劃分成具有邏輯關聯(lián)或真實關聯(lián)的服務模塊，并按照設備種類形成對應的系統(tǒng)、子系統(tǒng)，減少目前物聯(lián)網(wǎng)應用場景中功能實體之間的耦合性，使后續(xù)標準對不同類型物聯(lián)網(wǎng)應用服務產(chǎn)品的規(guī)范更清晰。

3.2 促進技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與標準制定融合

隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會生活領域的不斷滲透，相關應用程序與其他行業(yè)技術(shù)結(jié)合取得了顯著成功。在對抗COVID-19 傳播方面，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoHT/IoMT）監(jiān)測被隔離患者生物特征，大幅提高醫(yī)務人員工作效率，降低工作量、資源耗費和失誤率[31]；在工業(yè)制造業(yè)方面，物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生相結(jié)合，以數(shù)字化形式對物理實體的行為流程進行動態(tài)展現(xiàn)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)與企業(yè)核心系統(tǒng)信息的實時流動，不斷優(yōu)化企業(yè)的產(chǎn)品更新周期、資源成本管理、研發(fā)銷售策略[32]。因此對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與標準制定應當遵循市場發(fā)展規(guī)律并融合到功能實體的創(chuàng)新周期之中。