1.4 AIoT体系结构研究

1.4.1 AIoT体系结构研究的重要性

在谈到体系结构时，人们马上会想到：计算机体系结构与冯·诺依曼、计算机网络体系结构与OSI参考模型，以及Internet体系结构。这说明了以下两点：

• 对于一个复杂的计算机体系结构、计算机网络体系结构，我们需要抽象出能够体现出不同类型计算机、不同类型计算机网络最基本的、共性特征的体系结构模型；

• 体系结构的研究水平是评价一项技术成熟度的重要标志之一。

在深入研究AIoT时，人们自然会想到应该用一个什么样的体系结构来描述AIoT的问题。在讨论AIoT体系结构时，我们需要回忆一下计算机网络体系结构的概念产生与体系结构形成的过程，它会给我们很多重要的启示。

20世纪70年代后期，人们逐步认识到计算机网络层次结构模型与协议标准的不统一，将会导致形成多种异构的计算机网络系统，给今后大规模的网络互联造成很大的困难，会限制计算机网络自身的发展。

20世纪80年代初，国际标准化组织（ISO）研究并正式公布了开放系统互连参考模型（OSI RM），也就是我们常说的“七层模型”，作为研发计算机网络的参考模型和体系结构标准。按照OSI RM的定义：网络层次结构模型与网络协议构成了网络体系结构（Network Architecture）。

但是任何一种技术标准都必须最终接受市场的选择。在市场竞争中，Internet中广泛应用的TCP/IP体系最终取代了OSI RM，成为事实上的产业标准。无论是网络体系结构、网络层次结构（或网络参考模型），其实质都是对网络结构共性特征的抽象表述，指导系统开发者把握网络应用系统总体结构的设计，选择实现网络服务功能最合适的技术。

AIoT行业应用系统的功能、结构差异大，协议标准复杂，这就给我们研究AIoT应用系统规划与设计方法带来很大的困难。但是，无论AIoT应用系统多复杂，它们必然会存在着一些内在的共性特征，重要的是我们能不能准确地认识和总结出这些基本的共性特征，找出最合理的层次结构模型。从计算机网络层次结构模型与体系结构发展演变过程中，可以得出两点启示：

• 研究AIoT技术必须要研究AIoT的层次结构参考模型与体系结构；

• 任何一种AIoT层次结构模型与体系结构最终都要接受工程实践的检验。

1.4.2 AIoT技术架构

2018年，AIoT（AIoT）的概念问世。AIoT推进了“IoT+云计算+5G+边缘计算+大数据+智能+控制”技术的融合创新，将IoT技术、应用与产业推向了一个新的发展阶段。了解AIoT技术架构与层次结构参考模型，对于理解AIoT基本工作原理、系统结构、关键技术，指导AIoT应用系统的规划、设计、开发与运维，具有重要的意义。

研究AIoT层次结构模型最有效的方法是分析实现AIoT应用系统的技术架构。从工程实践的角度，技术架构直接概括了实现AIoT系统功能的各项具体的技术，以及各种技术之间的逻辑关系；在技术架构的基础上可以进一步总结、抽象出层次结构模型。

随着各行各业AIoT应用研究的深入，我们会发现不同行业、不同应用场景的AIoT应用系统的特点有很大的差异性，例如工业物联网应用与消费类物联网应用，它们之间的差异是非常明显的，必须是在掌握大量AIoT应用系统成功案例的基础上，进行深入地分析与总结，才有可能总结出它们之间的共性特征，得出非常有价值的结论，这需要经过一定的经验与知识的积累过程才能完成。目前产业界与学术界比较通行的方法主要有两种，第一种方法是集中精力研究某个产业的某一类应用系统的共性特征，提出这一类应用系统的AIoT技术架构与层次结构参考模型；第二种方法是从更为宏观的角度，从分析支撑AIoT的关键技术出发，研究AIoT技术架构，进而提出AIoT层次结构参考模型，用来指导AIoT应用系统规划、架构设计与工程实现。

从AIoT基础理论研究的角度看，更适合采用第二种方法，通过分析AIoT技术架构，进一步提炼AIoT层次结构参考模型。参考各个国际标准化组织与研究机构发表的物联网层次结构模型，结合对AIoT特点以及对支撑AIoT发展的关键技术的理解，我们可以将AIoT应用系统的总体功能分解到不同的层次，明确各层实现不同功能所需要采用的技术和协议标准，进而提出AIoT技术架构与层次结构参考模型。

1.AIoT的技术架构

AIoT的技术架构如图1-21所示。

AIoT技术架构由感知层、接入层、边缘计算层、核心交换层、应用服务层与应用层这六层组成。

（1）感知层

感知层是AIoT的最底层。感知层实现系统感知、控制用户与系统交互的功能。感知层涵盖传感器与执行器、RFID标签与读写设备、智能手机、GPS、智能家电与智能测控设备、可穿戴计算设备与智能机器人、智能网联汽车、智能无人机等移动终端设备等，涉及嵌入式计算、可穿戴计算、智能硬件、物联网芯片、物联网操作系统、智能人机交互、深度学习和可视化技术。

（2）接入层

感知层之上是接入层。接入层担负着将海量、多种类型、分布广泛的AIoT设备接入应用系统的功能。接入层采用的接入技术与接入网包括有线与无线通信技术两类。有线接入网包括Ethernet、ADSL、HFC、现场总线网、光纤、电力线接入网等；无线接入网包括近场通信NFC，BLE蓝牙、ZigBee、6LoWPAN、NB-IoT、Wi-Fi接入网，5G云无线接入网C-RAN、异构云无线接入网H-CRAN技术，以及无线传感器网络与光纤传感器网络接入技术。

（3）边缘计算层

边缘计算层经常被简称为边缘层，它将计算与存储资源（如微云Cloudlet、微型数据中心、雾计算节点）部署在更贴近于移动终端设备或传感器网络的边缘，将很多对实时性、带宽与可靠性有很高需求的计算任务迁移至边缘云中处理，以减小响应延时、满足实时性应用需求，优化与改善终端用户体验。边缘云与远端核心云协助，形成“端-边-云”的三级结构模式。

（4）核心交换层

核心交换层提供广域主干网的网络功能。对网络安全要求高的核心交换网需要分为内网与外网两大部分，内网与外网通过安全网关或代理服务器实现“物理隔离、逻辑连接”的功能。构建核心交换网内网可以采用IP专网、VPN或5G核心网技术。

（5）应用服务层

应用服务层为应用层实现的具有AIoT功能共性的服务功能。应用服务层软件运行在云计算平台之上，提供的共性服务主要包括：从AIoT感知数据中挖掘知识的大数据技术；根据大数据分析结论，向高层用户提供可视化服务的辅助决策技术；通过反馈控制指令，实现闭环的智能控制技术。数字孪生将大大提升AIoT应用系统控制的智能化水平，区块链将为构建AIoT应用系统的信任体系提供重要的技术保证。

（6）应用层

应用层是实现某一类行业应用的功能、运行模式与协议的集合。应用层涉及智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗与智能家居等行业应用。无论是哪一类应用，从系统实现的角度，都是要将代表系统预期目标的核心功能分解为一个个简单和易于实现的功能。每一个功能的实现需要经历复杂的信息交互过程，对于信息交互过程需要制定一系列的通信协议。软件研发人员将依据通信协议，根据任务需要来调用应用服务层的不同服务功能模块，以实现对物联网应用系统的总体服务功能。

应用层软件尽管同样是运行在云计算平台上，但是从功能分层的原则以及逻辑关系角度看，还是应该将应用层与应用服务层分开。应用服务层侧重于为行业应用提供共性的服务与软件工具，应用层侧重于提供实现行业应用功能的方法与技术。应用层与应用服务层需要协作，才能够实现物联网应用系统的总体服务功能。

2.四项跨层的共性服务

在讨论物联网技术架构的同时，必须注意到与各个功能层都有交集的跨层、共性的服务，主要包括：网络安全、网络管理、名字服务与QoS/QoE保证体系。

（1）网络安全

网络安全涉及物联网从感知层到应用层的任何一种网络，小到接入传感器、执行器的接入网中近场网络、局域网BLE蓝牙、ZigBee与Wi-Fi、5G/NB-IoT，大到核心交换网、云计算网络，都存在网络安全问题，并且各层之间相互关联、相互影响。

（2）网络管理

从接入网、核心交换网到后端网络都使用了大量网络设备，接入了各种感知、执行、计算节点，它们相互连接构成了物联网网络体系。各层之间都需要交换数据与控制指令，因此网络管理同样是涉及各层，并且是各层之间相互关联与相互影响的共性问题。

（3）名字服务

在计算机网络中，“名字”标识一个对象，“地址”标识对象所在的位置，“路由”寻址到对象的数据传输路径。整个网络活动就是建立在“名字-地址-路由”的基础之上。很显然，每个连接到物联网的“物”都需要有一个全网唯一的“名字”与“地址”。AIoT的“名字服务”（或“对象名字服务ONS”）包括命名规则与“名字/地址解析”服务。

AIoT的ONS功能与Internet的DNS功能类似。在Internet中，我们在访问一个Web网站之前，需要首先通过DNS查询网站的IP地址。以射频标签RFID为例，在AIoT中要查询RFID标签对应的物品详细信息，必须借助于ONS服务器、数据库与服务器体系。与Internet的DNS体系一样，要提高系统运行效率，就必须在AIoT中建立本地ONS服务器、高层ONS服务器，以及根ONS服务器，形成覆盖整个AIoT，能够随时、随地、便捷地提供对象名字解析服务的ONS服务体系。

（4）QoS/QoE

在Internet发展过程中人们用了很大精力去解决服务质量（Quality of Service, QoS）问题。AIoT传输的信息既包括海量感知信息，又包括反馈的控制信息；既包括对安全性、可靠传输要求很高的数字信息，以及对实时性要求很高的视频信息，又包括对安全性、可靠性与实时性要求都高的控制信息。在AIoT应用中，用户直接关心的不仅仅是客观的网络服务质量指标QoS，而是在QoS基础上，加上人为主观因素的用户体验质量（Quality of Experience, QoE）。因此，AIoT对数据传输的“服务质量/用户体验质量（QoS/QoE）”要求将比Internet更复杂，必须在整个物联网网络体系的各层，通过协同工作的方式予以保证。AIoT的QoS/QoE保证体系的建立是一个富有挑战性的研究课题。

1.4.3 AIoT层次结构模型

综合AIoT技术架构与跨层共性服务的讨论，我们可以给出如图1-22所示的，由“六个层次”与“四项跨层共性服务”组成的AIoT层次结构模型。

AIoT系统架构师一般习惯于用更为简洁和容易记忆的术语来表述。由于感知层的传感器、执行器与用户终端设备通过接入层接入物联网之后，就成为了物联网的“端节点”，系统架构师一般将感知层与接入层统称为“端”，因此我们可以将AIoT层次结构参考模型用简单的“端-边-网-云-用”来表述。

1.4.4 术语“网”与“管”的辨析

同时，我们也常见到用“端-边-管-云-用”来表述，两者主要的区别在对“核心交换层”（或核心层）技术特点的理解上。

1.传统网络中术语“管”的概念

实际上，网络中术语“管”出现在2000年前后。因为传统的电信网络是按“以网络为中心”的思路来组建的，所以随着网络用户与流量的快速增长，电信网络只能通过不停地扩容来满足需求的增长。按照这种思路来发展，网络会变得越来越臃肿，运行和维护成本会越来越高。同时，由于网络协议不容易改变，无法快速进行业务创新，这就必然造成用户体验越来越差的局面。电信运营商感受到电信网络已经受到“管道化”与“边缘化”的威胁，陷入了“增量不增收”的怪圈之中。因此，“管”（“管道化”的缩影）一直困扰着电信运营商。正是在这样的背景下，电信运营商积极推动SDN/NFV技术来“重塑网络”。

2.5G应用中的“管”

AIoT系统架构师在看到5G能够将传输延时控制在1ms之内时非常兴奋，但是细想起来又会产生疑惑：难道使用5G技术后就能保证AIoT中任何“端-端”设备之间的数据传输延时都控制在1ms之内吗？要回答这个问题，首先要区分5G的“空口延时”与“端-端延时”的概念。

5G网络的“空口延时”是指信号从移动用户终端（例如手机）通过无线信道传送到基站的空间传播延时。

5G网络的“端-端延时”是指“终端设备-终端设备（C-C）”和“终端设备-服务器（C-S）”的延时。“端-端延时”由“空口延时”与核心传输网的“传播延时”、网络设备的“转发延时”，以及业务的“处理延时”组成。“空口延时”只是其中的一个组成部分。

云数据中心的“端-端延时”一般要求控制在20～100ms。按照“端-端延时”的大小，研究人员将边缘计算分为近场边缘计算与现场边缘计算两类。近场边缘计算主要用于以视频为主的应用，如视频直播、云游戏、VR/AR，以及AI推理、视频渲染编码计算，“端-端延时”一般控制在5～20ms。现场边缘计算的计算节点比近场计算节点更靠近接入设备。现场边缘计算主要用于实时性强的物联网应用，如智慧园区、工业互联网、自动驾驶等，现场“端-端延时”一般控制在1～5ms。

5G要满足物联网实时应用的毫秒级传输的“端-端延时”需求，仅依靠5G网络“空口延时”优势是远远不够的，必须在边缘计算、核心传输网与“端-边-云”协同机制，以及网络功能虚拟化（NFV）技术上，进一步挖掘潜能才能够实现。网络切片成为5G网络超低延时实现的关键技术之一。网络切片是采用虚拟化技术，在物理网络基础设施上实现资源重组，建立适合各类业务的“端-端”逻辑子网。每个网络切片由无线接入网、承载网和核心网的子切片组成；每一个切片都可获得虚拟的网络资源，并且各切片之间可相互隔离。5G研究人员结合不同场景研究了移动边缘计算（MEC）部署方案，如超可靠低延时通信uRLLC、大规模机器类通信mMTC等部署方案，以满足不同应用场景下的超低“端-端延时”的需求。在这些部署方案中，网络切片像是在5G网络的“端-端”节点之间建立了一个“虚拟管道”，网络切片的资源为实现超低延时提供服务。

从这一点出发，我们可以认识到：计算机网络研究人员认为AIoT“端-端”数据传输可以通过“网”来实现，而电信技术研究人员把它理解为需要采用管道（即“管”）技术来实现，这是不同技术领域的研究人员对同一个问题的解决思路不同所导致的，二者没有本质的差异。因此，AIoT层次结构参考模型用“端-边-网-云-用”或“端-边-管-云-用”来表述都是合理的。