1.3 网络系统设计标准与规范

1.3.1 设计标准

2010年以前，无论是国际还是国内，物联网标准化工作都处在初期阶段。每个标准组织都还是针对物联网的某一方面或者自己擅长的部分进行研究，研究是零散的、缺乏系统化的研究。近年来，标准化活动日益活跃。物联网涉及技术较多，应用形式多样，因此，标准化工作分散在不同的标准组织中。在国外，ITU-T的标准化集中在泛在总体框架、标识、应用三个方面；国际标准化组织（ISO）、美国电气及电子工程师学会（IEEE）主要侧重于传感器网的标准化作；EPCglobal（国际物品编码协会EAN和美国统一代码委员会的一个合资公司）主要侧重于RFID的标准化工作。这些组织需要携手才可能完成物联网的整个标准化工作。在国内，2010年3月9日，中国物联网标准联合工作组筹备工作启动，目标是整合国内物联网相关标准化资源，联合产业各方共同开展物联网技术的研究，积极推进物联网标准化工作，加快符合中国发展需求的物联网技术标准。

1．国际上主要的标准化活动

2000年12月IEEE标准委员会成立了802.15.4工作组，目标是开发一个低速无线个人区域网（LR-WPAN）标准。2004年11月IETF成立了6LoWPAN（IPv6 over low power WPAN）工作组，目标是制订基于IPv6的以IEEE 802.15.4作为底层标准的LR-WPAN标准。2008年2月IETF成立了ROLL（Routing Over Low-power and Lossy network）工作组，目标是使得公共的、可互操作的第3层路由能够穿越任何数量的基本链路层协议和物理媒体。2010年3月IETF成立了CoRE（Constrained Restful Environment）工作组，目标是研究资源受限物体的应用层协议。2011年3月IETF成立了Lwip（Light-weight IP）工作组，目标是在小设备实现轻量级IP协议栈。

在标准化活动中，关于RFID技术，目前受标准化进展缓慢而发展减缓，主要集中在两个领域：RFID射频和阅读器-标签通信协议、置于标签中的数据格式。涉及RFID系统的主要标准组织（团体）有EPCglobal、ETSI、ISO。

EPCglobal属于全球非营利标准组织GS1。它的主要目标在于促进与支持标签唯一身份，即电子产品标签（Electronic Product Code, EPC）的全球采纳，以及相关工业驱动标准的采用。提出的EPCglobal体系结构框架产品是EPCglobal目标（与专家团体和多个组织共享，包括Auto-ID Labs、GS1 Global Office、GS1等组织成员，以及政府代理、非政府组织）。

在欧洲委员会的努力中，可能最强烈影响未来RFID标准化过程的事件无疑是一个名为“RFID 实现的非正式工作组”的官方章程，这是由一组利益相关方（工业、经营者、欧洲标准组织民间社会组织、数据保护权威等）组成的，他们有了解 RFID、数据保护、RFID推荐等的需求。

欧洲标准化委员会（European Committee for Standardization，法语缩写为CEN），尽管没有从事任何相关于IoT的活动，但对RFID向IoT的演进感兴趣。在它的工作组（Working Groups, WG）中，与IoT相关的是WG 1-4 BARCODES、WG 5 RFID、全球RFID互操作标准论坛（Global RFID Interoperability Forum for Standards, GRIFS）。GRIFS是由GS1、ETSI、CEN协作发起的工程，目的在于定义与物理对象（阅读器、标签、传感器）、通信设施、RFID使用的频谱、影响RFID隐私和安全等相关的标准。

不同于上述工作，ISO更关注技术问题，如可用频谱、调制方案、防冲突协议。

关于物联网，一个大的范例是，欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute, ETSI）已开始一个很有趣的标准化尝试，它产生了全球可用的ICT相关标准。在ETSI中，成立了机器对机器（Machine-to-Machine, M2M）技术委员会，目的是管理与M2M系统和传感器网络（从物联网的角度）相关的标准化活动。M2M是物联网的一个真实的优秀范例，但很少有这方面的标准化工作，市场上各种各样的解决方案使用了标准的因特网、蜂窝网、Web技术。因此，ETSI M2M委员会的目标包括M2M端到端体系的开发与维护、加强M2M的标准化尝试（如传感器网络集成、命名、寻址、定位、QoS、安全、收费、管理、应用、硬件接口等）。

在因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force, IETF）与物联网相关的活动中，成立了低功率无线个人区域网上的 IPv6（即 IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks,6LoWPAN）IETF小组。6LoWPAN定义了一组协议，能够被用于集成传感器节点到 IPv6网络中。6LoWPAN 体系结构的核心协议已被详细规范，一些实现这族协议的商业产品已经发布。6LoWPAN工作组目前正推动4个因特网草案朝着标准轨迹（改进的头部压缩、6LoWPAN邻居发现）和信息轨迹（使用案例、路由要求）迈进。

一个与路由相关的IETF工作组被命名为低功率和损耗网络上路由（Routing Over Low power and Lossy networks, ROLL）。目前已产生了RPL路由协议草案，这虽然包括6LoWPAN在内的低功率和损耗网络上路由的已有基础，但仍需诸多努力方可得到完整的解决方案。

基于上述，日渐形成的看法是视物联网标准化为未来因特网定义与标准化过程的一个主要部分。欧洲R&D的物联网工程集群（Cluster of European R&D Projects on the IoT, CERP-IoT）也持有同样的看法。据此，不同物集成到更广的网络（移动或固定），将使得它们能够与未来的因特网相互连接。表1-1总结了国际上主要的标准化活动的特征。

尤其需要再提的是国际上各大标准化组织中 M2M 相关研究和标准制定工作的不断推进。M2M是“机器对机器通信（Machine-to-Machine）”或者“人对机器通信（Man-to-Machine）”的简称，主要指通过“通信网络”传递信息从而实现机器对机器或人对机器的数据交换，即通过通信网络实现机器之间的互连互通。M2M是物联网在现阶段的最普遍的应用形式。

几个主要的标准化组织按照各自的工作职能范围，从不同角度开展了针对性研究。ETSI从典型物联网业务用例，如智能医疗、电子商务、自动化城市、智能抄表和智能电网的相关研究入手，完成了对物联网业务需求的分析、支持物联网业务的概要层体系结构设计以及相关数据模型、接口和过程的定义。

1）ETSI在M2M相关标准工作上的进展

ETSI是国际上较早系统展开M2M相关研究的标准化组织，2009年初成立了专门的TC来负责统筹M2M的研究。其研究范围可以分为两个层面：第一个层面是针对M2M应用用例的收集和分析；第二个层面是在用例研究的基础上，开展应用无关的统一M2M解决方案的业务需求分析，网络体系架构定义和数据模型、接口和过程设计等工作。

ETSI研究的M2M相关标准有十多个，具体内容包括：

（1）M2M业务需求，描述了支持M2M通信服务的端到端系统能力的需求。

（2）M2M功能体系架构，重点研究为M2M应用提供M2M服务的网络功能体系结构，包括定义新的功能实体，与ETSI其他TB或其他标准化组织标准间的标准访问点和概要级的呼叫流程。M2M 技术涉及通信网络中从终端到网络，再到应用的各个层面。M2M 的承载网络包括了3GPP、TISPAN以及IETF定义的多种类型的通信网络。

（3）M2M术语和定义，对M2M的术语进行定义，从而保证各个工作组术语的一致性。

（4）Smart Metering（智能计量）的M2M应用实例研究，即对Smart Metering的用例进行描述，包括角色和信息流的定义，将作为智能抄表业务需求定义的基础。

（5）eHealth的M2M应用实例研究，即通过对智能医疗这一重点物联网应用用例的研究，来展示通信网络为支持M2M服务在功能和能力方面的增强。

（6）用户互连的M2M应用实例研究，该研究报告定义了用户互连这一用例。

（7）城市自动化的M2M应用实例研究，本课题通过收集自动化城市用例和相关特点，来描述未来具备M2M能力网络支持该应用的需求和网络功能与能力方面的增强。

（8）基于汽车应用的M2M应用实例研究，该课题通过收集自动化应用用例和相关特点，来描述未来具备M2M能力网络支持该应用的需求和网络功能与能力方面的增强。

（9）ETSI关于M/441的工作计划和输出总结，这一研究属于欧盟Smart Meters项目（EU Mandate M/441）的组成部分。

（10）智能电网对M2M平台的影响，该课题基于ETSI定义的M2M概要级的体系结构框架，研究M2M平台针对智能电网的适用性并分析现有标准与实际应用间的差异。

（11）M2M接口，该课题在网络体系结构研究的基础上，主要完成协议/API、数据模型和编码等工作。

2）3GPP在M2M相关标准工作上的进展

3GPP早在2005年9月就开展了移动通信系统支持物联网应用的可行性研究。M2M在3GPP 内对应的名称为机器类型通信（Machine-Type Communication, MTC）。3GPP并行设立了多个工作项目（Work Item）或研究项目（Study Item），由不同工作组按照其领域，并行展开针对MTC的研究，下面按照项目的分类简述3GPP在MTC领域相关研究工作的进展情况。

（1）FS_M2M：这个项目是3GPP针对M2M通信进行的可行性研究报告，由SA1负责相关研究工作。研究报告《3GPP系统中支持M2M通信的可行性研究》于2005年9月立项， 2007年3月完成。

（2）NIMTC相关课题，重点研究支持机器类型通信对移动通信网络的增强要求，包括对 GSM、UTRAN、EUTRAN 的增强要求，以及对 GPRS, EPC 等核心网络的增强要求，主要的项目包括：FS_NIMTC_GERAN——该项目于2010年5月启动，重点研究GERAN系统针对机器类型通信的增强；FS_NIMTC_RAN——该项目于2009年8月启动，重点研究支持机器类型通信对3G的无线网络和LTE无线网络的增强要求；NIMTC——这一研究项目是机器类型通信的重点研究课题，负责研究支持机器类型终端与位于运营商网络内、专网内或互联网上的物联网应用服务器之间通信的网络增强技术。由 SA1、SA2、SA3和CT1、CT3、CT4工作组负责其所属部分的工作。3GPP的SA1工作组负责机器类型通信业务需求方面的研究，于2009年年初启动技术规范，将 MTC对通信网络的功能需求划分为共性和特性两类可优化的方向。3GPP 的 SA2工作组负责支持机器类型通信的移动核心网络体系结构和优化技术的研究，于2009年年底正式启动研究报告《支持机器类型通信的系统增强》，报告针对第一阶段需求中给出共性技术点和特性技术点给出解决方案。3GPP的SA3工作组负责安全性相关研究，于2007年启动了《远程控制及修改M2M终端签约信息的可行性研究》报告，研究M2M应用在UICC中存储时，M2M设备的远程签约管理，包括远程签约的可信任模式、安全要求及其对应的解决方案等。2009年启动的《M2M 通信的安全特征》研究报告，计划在 SA2工作的基础上，研究支持MTC通信对移动网络的安全特征和要求。

（3）FS_MTCe：支持机器类型通信的增强研究是计划在R11阶段立项的新研究项目，主要负责研究支持位于不同 PLMN 域的 MTC 设备之间的通信的网络优化技术。此项目的研究需要与ETSI TC M2M中的相关研究保持协同。

（4）FS_AMTC：本研究项目旨在寻找E.164的替代，用于标识机器类型终端以及终端之间的路由消息，是R11阶段新立项的研究课题，已于2010年2月启动。

（5）SIMTC：支持机器类型通信的系统增强研究，此为 R11阶段的新研究课题。在FS_MTCe项目的基础上，研究R10阶段NIMTC的解决方案的增强型版本。

3GPP支持机器类型通信的网络增强研究课题在 R10阶段的核心工作为 SA2工作组正在进行的MTC体系结构增强的研究，其中重点述及的支持MTC通信的网络优化技术包括如下内容。

体系架构研究报告提出了对NIMTC体系结构的修改，其中包括增加MTC IWF功能实体以实现运营商网络与位于专网或公网上的物联网服务器进行数据和控制信令的交互，同时要求修改后的体系结构需要提供MTC终端漫游场景的支持。

拥塞和过载控制。由于MTC终端数量可能达到现有手机终端数量的几个数量级以上，所以由于大量MTC终端同时附着或发起业务请求造成的网络拥塞和过载是移动网络运营商面对的最急迫的问题。研究报告在这一方面进行了重点研究，讨论了多种拥塞和过载场景要求网络能够精确定位拥塞发生的位置和造成拥塞的物联网应用，针对不同的拥塞场景和类型，给出了接入层阻止广播、低接入优先级指示和重置周期性位置更新时间等多种解决方案。

签约控制研究报告分析了MTC签约控制的相关问题，提出SGSN/MME具备根据MTC设备能力、网络能力、运营商策略和MTC签约信息来决定启用或禁用某些MTC特性的能力。同时也指出了需要进一步研究的问题，例如网络获取 MTC 设备能力的方法，MTC 设备的漫游场景下等。

标识和寻址MTC通信的标识问题已经另外立项进行详细研究。报告主要研究了MT过程中MTC终端的寻址方法，按照MTC服务器部署位置的不同，报告详细分析了寻址功能的需求，给出了NATTT和微端口转发技术寻址两种解决方案。

时间控制特性。时间受控特性适用于那些可以在预设时间段内完成数据收发的物联网应用。报告指出，归属网络运营商应分别预设MTC终端的许可时间段和服务禁止时间段。服务网络运营商可以根据本地策略修改许可时间段，设置MTC终端的通信窗口等。

MTC监控特性。MTC监控是运营商网络为物联网签约用户提供的针对MTC终端行为的监控服务，包括监控事件签约、监控事件侦测、事件报告和后续行动触发等完整的解决方案。

3）3GPP2在M2M相关标准工作上的进展

为推动CDMA系统M2M支撑技术的研究，3GPP2在2010年1月曼谷会议上通过了M2M的立项。建议从以下方面加快M2M的研究进程。

（1）当运营商部署M2M应用时，应给运营商带来较低的运营复杂度。

（2）降低处理大量M2M设备群组对网络的影响和处理工作量。

（3）优化网络工作模式，以降低对M2M终端功耗的影响等研究领域。

（4）通过运营商提供满足M2M需要的业务，鼓励部署更多的M2M应用。

3GPP2中M2M的研究参考了3GPP中定义的业务需求，研究的重点在于CDMA2000网络如何支持M2M通信，具体内容包括3GPP2体系结构增强、无线网络增强和分组数据核心网络增强。

2．国内主要的标准化活动

2010年6月中国正式成立物联网标准联合工作组，明确方向、突出重点、统一部署、分步实施，稳步推进物联网标准的制定，加强与欧、美、日、韩等国家和地区的交流和合作，逐渐成为制定物联网国际标准的主导力量之一。

物联网标准体系是一个渐进发展成熟的过程，在物联网的标准化工作中，有研究者提倡首先分离各行业的共性技术特点和应用特殊要求，形成相应的基础技术标准，保证必要的统一，然后依托共性技术标准，根据不同行业的成熟度和特点，构建各行业的应用标准，并统一面向公众的应用标准。在具体的实施层面，可根据物联网技术与应用密切相关的特点，按照产业共性技术和行业应用技术两个层次，引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范等策略，形成包括体系架构、组网通信协议、接口、协同处理组件、网络安全、编码标识、骨干网接入与服务等技术基础规范和产品、行业应用规范的标准体系，以求通过标准体系指导物联网标准制定工作，同时为在今后的物联网产品研发和应用开发中对标准的采用提供重要的支持。

根据物联网技术与应用密切相关的特点，按照技术基础标准和应用子集标准两个层次，应采取引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范等策略，形成包括总体技术标准、感知层技术标准、网络层技术标准、服务支撑技术标准和应用子集类标准的标准体系框架。

物联网中相关技术的发展水平并不均衡。经过近些年的投入和发展，RFID、互联网、移动通信网等技术、标准和应用已相对成熟，其中更是涌现出TD-SCDMA等具有自主知识产权的技术与标准。通观物联网的三层技术体系架构可以看出，网络层作为物联网中数据的远距离传输通道，技术和标准成熟度最好，已经基本能够承载近期物联网的初步应用，当然为满足未来物联网的深度应用，还需对网络层技术和标准进行扩展。作为与物理世界最直接的沟通媒介，物联网的大规模应用必将带来感知层技术和设备的广泛布设。

当前，为了提升我国与国外差距巨大的感知层技术与标准整体水平，必须把智能传感器、超高频RFID、嵌入式系统、协同信息处理和服务支持等基础关键技术标准作为重中之重，以自主创新的核心技术带动标准的突破和创新。物联网的应用层直接紧密联系着千差万别的行业应用模式，担负着使物联网成为可运营可管理可持续壮大的综合性信息服务系统的重任，其标准化工作没有先例可循，需立即着手进行标准化研制工作。总之，物联网的标准化应重点突出，集中力量攻克感知层和应用层关键技术与标准。针对ISO、IEC、ITU、IEEE、IETF等国际标准化组织陆续开展物联网相关技术的标准化工作，国内一些重要标准化组织也在同步开展国家和行业标准的研制工作，并已提出协同信息处理与服务支撑接口等国际标准提案。

中国通信标准化协会（China Communications Standards Association, CCSA）在M2M相关标准工作上的进展为：M2M相关的标准化工作在中国通信标准化协会中主要在移动通信工作委员会（TC5）和泛在网技术工作委员会（TC10）进行。主要工作内容如下。

（1）TC5 WG7完成了移动M2M业务研究报告，描述了M2M的典型应用，分析了M2M的商业模式、业务特征以及流量模型，给出了M2M业务标准化的建议。

（2）TC5 WG9于2010年立项支持 M2M通信的移动网络技术研究，任务是跟踪3GPP的研究进展，结合国内需求，研究M2M通信对RAN和核心网络的影响及其优化方案等。

（3）TC10 WG2 M2M业务总体技术要求，定义M2M业务概念，描述M2M场景和业务需求、系统架构、接口以及计费认证等要求。

（4）TC10 WG2 M2M通信应用协议技术要求，规定M2M通信系统中端到端的协议技术要求。

1.3.2 文档与规范

文档编写规范如下所述。

1）制定文档模板

工程项目中有很多文档需要编写，文档编写人员一定要与项目经理和客户确认好文档的格式。最好的办法是先编写一个小文档的设计文档，提交到项目经理和客户手中，看是否能得到项目经理和客户的认可。认可后，再统一编写其他的设计文档。

2）编写文档

编写文档注意事项如下。

（1）详细阅读客户需求。理解客户的要求很重要，因为后期与客户进行产品对接时，客户要按照客户需求的招标文件书来进行对接，所以一定要按照客户的需求编写文档。

（2）与研发人员沟通。研发人员也是根据客户需求进行设计的，所以研发人员是比较了解客户需求的。根据研发人员需求理解信息，在与标书需求进行对照，如果完全一致，则编写文档，如果有不相同的地方，要与项目经理确认，来解决分歧；如果还有问题存在，就得与客户进行交流确认。文档编写需要研发人员配合，遇到要更改的地方时，一定要说明更改原因，说服研发人员修改，不要强制研发人员修改，一定要保持良好的工作环境。

（3）与客户沟通。首先要了解客户这个项目的功能的需求，并将现在不理解的需求讲解明白（主要是什么地方不明白，加一些自己的建议和想法）。让用户来协商该项目的负责人来确认相关问题，并将确认相关结果记录下来，并将协商结果再给客户说一遍，确认完毕后编写文档。

（4）文档排版。在编写完文档后，要详细检查文档排版是否有问题，如目录更新、各个章节编号、页码是否正确、图标是否正确等，不要因为排版问题影响最后的签字。

（5）文档修改后一定要填写修改日志。

设计文档应考虑的问题：给出一致的轮廓，即系统概述。一个网络系统构架需要现有概括的描述，开发人员才能从上千个节中建立一致的轮廓。构架的目标应该能够清楚说明系统概念，构架应尽可能简化，最好的构架文件应该简单、简短，清晰而不杂乱，解决方案自然。构架应当先定义上层的主要子系统，应该描述各子系统的任务。构架应该描述不同子系统间相互通信的方式。构架不能只依据静态的系统目标来设计，也应当考虑动态的开发过程，如人力资源的情况、进度要求的情况、开发环境的满足情况。构架必须支持阶段性规划，应该能够提供阶段性规划中如何开发与完成的方式。不应该依赖无法独立运行的子系统构架，将系统各部分的依赖关系找出来，形成一套开发计划。

1.3.3 网络系统设计文档编制

一份设计文档包含的主要题目有执行摘要、工程目标、工程范围、设计需要、当前网络状态、逻辑设计、物理设计、网络系统设计测试结果、实施计划、工程预算、投资收益、设计文档附录等。

一份全面的设计文档可能有很多页，因此，有必要在文档的开头包含一个简明扼要的介绍，即执行摘要，其长度不应超过一页。执行摘要可以包括一些技术信息，但不应提供技术细节。执行摘要的目标是说服决策者采纳设计方案。

工程目标部分的长度不应超过一个段落，通常只写成一句话。编写的方式要有利于决策者在阅读文档时明白设计者已经了解网络系统设计工程的主要目的和重要性。工程范围部分要提供关于工程范围的信息，要明确说明是建新网还是旧网改造升级。

设计需求部分要列出所有主要的商业和技术目标。商业目标有助于组织机构为客户提供较好的产品以及服务中网络设计将担任的角色。若认识到网络系统设计者已经了解了组织机构的商业任务，那么阅读文档的经理、主管等人员将更有可能接受设计方案。技术目标具体包括可扩展性、可用性、网络性能、安全性、可管理性、易用性、适应性等。技术目标部分也应该阐述有关客户愿意采取的任何折中措施。此外，设计需求部分也包括用户社区和数据存储以及网络应用。

当前网络状态部分简要描述现有网络的结构和性能，应包含一张或多张网络图，标识出主要互联网设备的位置、数据处理和存储系统、网络分段等。网络图也应该标识互联网的逻辑拓扑和互联网的网络组成。网络图或与图有关的文本应该指出网络是层次化的或平面的、结构化或无组织的、分层或不分层等。当前的网络状态文档也应该简短描述客户对网络的寻址和设备命名的全部策略或标准。

逻辑设计部分包括的文档有网络拓扑、寻址网段和设备的模型、命名网络设备的模型、网络管理体系结构、安全机制、设计使用的路由等协议、设计基本原理等。物理设计部分描述实现设计选择使用的技术和设备特性，也应包含有关产品可用性的信息。

网络设计测试结果部分描述验证网络设计的测试结果。因为这里为设计者提供了一个向客户证明所做的设计将会满足性能、安全、可用性、可管理性等要求的机会，所以它是设计文档中最重要的部分。设计者可以描述任何原型或实验系统以及下列测试组件：测试目的、测试验收标准、测试工具、测试脚本、结果和观察报告。

实施计划部分包括设计者对网络设计展开实施的推荐做法。下列主题适用于规划实施部分：工程进度表、和厂商或服务提供商一起规划工程安装、规划或推荐外购网络的实施或管理、设计与客户和管理部门间的通信、网络管理员和用户的培训计划、实施后测量设计有效性的计划、可能延迟工程的风险列表、网络实施失败情况下将采用的备用计划、当新的应用需求和目标出现时展开的网络设计规划。

工程预算部分应该为客户购买设备、维护和支持协议、服务合同、软件许可证、培训人员所提供的资金编写文档。预算也包括咨询费和外购费用。投资收益部分可以包括投资回报分析、解释新的设计或设备何时收到回报。投资回报分析的目标是向客户证明设计者推荐的设计方案将会很快收到回报。

大多数设计文档都包括给出有关设计和实现补充信息的一个或多个附件，即设计文档附录。补充信息包含详细的拓扑图、设备配置、网络地址、详细的命名和全面的网络设计测试结果。若需要，也可以包含一些商业信息，有时也包括采购单复印件、合法的合同条款、未公开的协议书等。若合适，设计文档附录也可以包括已经使用所提供解决方案的其他客户的推荐信。