物联网

物联网（Internet of Things，简称IoT）是一种计算设备、机械、数位机器相互关联的系统，具备通用唯一辨识码（UUID），并具有通过网络传输数据的能力，无需人与人、或是人与设备的互动，是物与物的联接。

物联网将现实世界数字化，应用范围十分广泛。物联网可拉近分散的资料，统整物与物的数位资讯。物联网的应用领域主要包括以下方面：运输和物流、工业制造、健康医疗、智慧环境（家庭、办公、工厂）、个人和社会领域等。

物联网为受各界瞩目的新兴领域，但安全性是物联网应用受到各界质疑的主要因素，主要的质疑在于物联网技术正在快速发展中，但其中涉及的安全性挑战，与可能需要的法规变更等，目前均相当欠缺。

## 历史

物联网的概念可以追溯到1980年代初期，全球第一台隐含物联网概念的装置为位于卡内基·梅隆大学的可乐贩卖机，它连接到互联网，可以在网络上检查库存，以确认还可供应的饮料数量。马克·维瑟（Mark Weiser）于1991年发表了“21世纪的电脑”（The Computer of the 21st Century）论文，当中揭橥普及计算的概念，为物联网的发展拓展了重要的道路。

雷扎·拉吉（Reza Raji）1994年在IEEE综览中发表“可控制的智慧网络”（Smart networks for control）论文，当中提出了概念“可将小量的数据封包汇集至一个大的节点，这样就可以整合与自动化各种设施，从家用电器乃至于整座工厂”。

在1993年至1997年之间，几家公司提出了多种解决方案，例如Microsoft at Work、Novell NEST。比尔·乔伊（Bill Joy）1999年在世界经济论坛上提出六网（Six Webs）架构，其中第六项“D2D，Device to Device”描绘了物联网更具体的发展构想。

最早提出“物联网（Internet of things）”这个名称的人可能已经很难断定，但任职于宝碱公司的前瞻技术开发者凯文·阿什顿（Kevin Ashton）说，他自己应该是最早明确使用“物联网”名称的人，1999年他在宝碱公司所做一次演讲的标题即为“Internet of things”。他并表示，相较于“Internet of things”，他自己更喜欢“Internet for things”这个名称。当时，他认为射频识别对于物联网至关重要，这将使电脑可以管理所有个别物体。

思科系统认为物联网仅为一个“时间点”的概念，这个时间点出现在“连上互联网的事物或物件，大于连上网络的人数”，换句话说这是物联网的诞生时间。思科系统估计这个“时间点”大约落在2008年至2009年之间，“上网物件/上网人数”的比例在2003年为0.08，到了2010年为1.84。

部分人士认为金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）技术的进步是促成物联网快速发展的推手。主要的论点在于MOSFET到了21世纪制程已可微缩至奈米等级，大幅降低了功耗，而低功耗设计正是物联网中的感测器可否被广泛运用的关键因素。除了MOSFET之外，绝缘层上覆硅（silicon-on-insulator）与多核心处理器技术的发展，也是促成物联网普及的原因.

## 技术

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### 技术路线

技术路线（Technology Roadmap）指对于技术未来发展方向的预测。在物联网领域，广泛被各国政府与机构引用的技术路线为顾问公司SRI Consulting描绘之物联网技术路线，其依据时间轴可分为四个阶段：供应链辅助、垂直市场应用、无所不在的定址（Ubiquitous positioning），最后可以达到“The Physical Web”（意即让物联网上的每一个智慧装置都以URL来标示）。

### 架构

物联网的架构一般分为三层或四层。三层之架构由底层至上层依序为感测层、网络层与应用层；四层之架构由底层至上层依序为感知设备层（或称感测层）、网络连接层（或称网络层）、平台工具层与应用服务层。三层与四层架构之差异，在于四层将三层之“应用层”拆分成“平台工具层”与“应用服务层”，对于软件应用做更细致的区分。

### 感测层

#### 定址资源

物联网的实现，需要给每一个连上物联网的物件分配唯一的标识或地址。最早的概念是由无线射频辨识标签和电子产品代码所发展出来的。现在物联网与互联网连结后，由于预估需要大量的IP地址，目前主流的IPv4地址空间有限，因此物联网中的物件倾向使用下一代互联网协议（IPv6），以提供足够的位址空间，IPv6对于物联网的发展扮演重要角色。

### 网络层

物联网有多种联网技术可供选择，依照有效传输距离可区分为短距离无线、中距离无线、长距离无线，以及有线技术：

#### 短距离无线

- 蓝牙网状网络（Bluetooth mesh networking）– 规范采用蓝牙技术的网状网络，可增加节点数，并提供标准化的应用层。
- 光照上网技术（Li-Fi）– 与Wi-Fi标准相似的无线通信技术，但使用可见光通讯以增加带宽。
- 近场通讯（Near-field communication，NFC）– 使两个电子设备能够在4公分范围内进行通讯的通讯协议。
- 无线射频辨识（Radio-frequency identification，RFID）– 使用电磁场存取无线射频辨识（RFID）标签中数据的技术。
- Wi-Fi – 基于IEEE 802.11标准的无线局域网络技术。
- ZigBee – 基于IEEE 802.15.4标准的个人局域网络通讯协议，具有低功耗，低数据速率，低成本的特性。
- Z-Wave – 主要应用于智慧家庭和安全应用的无线通讯协议。

#### 中距离无线

- 进阶长期演进技术（LTE-Advanced）– 高速蜂巢式网络的通信规范。通过扩展的覆盖范围，提供更高的数据传输量和更低的延迟。
- 5G - 新一代行动通讯技术，提供高资料速率、减少延迟、节省能源、提高系统容量和大规模装置连接。

#### 长距离无线

- 低功率广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）– 提供低资料速率与远程通讯，降低功耗和传输成本。可用的LPWAN技术和协议分为使用授权频段的NB-IoT，以及使用非授权频段的LoRa、Sigfox、Weightless、Random Phase Multiple Access（RPMA）、IEEE 802.11ah等。
- 甚小孔径终端（Very Small Aperture Terminal, VSAT）– 使用小型碟型天线，透过人造卫星传输之通讯技术。

#### 有线

- 以太网路（Ethernet）– 基于IEEE 802.3标准的技术，可使用双绞线、光纤连接至集线器或网络交换器。
- 电力线通信（Power Line Communication，PLC）– 以电缆传输电力和数据的通讯技术，有HomePlug或G.hn等标准。

### 应用层

应用层在物联网四层架构中可再细分为“平台工具层”与“应用服务层”。平台工具层为底层的软件平台，作为应用服务层与网络层的界面，以支持各类的软件应用。可归类于“平台工具层”包括大数据、区块链、软件定义网络、软件定义储存、软件定义资料中心、安全通讯、防毒软件、人工智能相关（如自然语言处理、深度学习、语音辨识、图型识别、电脑视觉...）等；应用服务层针对不同的应用需求，直接呈现原始资料，或经过加值处理，借由人机界面提供使用者，或是对应的硬件/软件目标得到想要的资讯。可归类于“应用服务层”包括虚拟现实/扩增实境、人机互动、服务导向架构、永续发展相关（生命周期评估、节能、碳足迹...）等。

在应用层中，通常使用多种程式语言撰写应用程序，使用HTTPS与OAuth之协定。在平台后端使用各种形式的数据库系统，例如时间序列数据或是后端数据存储系统（如Cassandra、PostgreSQL等）。

大多数的物联网系统均是建构在云端运算之上，在云当中具备事件伫列（event queuing）与讯息传递系统，这些系统可以处理在各层级中所需要的通讯。一些专家将工业物联网（IIoT）中的三层分类为边缘、平台和企业，它们分别透过邻近网络、接入网络和服务网络来连接。

美国国家标准暨技术研究院（NIST）对于云端运算的定义中，将服务模式分为软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）、基础设施即服务（IaaS）三种。

#### 智慧物联网（AIoT）

智慧物联网（AIoT）为物联网与人工智能的结合，以实现更高效率的物联网运作，改善人机交流、增强数据管理和分析。人工智能可用于将物联网数据转化为有用的资讯，以改善决策流程，从而为“物联网资料即服务”（IoT Data as a Service，IoTDaaS）的模式奠定基础。

智慧物联网的出现，对于物联网与人工智能两者均会产生变革，增加彼此之间的价值。因为人工智能通过机器学习功能，使得物联网变得更有价值；而物联网通过连接、讯号和数据交换，使得人工智能可以获得更丰富的资料来源。随着物联网遍及许多行业，将有越来越多的人为的、以及机器生成的非结构化资料，智慧物联网可在资料分析中提供有力的支持，在各行各业中创造新的价值。

## 应用

### 消费者应用

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有越来越多的物联网设备可供消费者选用，包括联网的车辆、家庭自动化、联网的可穿戴设备、联网的健康监控设备，以及远程监控设备。

苹果公司的HomeKit为该公司之智慧家庭平台，使用者可以透过iPhone、iPad、Apple Watch等设备的APP界面，或是由Siri语音控制支援Apple HomeKit标准的家用设备，如电视、电灯、空调、水龙头等，目前支援28类设备。其他类似、但功能与范围不尽相同的产品包括Google的Google Nest与Google个人助理、Amazon的Amazon Echo与Amazon Alexa、三星的SmartThings、小米的小爱同学、联想的Lenovo Smart Assistant等。另外还有一些开放平台如OpenHAB、Domoticz等。

另一项主要的应用为辅助老年人与残疾人士，例如语音控制可以帮助行动不便人士，警报系统可以连接至听障人士的人工耳蜗，另外还有监视跌倒或癫痫等紧急情况的感测器，这些智慧家庭技术可以提供用户更多的自由和更高的生活质量。

除此之外，还包括路由器、代理服务器、交换机等网络设备，还涵盖了边缘计算等新兴技术领域。

### 工业应用

物联网在工业的应用称为工业物联网（Industrial internet of things，IIoT）。工业物联网专注于机器对机器（Machine to Machine，M2M）的通讯，利用大数据、人工智能、云端运算等技术，让工业运作有更高的效率和可靠度。工业物联网涵盖了整个工业应用，包括了机器人、医疗设备和软件定义生产流程等，为第四次工业革命中，产业转型至工业4.0中不可或缺的一部分。

大数据分析在生产设备的预防性维护中扮演关键角色，其核心为网宇实体系统。可透过5C“连接（Connection）、转换（Conversion）、联网（Cyber），认知（Cognition）、配置（Configuration）”之架构来设计网宇实体系统，将收集来的数据转化为有用的资料，并藉以优化生产流程。

### 农业应用

物联网在农业中的应用包括收集温度、降水、湿度、风速、病虫害和土壤成分的数据，并加以分析与运用。这样的方式称为精准农业，其利用决策支援系统，将收集来的数据做出精准分析，藉以提高产出的质量和数量，并减少浪费。

2018年8月，丰田通商与微软、近畿大学水产研究所合作，利用Microsoft Azure的物联网应用套件，开发出于水产养殖辅助系统。水产养殖为劳力密集的工作，鱼苗必须由人工进行分类，以确保每条鱼的大小适当且无畸形。借由辅助系统的导入，可以大幅减轻人力负担，将有经验的人移至更高附加价值的工作。

### 商业应用

#### 医疗保健

医疗物联网（Internet of Medical Things，IoMT）为物联网应用于医疗保健，包括数据收集、分析、研究与监控方面的应用，用以建立数字化的医疗保健系统。物联网设备可用于启用远程健康监控和紧急情况通知系统，包括简易的设施如血压计、便携式生理监视器，至可监测植入人体的设备，如心律调节器、人工耳蜗等。世界卫生组织规划利用移动设备收集医疗保健数据，并进行统计、分析，创建“m-health”体系。

由于塑料与电子纺织品制造技术的进步，使得一次性使用的IoMT感测器已达到相当低的成本。对于即时医疗诊断应用的建立，可携性与低系统复杂性是不可或缺的要素。物联网在医疗保健的应用，于监测慢性病、以及疾病的预防和控制中产生很大的功用，透过远端监控，医院与卫生相关机构可以获得患者的数据，并可做进一步分析。

#### 交通

物联网可以帮助整合通讯、控制与资讯处理。物联网的应用可以扩展至运输系统个层面，包括载具、基础设施，以及驾驶人。物联网组件之间的资讯传递，使得载具内以及不同载具之间可以互相通讯，达成智慧交通灯号、智慧停车、电子道路收费系统、物流和车队管理、主动巡航控制系统，以及安全和道路辅助等应用。

例如，在物流和车队管理中，物联网平台可以通过无线感测器持续监视货物和资产的位置和状况，并在发生异常事件（延迟、损坏、失窃等）时发送特定警报。这必须借助物联网与设备之间的无缝连接才可能实现。利用GPS、湿度、温度等感测器将数据传送至物联网平台，随后对数据进行分析，并将结果传送给用户。如此，用户可以跟踪载具的即时状态，并做出适当的处置。如果与机器学习结合，还可以进行驾驶睡意侦测，以及提供自动驾驶汽车等来帮助减少交通事故。

### 基础设施应用

物联网在基础设施的运用主要在监视与控制各类基础设施，例如铁轨、桥梁，海上与陆上的风力发电厂、废弃物管理等。透过监视任何事件或结构状况的变化，以便高效地安排维修和保养活动。

目前全球有数个大规模部署的案例正在进行中，例如韩国松岛国际都市。这是一座设备齐全的智慧城市，对于能源使用、交通流量进行精密的控制，各家户垃圾透过管道集中至废物处理中心，然后在这里进行自动分类，与再回收利用。截至2018年6月约70％的商业区已竣工。

西班牙桑坦德为另一个应用案例。这一座人口约18万的都市，安装了超过两万个感测器，主要应用于三方面：(1) 交通：透过手机APP可以即时获得停车位资讯，并引导至该处停车；(2) H2O 2.0：可即时获得用水资讯；(3) 公园智能空间：可随温度、湿度调整洒水系统，并检查公园内垃圾桶的垃圾量。

### 军事应用

军事物联网（Internet of Military Things，IoMT）是物联网在军事领域中的应用，目的是侦察、监视与战斗有关的目标，主要受到未来将于城市环境中战斗影响。军事物联网相关领域包括感测器、车辆、机器人、武器、可穿戴式智能产品，以及在战场上相关智慧技术的使用。

战地物联网（The Internet of Battlefield Things，IoBT）是一个美国陆军研究实验室（ARL）的研究项目，着重研究与物联网相关的基础科学，以增强陆军士兵的能力。2017年，ARL启动了战地物联网协作研究联盟（Internet of Battlefield Things Collaborative Research Alliance，IoBT-CRA），建立了产业、大学和陆军研究人员之间的工作合作关系，以推展物联网技术及其在陆军作战中的应用的理论基础。

## 批评、问题与争议

### 安全性

安全性是物联网应用受到各界质疑的主要因素，质疑之处在于物联网技术正在快速发展中，但其中涉及的安全性挑战，与可能需要的法规变更等，目前均相当欠缺。

物联网面对的大多数技术安全问题类似于一般服务器、工作站与智能手机，包括密码太短、忘记更改密码的预设值、设备之间传输采用未加密讯号、SQL注入、未将软件更新至最新版本等。另外，由于多数物联网设备计算能力相当有限，无法使用常见的安全措施例如防火墙、或是高强度的密码；许多物联网设备因为价格低廉，因此无法有人力与经费支持，将软件更新至最新版本。

安全性较差的物联网设备可能被当作跳板以攻击其他设备。2016年时发生恶意程式Mirai（辞源：日文“未来”）感染物联网设备，以分散式阻断服务攻击（DDoS）攻击DNS服务器与许多网站。在20小时内，Mirai感染了大约65,000台物联网设备，最终感染数量为20~30万台。感染设备之国家分布以巴西、哥伦比亚和越南居前三位，设备包括数位视讯录影机、网络监控摄影机、路由器、打印机等，以厂商区分依序为大华股份、华为、中兴通讯、思科、合勤。2017年5月，Cloudflare的计算机科学家Junade Ali指出，由于发布/订阅（Publish–subscribe pattern）的不当设计，许多物联网设备存在DDoS漏洞。利用这些漏洞的将物联网设备作为跳板的攻击，是互联网服务的真正威胁。

产业界对各界质疑安全性问题做出了回应，“物联网安全基金会”（IoTSF）于2015年9月23日成立，期借由倡导知识与最佳实践使得物联网更加安全。此外，一些公司也推出创新解决方案，以确保物联网设备的安全性。2017年，Mozilla公司推出了“Project Things”，该项目可以通过安全的“Web of Things”闸道器与物联网设备建立加密连线。美国资讯安全专家布鲁斯·施奈尔（Bruce Schneier）认为将物联网纳入政府监管业务是有必要的，以确保产业界生产的物联网设备可以遵守安全规范，以及出事的时候有人负责。

### 平台分散

物联网的一大问题为平台分散、跨平台之可操作性低，以及欠缺通用技术标准。物联网设备种类繁多，以及硬件与在其上运作的软件之间的差异，使得开发系统时，各应用程序保持一致变得很困难。

物联网无定形（amorphous）的计算特性往往会造成安全性问题，因为在核心操作系统中发现的错误修补，通常无法涵盖较早期且入门级的设备，一组研究人员表示，设备供应商未能通过修补程式和更新支持较旧的设备，导致超过87%的现行Android设备容易受到攻击。