物联网
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物联网 |
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一般概念 |
网络传输协议 |
物聯網(英語:Internet of Things,簡稱IoT)是一種計算設備、機械、數位機器相互關聯的系統,具備通用唯一辨識碼(UUID),並具有通過網路傳輸數據的能力,無需人與人、或是人與設備的互動[1][2][3]。
物聯網將現實世界數位化,應用範圍十分廣泛。物聯網可拉近分散的資料,統整物與物的數位資訊。物聯網的應用領域主要包括以下方面:運輸和物流、工業製造[4]、健康醫療、智慧環境(家庭、辦公、工廠)、個人和社會領域等[5]。
物聯網為受各界矚目的新興領域,但安全性是物聯網應用受到各界質疑的主要因素[6],主要的質疑在於物聯網技術正在快速發展中,但其中涉及的安全性挑戰,與可能需要的法規變更等,目前均相當欠缺[7][8]。
歷史
[编辑]物聯網的概念可以追溯到1980年代初期,全球第一台隱含物聯網概念的裝置為位於卡内基·梅隆大学的可樂販賣機,它連接到網際網路,可以在網路上檢查庫存,以確認還可供應的飲料數量[9][10]。馬克·維瑟(Mark Weiser)於1991年發表了「21世紀的電腦」(The Computer of the 21st Century)論文,當中揭櫫普及計算的概念,為物聯網的發展拓展了重要的道路[11]。
雷扎·拉吉(Reza Raji)1994年在IEEE綜覽中發表「可控制的智慧網路」(Smart networks for control)論文,當中提出了概念「可將小量的數據封包匯集至一個大的節點,這樣就可以整合與自動化各種設施,從家用電器乃至於整座工廠」[12]。
在1993年至1997年之間,幾家公司提出了多種解決方案,例如Microsoft at Work、Novell NEST。比爾·喬伊(Bill Joy)1999年在世界經濟論壇上提出六網(Six Webs)架構,其中第六項「D2D,Device to Device」描繪了物聯網更具體的發展構想[13]。
最早提出「物聯網(Internet of things)」這個名稱的人可能已經很難斷定,但任職於寶鹼公司的前瞻技術開發者凱文·阿什頓(Kevin Ashton)說,他自己應該是最早明確使用「物聯網」名稱的人,1999年他在寶鹼公司所做一次演講的標題即為「Internet of things」[14]。他並表示,相較於「Internet of things」,他自己更喜歡「Internet for things」這個名稱[15]。當時,他認為射頻識別對於物聯網至關重要[16],這將使電腦可以管理所有個別物體[17]。
思科系統認為物聯網僅為一個「時間點」的概念,這個時間點出現在「連上網際網路的事物或物件,大於連上網路的人數」,換句話說這是物聯網的誕生時間。思科系統估計這個「時間點」大約落在2008年至2009年之間,「上網物件/上網人數」的比例在2003年為0.08,到了2010年為1.84[18]。
部分人士認為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)技術的進步是促成物聯網快速發展的推手。主要的論點在於MOSFET到了21世紀製程已可微縮至奈米等級,大幅降低了功耗,而低功耗設計正是物聯網中的感測器可否被廣泛運用的關鍵因素[19]。除了MOSFET之外,絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)與多核心處理器技術的發展,也是促成物聯網普及的原因[19].
技術
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技術路線
[编辑]技術路線(Technology Roadmap)指對於技術未來發展方向的預測。在物聯網領域,廣泛被各國政府與機構引用[20][21][22]的技術路線為顧問公司SRI Consulting描繪之物聯網技術路線,其依據時間軸可分為四個階段:供應鏈輔助、垂直市場應用、無所不在的定址(Ubiquitous positioning),最後可以達到「The Physical Web」(意即讓物聯網上的每一個智慧裝置都以URL來標示)[23]。
架構
[编辑]物聯網的架構一般分為三層或四層。三層之架構由底層至上層依序為感測層、網路層與應用層[24];四層之架構由底層至上層依序為感知設備層(或稱感測層)、網路連接層(或稱網路層)、平台工具層與應用服務層。三層與四層架構之差異,在於四層將三層之「應用層」拆分成「平台工具層」與「應用服務層」,對於軟體應用做更細緻的區分[25]。
感測層
[编辑]定址資源
[编辑]物聯網的實現,需要給每一個連上物聯網的物件分配唯一的標識或地址。最早的概念是由無線射頻辨識標籤和電子產品代碼所發展出來的[26]。現在物聯網與網際網路連結後,由於預估需要大量的IP地址,目前主流的IPv4地址空間有限,因此物聯網中的物件傾向使用下一代互聯網協議(IPv6),以提供足夠的位址空間,IPv6對於物聯網的發展扮演重要角色[27]。
網路層
[编辑]物聯網有多種聯網技術可供選擇,依照有效傳輸距離可區分為短距離無線、中距離無線、長距離無線,以及有線技術:
短距離無線
[编辑]- 藍牙網狀網路(Bluetooth mesh networking)– 規範採用藍牙技術的網狀網絡,可增加節點數,並提供標準化的應用層[28]。
- 光照上網技術(Li-Fi)– 與Wi-Fi標準相似的無線通信技術,但使用可見光通訊以增加頻寬[29]。
- 近場通訊(Near-field communication,NFC)– 使兩個電子設備能夠在4公分範圍內進行通訊的通訊協議[30]。
- 無線射頻辨識(Radio-frequency identification,RFID)– 使用電磁場存取無線射頻辨識(RFID)標籤中數據的技術[31]。
- Wi-Fi – 基於IEEE 802.11標準的無線區域網路技術[32]。
- ZigBee – 基於IEEE 802.15.4標準的個人區域網路通訊協議,具有低功耗,低數據速率,低成本的特性[33]。
- Z-Wave – 主要應用於智慧家庭和安全應用的無線通訊協議[34]。
中距離無線
[编辑]- 進階長期演進技術(LTE-Advanced)– 高速蜂巢式網路的通信規範。通過擴展的覆蓋範圍,提供更高的數據傳輸量和更低的延遲[35]。
- 5G - 新一代行動通訊技術,提供高資料速率、減少延遲、節省能源、提高系統容量和大規模裝置連接[36]。
長距離無線
[编辑]- 低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)– 提供低資料速率與遠程通訊,降低功耗和傳輸成本。可用的LPWAN技術和協議分為使用授權頻段的NB-IoT,以及使用非授權頻段的LoRa、Sigfox、Weightless、Random Phase Multiple Access(RPMA)、IEEE 802.11ah等[37]。
- 甚小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)– 使用小型碟型天線,透過人造衛星傳輸之通訊技術[38]。
有線
[编辑]- 乙太網路(Ethernet)– 基於IEEE 802.3標準的技術,可使用雙絞線、光纖連接至集線器或網路交換器[39]。
- 電力線通信(Power Line Communication,PLC)– 以電纜傳輸電力和數據的通訊技術,有HomePlug或G.hn等標準[40]。
應用層
[编辑]應用層在物聯網四層架構中可再細分為「平台工具層」與「應用服務層」。平台工具層為底層的軟體平台,作為應用服務層與網路層的介面,以支持各類的軟體應用。可歸類於「平台工具層」包括大數據、區塊鏈、軟體定義網路、軟體定義儲存、軟體定義資料中心、安全通訊、防毒軟體、人工智慧相關(如自然語言處理、深度學習、語音辨識、圖型識別、電腦視覺...)等;應用服務層針對不同的應用需求,直接呈現原始資料,或經過加值處理,藉由人機介面提供使用者,或是對應的硬體/軟體目標得到想要的資訊。可歸類於「應用服務層」包括虛擬實境/擴增實境、人機互動、服務導向架構、永續發展相關(生命週期評估、節能、碳足跡...)等[25]。
在應用層中,通常使用多種程式語言撰寫應用程序,使用HTTPS與OAuth之協定。在平台後端使用各種形式的資料庫系統,例如時間序列數據或是後端數據存儲系統(如Cassandra、PostgreSQL等)[41]。
大多數的物聯網系統均是建構在雲端運算之上,在雲當中具備事件佇列(event queuing)與訊息傳遞系統,這些系統可以處理在各層級中所需要的通訊[42]。一些專家將工業物聯網(IIoT)中的三層分類為邊緣、平台和企業,它們分別透過鄰近網絡、接入網路和服務網路來連接[43]。
美國國家標準暨技術研究院(NIST)對於雲端運算的定義中,將服務模式分為軟體即服務(SaaS)、平台即服務(PaaS)、基礎設施即服務(IaaS)三種[44]。
智慧物聯網(AIoT)
[编辑]智慧物聯網(AIoT)為物聯網與人工智慧的結合,以實現更高效率的物聯網運作,改善人機交流、增強數據管理和分析。人工智慧可用於將物聯網數據轉化為有用的資訊,以改善決策流程,從而為「物聯網資料即服務」(IoT Data as a Service,IoTDaaS)的模式奠定基礎[45]。
智慧物聯網的出現,對於物聯網與人工智慧兩者均會產生變革,增加彼此之間的價值。因為人工智慧通過機器學習功能,使得物聯網變得更有價值;而物聯網通過連接、訊號和數據交換,使得人工智慧可以獲得更豐富的資料來源。隨著物聯網遍及許多行業,將有越來越多的人為的、以及機器生成的非結構化資料,智慧物聯網可在資料分析中提供有力的支持,在各行各業中創造新的價值[45]。
應用
[编辑]消費者應用
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有越來越多的物聯網設備可供消費者選用,包括聯網的車輛、家庭自動化、聯網的可穿戴設備、聯網的健康監控設備,以及遠程監控設備[46]。
蘋果公司的HomeKit為該公司之智慧家庭平台,使用者可以透過iPhone、iPad、Apple Watch等設備的APP介面,或是由Siri語音控制支援Apple HomeKit標準的家用設備,如電視、電燈、空調、水龍頭等[47],目前支援28類設備[48]。其他類似、但功能與範圍不盡相同的產品包括Google的Google Nest與Google個人助理、Amazon的Amazon Echo與Amazon Alexa、三星的SmartThings、小米的小愛同學、聯想的Lenovo Smart Assistant等[49]。另外還有一些開放平臺如OpenHAB、Domoticz等[50][51]。
另一項主要的應用為輔助老年人與殘疾人士[52],例如語音控制可以幫助行動不便人士,警報系統可以連接至聽障人士的人工耳蝸[53],另外還有監視跌倒或癲癇等緊急情況的感測器[54],這些智慧家庭技術可以提供用戶更多的自由和更高的生活質量[52]。
工業應用
[编辑]物聯網在工業的應用稱為工業物聯網(Industrial internet of things,IIoT)。工業物聯網專注於機器對機器(Machine to Machine,M2M)的通訊,利用大數據、人工智慧、雲端運算等技術,讓工業運作有更高的效率和可靠度。工業物聯網涵蓋了整個工業應用,包括了機器人、醫療設備和軟體定義生產流程等,為第四次工業革命中,產業轉型至工業4.0中不可或缺的一部分[55]。
大數據分析在生產設備的預防性維護中扮演關鍵角色,其核心為網宇實體系統。可透過5C「連接(Connection)、轉換(Conversion)、聯網(Cyber),認知(Cognition)、配置(Configuration)」之架構來設計網宇實體系統,將收集來的數據轉化為有用的資料,並藉以優化生產流程[56]。
農業應用
[编辑]物聯網在農業中的應用包括收集溫度、降水、濕度、風速、病蟲害和土壤成分的數據,並加以分析與運用。這樣的方式稱為精準農業,其利用決策支援系統,將收集來的數據做出精準分析,藉以提高產出的質量和數量,並減少浪費[57]。
2018年8月,豐田通商與微軟、近畿大學水產研究所合作,利用Microsoft Azure的物聯網應用套件,開發出於水產養殖輔助系統。水產養殖為勞力密集的工作,魚苗必須由人工進行分類,以確保每條魚的大小適當且無畸形。藉由輔助系統的導入,可以大幅減輕人力負擔,將有經驗的人移至更高附加價值的工作[58][59]。
商業應用
[编辑]醫療保健
[编辑]醫療物聯網(Internet of Medical Things,IoMT)為物聯網應用於醫療保健,包括數據收集、分析、研究與監控方面的應用,用以建立數位化的醫療保健系統[60][61][62][63]。物聯網設備可用於啟用遠程健康監控和緊急情況通知系統,包括簡易的設施如血壓計、可攜式生理監視器,至可監測植入人體的設備,如心律調節器、人工耳蝸等[64]。世界衛生組織規劃利用移動設備收集醫療保健數據,並進行統計、分析,創建「m-health」體系[65]。
由於塑料與電子紡織品製造技術的進步,使得一次性使用的IoMT感測器已達到相當低的成本[66]。對於即時醫療診斷應用的建立,可攜性與低系統複雜性是不可或缺的要素[67]。物聯網在醫療保健的應用,於監測慢性病、以及疾病的預防和控制中產生很大的功用,透過遠端監控,醫院與衛生相關機構可以獲得患者的數據,並可做進一步分析[68]。
交通
[编辑]物聯網可以幫助整合通訊、控制與資訊處理。物聯網的應用可以擴展至運輸系統個層面,包括載具、基礎設施,以及駕駛人。物聯網組件之間的資訊傳遞,使得載具內以及不同載具之間可以互相通訊[69],達成智慧交通燈號、智慧停車、電子道路收費系統、物流和車隊管理、主動巡航控制系統,以及安全和道路輔助等應用[70][71]。
例如,在物流和車隊管理中,物聯網平台可以通過無線感測器持續監視貨物和資產的位置和狀況,並在發生異常事件(延遲、損壞、失竊等)時發送特定警報。這必須借助物聯網與設備之間的無縫連接才可能實現。利用GPS、濕度、溫度等感測器將數據傳送至物聯網平台,隨後對數據進行分析,並將結果傳送給用戶。如此,用戶可以跟踪載具的即時狀態,並做出適當的處置。如果與機器學習結合,還可以進行駕駛睡意偵測,以及提供自動駕駛汽車等來幫助減少交通事故[72]。
基礎設施應用
[编辑]物聯網在基礎設施的運用主要在監視與控制各類基礎設施,例如鐵軌、橋梁,海上與陸上的風力發電廠、廢棄物管理等。透過監視任何事件或結構狀況的變化,以便高效地安排維修和保養活動[71]。
目前全球有數個大規模部署的案例正在進行中,例如韓國松島國際都市。這是一座設備齊全的智慧城市,對於能源使用、交通流量進行精密的控制,各家戶垃圾透過管道集中至廢物處理中心,然後在這裡進行自動分類,與再回收利用。截至2018年6月約70%的商業區已竣工[73]。
西班牙桑坦德為另一個應用案例。這一座人口約18萬的都市,安裝了超過兩萬個感測器,主要應用於三方面:(1) 交通:透過手機APP可以即時獲得停車位資訊,並引導至該處停車;(2) H2O 2.0:可即時獲得用水資訊;(3) 公園智能空間:可隨溫度、濕度調整灑水系統,並檢查公園內垃圾桶的垃圾量[74]。
軍事應用
[编辑]軍事物聯網(Internet of Military Things,IoMT)是物聯網在軍事領域中的應用,目的是偵察、監視與戰鬥有關的目標,主要受到未來將於城市環境中戰鬥影響。軍事物聯網相關領域包括感測器、車輛、機器人、武器、可穿戴式智慧型產品,以及在戰場上相關智慧技術的使用[75]。
戰地物聯網(The Internet of Battlefield Things,IoBT)是一個美國陸軍研究實驗室(ARL)的研究項目,著重研究與物聯網相關的基礎科學,以增強陸軍士兵的能力[76]。2017年,ARL啟動了戰地物聯網協作研究聯盟(Internet of Battlefield Things Collaborative Research Alliance,IoBT-CRA),建立了產業、大學和陸軍研究人員之間的工作合作關係,以推展物聯網技術及其在陸軍作戰中的應用的理論基礎[77]。
批評、問題與爭議
[编辑]安全性
[编辑]安全性是物聯網應用受到各界質疑的主要因素[6],質疑之處在於物聯網技術正在快速發展中,但其中涉及的安全性挑戰,與可能需要的法規變更等,目前均相當欠缺[7][8]。
物聯網面對的大多數技術安全問題類似於一般伺服器、工作站與智慧型手機[78],包括密碼太短、忘記更改密碼的預設值、設備之間傳輸採用未加密訊號、SQL注入、未將軟體更新至最新版本等[79]。另外,由於多數物聯網設備計算能力相當有限,無法使用常見的安全措施例如防火牆、或是高強度的密碼[80];許多物聯網設備因為價格低廉,因此無法有人力與經費支持,將軟體更新至最新版本[81]。
安全性較差的物聯網設備可能被當作跳板以攻擊其他設備。2016年時發生惡意程式Mirai(辭源:日文「未來」)感染物聯網設備,以分散式阻斷服務攻擊(DDoS)攻擊DNS伺服器與許多網站。在20小時內,Mirai感染了大約65,000台物聯網設備,最終感染數量為20~30萬台。感染設備之國家分布以巴西、哥倫比亞和越南居前三位,設備包括數位視訊錄影機、網路監控攝影機、路由器、印表機等,以廠商區分依序為大華股份、華為、中興通訊、思科、合勤[82][83]。2017年5月,Cloudflare的計算機科學家Junade Ali指出,由於發布/訂閱(Publish–subscribe pattern)的不當設計,許多物聯網設備存在DDoS漏洞[84][85]。利用這些漏洞的將物聯網設備作為跳板的攻擊,是互聯網服務的真正威脅[86]。
產業界對各界質疑安全性問題做出了回應,「物聯網安全基金會」(IoTSF)於2015年9月23日成立,期藉由倡導知識與最佳實踐使得物聯網更加安全[87]。此外,一些公司也推出創新解決方案,以確保物聯網設備的安全性。2017年,Mozilla公司推出了「Project Things」,該項目可以通過安全的「Web of Things」閘道器與物聯網設備建立加密連線[88]。美國資訊安全專家布魯斯·施奈爾(Bruce Schneier)認為將物聯網納入政府監管業務是有必要的,以確保產業界生產的物聯網設備可以遵守安全規範,以及出事的時候有人負責[89]。
平台分散
[编辑]物聯網的一大問題為平台分散、跨平台之可操作性低,以及欠缺通用技術標準[90][91]。物聯網設備種類繁多,以及硬體與在其上運作的軟體之間的差異,使得開發系統時,各應用程序保持一致變得很困難[92]。
物聯網無定形(amorphous)的計算特性往往會造成安全性問題,因為在核心操作系統中發現的錯誤修補,通常無法涵蓋較早期且入門級的設備[93],一組研究人員表示,設備供應商未能通過修補程式和更新支持較舊的設備,導致超過87%的現行Android設備容易受到攻擊[94]。
相關條目
[编辑]參考資料
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