物聯網國際規格標準及發展

本文作者/林甫俊(任教於交通大學資訊工程學系)

在各樣物聯網應用的發展上,研發者逐漸發現,這些不同應用之間其實存在著許多相同的基
本功能,因此歐美亞三洲主要的標準組織聯合起來,正共同制定物聯網的國際規格標準。

物聯網應用發展近幾年來方興未艾,應用的範圍包括:智慧家庭(smart home)、智慧建築
(smart building)、網聯車輛(connected vehicle)、智慧電網(smart grid)、醫療看護
(eHealth)、物流管控(logistics)、自動化農耕(agriculture automation)等,物聯網的
應用發展需要使用下列三項重要技術:

• 物聯網設備和感測器:
此為物聯網的終端設備,用來感測和管理物聯網應用的場景,感測的部份負責蒐集資料,並
傳送這些資料給物聯網應用去處理,管理的部份則負責從物聯網應用接受指令並執行動作。


• 物聯網核心網路:核心

網路負責物聯網感測器與物聯網應用之間的連結與溝通。


• 物聯網應用服務層(service layer middleware):

物聯網應用服務層負責收納物聯網感測器蒐集的資料並提供給物聯網應用,應用服務層更可
提供物聯網應用所需的其他加值服務,譬如執行安全驗證等。

物聯網應用服務層,係架設在物聯網核心網路及物聯網設備感應器之上的中介軟體,而物聯
網應用為在服務層上,根據應用之特定需要而發展的應用軟體。

物聯網標準過去發展

物聯網過去的發展著重在設備和感應器等相關的技術,包括物聯網區域網路、網路通訊協定
(protocols)及感測器資料模組(data models)等,所以早期之物聯網應用通常侷限於小範
圍,標準的發展也因而著重於物聯網區域網路相關的技術,過去成功發展的技術包括Zigbee、
Bluetooth、WiFi、RFID、M-Bus、ANSI C12、KNX、LonWorks、ModBus、BACnet、
DLMS/COSEM、DLNA/UPnP、Z-Wave 等。除此之外,物聯網區域網路過去另外一個重要的
標準發展為終端設備之管理協定(device management protocol, DM), 包括OMA(open
mobile  alliance)為移動終端設備所發展的DM 以及BBF(broadband forum)為固定終端設備
所發展的TR-069。

這些過去的物聯網標準,並未涵蓋任何有關物聯網核心網路及物聯網應用服務層的標準,僅
著重於垂直整合,即一物聯網的應用係根據其特殊的需要,整合所需之感測器、網路、應用
服務層而得。在過去的發展,後兩者尤其常混一起無法分割,因此為某一領域發展之物聯網
應用從下層至上層常無法適用到另外一個新的領域,如根據Zigbee 感測器所發展的網路家居
應用無法輕易移植於Z-Wave 的設備上。

走向國際規格

由於網路技術的快速進步以及使用者的遠端監控需求,物聯網逐漸擴大範圍,現已與電信網
路及雲端系統結合以達無遠弗屆之效果。物聯網主要著重於機器對機器通訊(M2M
communications),所以語音服務並無需要,數據通訊為主要之通信方式。物聯網與電信
網路的結合,從早期第二代行動通信的電路交換數據(circuitswitched data, CSD)技術開
始,隨著電信網路的快速進展,現已進步到第四代行動通訊LTE,由於聯網的能力愈來
愈強,物聯網在不同產業之各種應用,也因而風起雲湧地大量發展。

這種的現象,使得如何有效地發展物聯網應用的問題開始受到矚目。在各樣物聯網應用的發
展上,研發者逐漸發現,這些不同應用之間其實存在著許多相同的基本功能,不應該每一種
應用都需重新制定發展,如此不僅耗時費力也無法善用過往累積發展的經驗。再者,電信網
路為了達到互容、低成本、安全與全球通,一向以標準為依據來發展,物聯網正溶入電信網
路中,其結合電信網路所依據之標準的制定也因此更形重要。

在這樣的背景下,2009 年歐洲的電信標準組織ETSI(European Telecommunication
Standards  Institute) 洞燭機先成立了M2M 技術委員會(Technical Committee, TC),
開始為不同領域的物聯網應用定義出共通之應用服務層標準。經過三年的努力,在2011 年底
完成了物聯網共通服務層標準的第一版,發表了約15 本的技術報告及標準規格。2011年其他
的標準組織如美國的ATIS(The Alliance for Telecommunications Industry Solutions)、
TIA(Telecommunications Industry Association) 及世界電信組織ITU-T
(International Telecommunications Union-Telecommunication  Standardization Sector)
等看見ETSI 在M2M 標準的進展,紛紛成立M2M 物聯網的聚焦小組(focus group),制定各
自的M2M 物聯網標準,一時之間,M2M 物聯網標準的討論在國際間沸揚起來。

ETSI仿效它在3GPP(3rd Generation Partnership Project)計畫下成功制定3G及4G LTE
無線網路的例子,力邀其他國家的標準組織一起參與物聯網國際標準的制定,不同區域的標
準組織於是從2011年7月起在ETSI的推動下,展開了一連串的共同會議,討論如何一齊合作來
制定M2M物聯網的「國際規格」標準。經過一年的討論,終於在2012年7月正式成立了國際標
準組織oneM2M來開始發展物聯網國際規格的標準。雖然ETSI在這段時間裡繼續推動其M2M
規格標準的發展,並於2013年初完成了物聯網共通服務層標準的第二版,但其第二版祗對第
一版作小幅的增修,ETSI並宣布從此之後會將其M2M標準制定的努力投入於oneM2M標準的
制定當中,以利全球整合。

國際標準的發展

由於OneM2M 標準尚在制定中,本文主要將以介紹ETSI 的M2M 標準為主,其次略對oneM2M
標準目前之發展狀況作一介紹:

ETSI M2M 標準的介紹

• ETSI M2M 網路架構

ETSI M2M 標準把物聯網架構分成三個區塊(圖一):設備區、網路區及應用區,M2M 設備
區(M2M 區域網路)在不同的市場有不同的M2M 設備,並採用不同的技術,以支持各種不
同的應用。基本上來說有兩種類型的設備——能夠直接連接到網路的設備或需要M2M 閘道才
能連接到網路的設備。M2M 網路區包括M2M核心網路和M2M 網路標準服務功能。M2M 核心
網路可以充分利用現有的電信網路,包括固定和移動網路(2G、3G 或4G LTE),其中以移
動網路為主。M2M網路標準服務功能(M2M network service capabilities)是用來支持M2M
應用的網路共通功能。M2M 應用區有兩種類型的應用——終端用戶應用和M2M 服務應用。
M2M 服務應用位於M2M 伺服器上,建立在M2M 標準服務功能之上,並與M2M設備互動來提
供服務。終端用戶應用為最終用戶提供服務,使用M2M 服務應用,或直接從M2M 設備來提
供服務。圖一也顯示M2M 標準服務功能不但位於M2M核心網路,也可能存在於M2M 閘道和
設備之上,此點我們會下節中進一步說明。













圖一:ESTI M2M 物聯網架構。


• ETSI M2M 網路功能架構

ETSI M2M 網路功能架構可以圖二來表示,圖中下半部為物聯網網路系統,顯示網路所需的硬
體設備,上半部為物聯網應用服務層之軟體系統。ETSI M2M 網路標準(圖二著色的部份)制
定了M2M 網路和閘道的標準服務功能,以及他們之間的介面mId。除此之外,還制定了M2M
網路服務與M2M 網路標準服務功能之間的介面mIa,以及M2M 閘道服務與M2M閘道標準服務
功能之間的介面dIa。由於目前大部份的物聯網設備都不是按著M2M 的標準來設計,所以都稱
作傳統設備(legacy devices),這些傳統設備必須透過轉換功能(interworking function)
才能和M2M 網路系統連結,取得所需服務。












圖二:ESTI M2M 網路功能架構。


圖一中所顯示的M2M標準服務功能,在圖二中同時存在於M2M 網路與M2M閘道中,此標準
服務功能也可能存在於按著M2M 的標準來設計的智慧型物聯網設備中,使這些設備可直接和
M2M 網路系統連結而無需透過轉換功能。

M2M 服務層為一網路軟體系統,其設計要符合電信網路軟體系統同等的標準,強調安全性、
高容量、高可靠、高效能及具備容錯能力。

• ETSI M2M 網路介面

ETSI M2M 標準定義了三個介面:dIa、mIa 以及mId。mIa 介面制定註冊和授權的指令,供
M2M 網路服務對M2M網路標準服務功能使用、支持服務會話管理(事件報告或傳媒會話),
以及制定讀/寫/增/刪/訂閱/通知等指令。

dIa 介面制定註冊和授權的指令,供M2M 閘道服務對M2M 閘道標準服務功能使用。dIa 一樣
支持服務會話管理(事件報告或傳媒會話),及制定讀/寫/增/刪/訂閱/通知指令。

最後也是最重要的是mId 介面,mId介面制定註冊和授權的指令,供M2M 閘道標準服務功能對
M2M 網路標準服務功能使用。支持服務會話管理(事件報告或傳媒會話)並制定讀/寫/增
/刪/訂閱/通知的指令。

這些介面遵循讀/寫/增/刪/訂閱/通知等狀態轉移(representational state transfer, REST)
指令的規格。執行這些指令之前,均得經過註冊和授權,以保証M2M 系統元件間通訊的安
全!

• ETSI M2M 網路服務功能

ETSI M2M 標準也定義出M2M 網路標準服務,及M2M 閘道標準服務到底應有那些功能,歸納
應有的標準服務功能共11 種,計有應用通行功能(application enablement, xAE);通用通
訊功能(generic communication, xGC); 可達性、尋址和儲存庫功能(reachability, addressing
and repository, xRAR); 通信選擇功能(communication selection, xCS); 遠程實體管理功能
(remote entity management, xREM);安全性功能(security, xSec);歷史記錄和數據的
保留功能(history and data retention, xHDR); 交易管理功能(transaction management, xTM);
 補償經紀人功能(xCB-compensation broker, xCB); 電信運營商介接功能(telco operator
exposure,  xTOE)以及互通代理功能(interworking proxy, xIP)。ETSI M2M標準並未制定這些
功能該如何實現,乃留待發展軟體廠商去自行決定。其中遠程實體管理功能係沿用OMA DM
及BBF TR-069 的標準協定來管理移動及固定的終端裝置。

• ETSI M2M 網路操作說明

根據上述的描述,我們現在可以對ETSI M2M 網路的操作作一簡要說明,簡單來說,在一個
M2M 設備應用傳資料給M2M網路應用(圖二)之前,M2M 網路標準服務及M2M閘道標準服
務必須要先上線(activated)。通常M2M 網路標準服務會先執行,而後M2M 閘道標準服務再
執行,後者需使用通用通訊功能及安全性功能向前者作註冊和授權的請求,完成後M2M 設備
應用和M2M 網路應用也要分別用應用通行功能、通用通訊功能及安全性功能,和其網路端或
閘道端之M2M標準服務作註冊和授權的請求,這些都建立之後,M2M 設備應用就可以很容易
地傳資料給M2M 網路應用了。反之,M2M網路應用若要下指令給M2M 設備應用,除了使用
網路端的應用通行功能、通用通訊功能及安全性功能之外,還需要使用到可達性、尋址和儲
存庫功能來找到M2M設備的位置,再用遠程實體管理功能去對M2M 設備作管控。

OneM2M 標準的現况

國際標準組織oneM2M 是由歐洲、美國、中國、日本、韓國各地區之標準組織, 仿效3GPP
夥伴計畫(Partnership Program)聯合在2012 年7 月正式成立。這些標準組織為第一類夥伴,
包含了原先3GPP 夥伴計畫的所有成員如歐洲標準組織ETSI、美國標準組織ATIS 和TIA、中
國標準組織CCSA(China Communications Standards Association)、日本標準組織
TTC(Telecommunication Technology Committee)和ARIB(Association of Radio Industries
 and Businesses) 及韓國標準組織TTA(Telecommunications Technology Association),
臺灣地區目前是透過ETSI會員的身份來參與。oneM2M 共成立了五個工作小組,來制訂M2M
物聯網國際規格的標準。
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oneM2M五個工作小組

一、M2M 物聯網架構使用例子及需求
二、M2M 物聯網架構
三、M2M 物聯網通信協定
四、M2M 物聯網安全性
五、M2M 物聯網管理、語意及抽象化
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目前oneM2M 主要產出來自工作小組一及二,其餘小組仍在持續進行中,但尚未有重要產
出。

OneM2M 網路架構

圖三為oneM2M 所制定之網路架構,和圖二之ETSI M2M 架構比較,有下列之改變:

(a)mIa 及dIa 介面整合為Mca(c 代表 common service entity;a 代表application entity)。

(b)mId 改名為Mcc。

(c)Mcn 為新增M2M 服務層至下層網路之介面(n 代表underlying network)。

(d)沒有M2M 網路標準服務及M2M 閘道標準服務之嚴格區分,祗稱標準共通服務Entity。

(e)雖然每一個節點(node)的結構都一樣,但仍可區分為基礎設施節點、中間節點、
應用服務節點,如圖三所示,這些節點可分別對應至網路伺服器、閘道及M2M終端設備。












圖三:OneM2M 網路架構。


OneM2M 網路介面

OneM2M 網路介面為Mca、Mcc 及Mcn,前兩者在ETSI M2M 規格中業已詳細制定,Mcn
為M2M 服務層至下層網路如LTE 之新介面,oneM2M 將提出需求並與3GPP 合作來制定。

OneM2M 網路服務功能

OneM2M 正在制定M2M 網路標準之共同服務功能,目前歸納應有的共同服務功能為下列13
種:

1. 應用及服務層管理(application and service layer management, ASM)

2. 通訊管理及信息傳遞(communication management and delivery handling, CMDH)

3. 資料管理及儲存(data management and repository, DMR)

4. 終端設備管理(device management, DMG)

5. 服務發現(discovery, DIS)

6. 群組管理(group management, GMG)

7. 位置管理(location, LOC)

8. 網路服務介面(network service exposure, NSE)

9. 註冊(registration, REG)

10. 安全管理(security, SEC)

11. 服務收費(service charging and accounting, SCA)

12. 會話管理(session management, SMG)

13. 登記與通知(subscription and notification, SUB)

OneM2M 把ETSI M2M 所定義的11 種服務功能重新安排, 譬如原ETSI M2M 定義之可達性、
尋址和儲存庫功能(xRAR)現為群組管理(GMG)、服務發現(DIS)及登記與通知
(SUB)等三功能所取代;原ETSI M2M 定義之遠程實體管理功能(xREM)現改名為終端設
備管理(DMG),OneM2M 也定義了一些新的功能,譬如資料管理及儲存(DMR),應用及
服務層管理(ASM)及位置管理(LOC)等功能。這些功能的制定目前仍在發展中,所以上
述名稱及功能有可能會再作進一步修改。

前瞻與結語

如前所言物聯網的應用發展主要使用到三項重要技術:(1)物聯網設備和感應器、(2)物
聯網核心網路、(3)物聯網應用服務層,物聯網國際標準oneM2M 主要涵蓋物聯網應用服務
層的部份,其制定的規格可以用來建構一個真正無遠弗屆、通用全球的物聯網網路。

此物聯網將使用現有的電信網路標準作物聯網核心網路,並容納現有之物聯網設備和感應器
通訊協定標準,來提供一共通的服務平台,水平整合各式各樣的物聯網應用,並將使用雲端
平台收集大量資料及應用,進而運用巨量資料技術做分析,發展出各種各樣的智慧應用。

根據預測,物聯網之終端設備在2020年將達全球人口的7 至10 倍,上看至500至700 億,各樣
根據物聯網技術發展的應用也將遠大於智慧型手機應用的數目,國際標準的制定將是物聯網
應用進一步發展的關鍵,因此我們需密切注意其未來走向與發展。

可預見的是物聯網應用的發展將帶全人類進入智慧生活(smart living)的時代,讓人們享有更
便利、安全和舒適的生活情境,生活的效率也將大幅提升。

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目前的電信網路(如3G或4G LTE)適合作物聯網的無線及核心網路嗎?

由於目前的電信網路是為人與人之間的通信而設計,而物聯網主要為機器對機器、人對機器
或機器對人的通訊,因此為物聯網設計專屬的無線及核心網路成為一熱門的趨勢, 如正在發
展中的Weightless、400 MHz 、RPMA( random phase multiple access)、UNB(ultra narrow
band)、PLANet 等無線網路,這些網路不僅提供無線通訉,有的也擁有核心網路的功能,可
以完全不使用目前的電信網路。同時間3GPP 也加緊努力為物聯網發展所謂Low Cost LTE 之無
線網路及支持MTC(machine type communications,亦即物聯網) 的核心網路,後者包括物聯網
裝置激發機制的最佳化(triggering optimization),以及物聯網流量之過載和壅塞控制機制
(overload and congestion control)等。雖然目前物聯網國際標準偏向於使用現有的電信網路,
但未來的發展如何仍有待觀察。

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