梁東杰　陳艷格　張志立

（1.許昌市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，河南　許昌　461000；2.許昌學(xué)院，河南　許昌　461000）

面向IP體系演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

梁東杰1陳艷格2張志立2

（1.許昌市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，河南許昌461000；2.許昌學(xué)院，河南許昌461000）

目前一些組織已經(jīng)提出融合物聯(lián)網(wǎng)的下一代互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，但是針對(duì)下一代互聯(lián)網(wǎng)及傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷演變，還沒有對(duì)IP體系演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行較系統(tǒng)的研究?；诖?，提出不同階段具有兼容性、擴(kuò)展性、自適應(yīng)性、全面性的融合互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)模型，在盡量減少傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更換的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的融合架構(gòu)，解決網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)生變化及不同應(yīng)用場景下網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)問題。

物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)融合

物聯(lián)網(wǎng)是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，發(fā)展形成的一種融合互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及其他通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸的智能化網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是未來網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)，近年來引起了世界各國政府的普遍重視，我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。但短期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和商業(yè)模式探索成為首要問題［1］。物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要大量的互聯(lián)網(wǎng)地址，隨著IPv4地址的耗盡，IPv6開始進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性部署階段。目前，IPv4向IPv6的全面轉(zhuǎn)換已經(jīng)提上日程。因此，加快推進(jìn)下一代互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展研究，是一個(gè)相當(dāng)緊迫的任務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延伸，其發(fā)展面臨著體系結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的多元化、IP地址枯竭、移動(dòng)性欠缺等問題，而互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步到下一代互聯(lián)網(wǎng)為物聯(lián)網(wǎng)提供應(yīng)用平臺(tái)和技術(shù)支撐。下一代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中IPv6的提出，可給每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供輕量化的IPv6地址，解決物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)間的互連互通，因此研究下一代網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)融合是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中必不可少的過程，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)存在多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形式，因此尋找通用的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的融合，是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)必須解決的首要問題。

當(dāng)前已經(jīng)提出了多種融合物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，但是都不夠全面或者欠缺對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)繼承性和對(duì)于不同場景的兼容性、通用性的研究。針對(duì)上述問題，本文提出了不同階段具有兼容性、擴(kuò)展性、自適應(yīng)性、全面性的融合互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)模型，是在現(xiàn)有IPv4/IPv6混合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，支持各種物體、設(shè)備等對(duì)象接入IPv4/IPv6混合網(wǎng)絡(luò)中，將多接口和多連接技術(shù)整合到網(wǎng)絡(luò)中，引入SDN網(wǎng)絡(luò)，通過物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，在盡量減少傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更換的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的融合架構(gòu)。

1　面向IP體系演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合方案

1.1部分新建IPv6物聯(lián)網(wǎng)融合模式

部分新建IPv6網(wǎng)絡(luò)模式以IPv4網(wǎng)絡(luò)為核心，在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上新建部分IPv6網(wǎng)絡(luò)（見圖1）。末梢網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或者無線設(shè)備通過AP節(jié)點(diǎn)或者Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集AP節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)回傳到多協(xié)議網(wǎng)關(guān)或者無線網(wǎng)橋中，然后把數(shù)據(jù)傳入到網(wǎng)絡(luò)中；Zigbee節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)回傳到網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)可為IPv4網(wǎng)絡(luò)或者IPv6網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)的傳感器或者無線設(shè)備只部分配置有IP地址，若傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中全部有IP地址，可以作為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理；對(duì)于傳感網(wǎng)絡(luò)中只部分存在IP或不存在IP的無線設(shè)備或傳感器，網(wǎng)絡(luò)仍以網(wǎng)關(guān)的形式進(jìn)行組網(wǎng)通信。在物聯(lián)網(wǎng)接入子網(wǎng)中，無線設(shè)備使用IPv4協(xié)議或IPv6協(xié)議。IPv4網(wǎng)絡(luò)通過安全網(wǎng)關(guān)的方式把數(shù)據(jù)傳到IPv4核心網(wǎng)絡(luò)中；IPv6網(wǎng)絡(luò)通過翻譯網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳到IPv4核心網(wǎng)絡(luò)中；若為雙棧網(wǎng)絡(luò)，則直接通過雙棧網(wǎng)關(guān)有選擇地把數(shù)據(jù)傳送到IPv4核心網(wǎng)絡(luò)中。

圖1　部分新建IPv6物聯(lián)網(wǎng)融合模式

1.2雙棧核心物聯(lián)網(wǎng)融合模式

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)變成了IPv4/IPv6雙核心模式（見圖2）。末梢網(wǎng)絡(luò)部分演變成AP節(jié)點(diǎn)經(jīng)LTE基站傳給多協(xié)議網(wǎng)關(guān)或無線網(wǎng)橋，形成以智能無線交換機(jī)與智能接入點(diǎn)模式的無線網(wǎng)絡(luò)，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。另外，也有以Zigbee節(jié)點(diǎn)經(jīng)Zigbee網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。此時(shí)末梢網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和無線設(shè)備也是部分存在IP地址。在物聯(lián)網(wǎng)接入子網(wǎng)中，無線設(shè)備以雙棧協(xié)議存在，或者以IPv4協(xié)議或者IPv6協(xié)議其中一個(gè)協(xié)議即可，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要進(jìn)行選擇。接入子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)若為IPv4或者IPv6網(wǎng)絡(luò)，則通過原協(xié)議傳輸?shù)诫p核心網(wǎng)絡(luò)中，或者通過翻譯網(wǎng)關(guān)翻譯成對(duì)應(yīng)的協(xié)議，然后在雙核心網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信；若網(wǎng)絡(luò)在雙棧網(wǎng)關(guān)的一側(cè)存在各種IP網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)需要自行選擇協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖2　雙棧核心的物聯(lián)網(wǎng)融合模式

1.3IPv6核心物聯(lián)網(wǎng)融合模式

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷演變，核心網(wǎng)絡(luò)將演變?yōu)镮Pv6核心網(wǎng)絡(luò)（見圖3），網(wǎng)絡(luò)也將變成基于SDN的IP光融合網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種融合物聯(lián)網(wǎng)的新一代互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或者無線設(shè)備通過LTE基站、WIFI或者Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。LTE基站將數(shù)據(jù)回傳到多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，此時(shí)的網(wǎng)關(guān)演變可以為匯聚型大容量智能無線控制網(wǎng)關(guān)，這種網(wǎng)關(guān)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，然后把數(shù)據(jù)傳入到接入網(wǎng)絡(luò)中；WiFi需通過自動(dòng)分配IPv6地址實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)；Zigbee節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)回傳到接入網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)絡(luò)可為IPv4網(wǎng)絡(luò)或者IPv6網(wǎng)絡(luò)。要融合各種接入網(wǎng)絡(luò)，可采用光載無線技術(shù)，將LTE（4G）移動(dòng)通信網(wǎng)、WiFi無線局域網(wǎng)、MESH等各種網(wǎng)絡(luò)融為一體，構(gòu)建基于一體化射頻光子融合系統(tǒng)。

在末梢網(wǎng)絡(luò)中的多數(shù)傳感器設(shè)備、無線設(shè)備都可自動(dòng)分配一個(gè)輕量級(jí)IPv6地址，若接入子網(wǎng)為IPv4網(wǎng)絡(luò)，可部分保留IPv4地址；在物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、無線設(shè)備也多數(shù)自動(dòng)分配一個(gè)輕量級(jí)IPv6地址，部分為IPv4地址。當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)為IPv6網(wǎng)絡(luò)，則通過安全網(wǎng)關(guān)與IPv6核心網(wǎng)絡(luò)通信；當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)為IPv4網(wǎng)絡(luò)，則通過翻譯網(wǎng)關(guān)與IPv6核心網(wǎng)絡(luò)通信；當(dāng)接入網(wǎng)絡(luò)為雙棧網(wǎng)絡(luò)，則通過雙棧網(wǎng)關(guān)與IPv6核心網(wǎng)絡(luò)通信，根據(jù)需要自行選擇協(xié)議進(jìn)行。

圖3　IPv6核心的物聯(lián)網(wǎng)融合架構(gòu)

1.4純IPv6物聯(lián)網(wǎng)融合模式

物聯(lián)網(wǎng)接入子網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)最終將演變成純IPv6網(wǎng)絡(luò)（見圖4），此時(shí)所有接入物體和設(shè)備將以IPv6協(xié)議的形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，并可自動(dòng)分配到輕量級(jí)IPv6地址，核心網(wǎng)絡(luò)采用基于SDN的純IPv6網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)末梢網(wǎng)絡(luò)及接入網(wǎng)絡(luò)中的傳感設(shè)備和無線設(shè)備都自動(dòng)分配有IP，可自行組織網(wǎng)絡(luò)，這些自組網(wǎng)經(jīng)無線網(wǎng)關(guān)或者智能無線交換機(jī)把數(shù)據(jù)上傳到上層網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)安全網(wǎng)關(guān)與其他IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

通過以上各階段物聯(lián)網(wǎng)融合分析可知，在所有階段的物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡(luò)中存在單跳、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)、規(guī)模層級(jí)3種傳感器網(wǎng)絡(luò)模式。單跳網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或者無線設(shè)備直接通過一個(gè)AP、LTE基站或者Zigbee網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)蕉鄥f(xié)議網(wǎng)關(guān)、智能無線交換機(jī)或者匯聚網(wǎng)關(guān)中，路由協(xié)議采用RPL協(xié)議；節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或者無線設(shè)備是經(jīng)過多個(gè)傳感器或者無線設(shè)備上傳到AP、LTE基站或者Zigbee節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)網(wǎng)關(guān)和智能交換機(jī)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中；層級(jí)網(wǎng)絡(luò)則是AP、LTE基站或者Zigbee節(jié)點(diǎn)經(jīng)過層級(jí)的形式進(jìn)行傳輸，經(jīng)網(wǎng)關(guān)和智能交換機(jī)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。

在各種物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，為了保證地址在傳輸過程中不發(fā)生改變，物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡(luò)中使用末梢網(wǎng)絡(luò)源地址驗(yàn)證，在接入子網(wǎng)中使用SAVI接入子網(wǎng)源地址驗(yàn)證，在各種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中使用域內(nèi)源地址驗(yàn)證，在核心網(wǎng)絡(luò)間采用域間源地址驗(yàn)證。

1.5物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合綜合架構(gòu)方案

通過上述分析，未來IPv6網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖5所示。基于IP的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)IPv6協(xié)議進(jìn)行輕量化，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)上部署物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧等相關(guān)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)IPv6與標(biāo)準(zhǔn)IPv6的適配及多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的部署，核心匯聚層采用基于SDN的IPv6網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面的分量。由各種物體聯(lián)網(wǎng)組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過無線的方式經(jīng)多協(xié)議網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)與多協(xié)議網(wǎng)關(guān)通過無線或有線的方式進(jìn)行通信，最終使用安全隧道模式、網(wǎng)關(guān)翻譯模式和雙棧網(wǎng)關(guān)模式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。在通信過程中，網(wǎng)絡(luò)層使用IPv6協(xié)議，對(duì)于不支持IPv6的低功耗網(wǎng)絡(luò)的路由使用RPL和6LoWPAN協(xié)議，應(yīng)用層使用CoAP協(xié)議。

圖5　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合綜合架構(gòu)

由圖5可知，物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)為IPv6核心網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通過雙棧網(wǎng)關(guān)、隧道機(jī)制、翻譯網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與終端主機(jī)通信。由于物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)使用輕量級(jí)IPv6協(xié)議或者IPv4協(xié)議，與互聯(lián)網(wǎng)通信過程中，使用多協(xié)議網(wǎng)關(guān)與末梢網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，再通過有線或者無線方式與上層互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，多協(xié)議網(wǎng)關(guān)需完成IP地址補(bǔ)齊、去前綴的工作和協(xié)議雙向翻譯的功能，并負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和消息的轉(zhuǎn)發(fā)；多協(xié)議網(wǎng)關(guān)把末梢網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)街悄軈R聚網(wǎng)關(guān)，并傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)中。物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中物體所處的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不盡相同，可以使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過若干條有效鏈路接入到上層融合網(wǎng)絡(luò)中。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在基于IP的傳感網(wǎng)絡(luò)和基于非IP的傳感網(wǎng)絡(luò)，基于IP的傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)用戶之間通過IP地址實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過隧道機(jī)制直接連接到互聯(lián)網(wǎng)中，與IP終端主機(jī)通信?；诜荌P的傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)沒有IP地址，物聯(lián)網(wǎng)用戶和傳感網(wǎng)之間通過傳感網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)融合過程中，對(duì)于傳感節(jié)點(diǎn)是否支持IP還是非IP、無線還是有線，傳感網(wǎng)必須能連接到原有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，各類異構(gòu)傳感網(wǎng)的傳輸數(shù)據(jù)通過整合融合到IP網(wǎng)絡(luò)中，在IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信。

2　結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合是物聯(lián)網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因其可擴(kuò)展性、通用性、成熟的基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)勢，成為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)目前該研究只是在下一代互聯(lián)網(wǎng)中的物聯(lián)網(wǎng)融合研究，研究了物聯(lián)網(wǎng)從當(dāng)前的IPv4核心網(wǎng)絡(luò)演變成純IPv6核心網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)模式，較系統(tǒng)地提出了以互聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演變和末梢網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變的不同階段網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)模型，為后續(xù)研究物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)。

［1］李?；?，羅松.基于NGN的物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和進(jìn)展［J］.現(xiàn)代電信科技，2011（5）：8-13.

Internet of Things Internet Converging Architecture Oriented IP System

Liang Dongjie1Chen Yange2Zhang Zhili2
（1.Xuchang Science and Technology Information Research Institute，Xuchang Henan 461000；2.Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

At present，some organizations put forward the Next Generation Internet Architecture Converging with Internet of Things（IoT），but the Next Generation Internet and sensor networks have evolved constantly，which has not been studied systematically IoT heterogeneous network with IP system.Based on this，the integration architecture model of Internet of things with compatibility，expansibility，adaptability and comprehensiveness was put forward，on the basis of minimizing the replacement of traditional Internet equipment，the integration of heterogeneous networks and the Internet architecture was achieved，the problem of network convergence and network convergence architecture under different application scenarios was solved.

Internet of Things（IoT）；sensor networks；heterogeneous network；network convergence

TP391；TN929

A

1003-5168（2016）06-0046-03

2016-05-17

教育部下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（NGII20150610）；河南省教育廳基金項(xiàng)目（15A510012）。

梁東杰（1983-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：軟件工程。