面向IP體系演進的物聯(lián)網異構網絡融合架構

梁東杰　陳艷格　張志立

（1.許昌市科學技術情報研究所，河南　許昌　461000；2.許昌學院，河南　許昌　461000）

面向IP體系演進的物聯(lián)網異構網絡融合架構

梁東杰1陳艷格2張志立2

（1.許昌市科學技術情報研究所，河南許昌461000；2.許昌學院，河南許昌461000）

目前一些組織已經提出融合物聯(lián)網的下一代互聯(lián)網架構，但是針對下一代互聯(lián)網及傳感器網絡的不斷演變，還沒有對IP體系演進的物聯(lián)網進行較系統(tǒng)的研究?；诖?，提出不同階段具有兼容性、擴展性、自適應性、全面性的融合互聯(lián)網的物聯(lián)網網絡融合架構模型，在盡量減少傳統(tǒng)互聯(lián)網設備更換的基礎上，實現(xiàn)異構網絡和互聯(lián)網的融合架構，解決網絡不斷發(fā)生變化及不同應用場景下網絡融合架構問題。

物聯(lián)網；傳感器；異構網絡；網絡融合

物聯(lián)網是在無線傳感器網絡基礎上，發(fā)展形成的一種融合互聯(lián)網、無線傳感器網絡、移動通信網絡以及其他通信技術的網絡，是在互聯(lián)網基礎上延伸的智能化網絡。物聯(lián)網是未來網絡信息技術和產業(yè)競爭的制高點，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)網發(fā)展。但短期內，物聯(lián)網產業(yè)仍處于起步階段，關鍵技術研發(fā)和商業(yè)模式探索成為首要問題［1］。物聯(lián)網在內的各種網絡應用需要大量的互聯(lián)網地址，隨著IPv4地址的耗盡，IPv6開始進入到實質性部署階段。目前，IPv4向IPv6的全面轉換已經提上日程。因此，加快推進下一代互聯(lián)網和物聯(lián)網的發(fā)展研究，是一個相當緊迫的任務。

物聯(lián)網是互聯(lián)網的網絡延伸，其發(fā)展面臨著體系結構沒有統(tǒng)一的標準，物聯(lián)網網絡終端設備的多元化、IP地址枯竭、移動性欠缺等問題，而互聯(lián)網技術進步到下一代互聯(lián)網為物聯(lián)網提供應用平臺和技術支撐。下一代互聯(lián)網網絡中IPv6的提出，可給每個物聯(lián)網節(jié)點提供輕量化的IPv6地址，解決物聯(lián)網異構網絡與互聯(lián)網間的互連互通，因此研究下一代網絡與物聯(lián)網的網絡融合是網絡發(fā)展中必不可少的過程，具有重要現(xiàn)實意義。物聯(lián)網接入網絡存在多種異構網絡形式，因此尋找通用的架構實現(xiàn)異構網絡和互聯(lián)網絡的融合，是構建物聯(lián)網必須解決的首要問題。

當前已經提出了多種融合物聯(lián)網的架構，但是都不夠全面或者欠缺對于互聯(lián)網繼承性和對于不同場景的兼容性、通用性的研究。針對上述問題，本文提出了不同階段具有兼容性、擴展性、自適應性、全面性的融合互聯(lián)網的物聯(lián)網網絡融合架構模型，是在現(xiàn)有IPv4/IPv6混合網絡基礎上，支持各種物體、設備等對象接入IPv4/IPv6混合網絡中，將多接口和多連接技術整合到網絡中，引入SDN網絡，通過物聯(lián)網與互聯(lián)網緊密結合，在盡量減少傳統(tǒng)互聯(lián)網設備更換的基礎上，實現(xiàn)異構網絡和互聯(lián)網的融合架構。

1　面向IP體系演進的物聯(lián)網網絡融合方案

1.1部分新建IPv6物聯(lián)網融合模式

部分新建IPv6網絡模式以IPv4網絡為核心，在原有網絡基礎上新建部分IPv6網絡（見圖1）。末梢網絡中的傳感器或者無線設備通過AP節(jié)點或者Zigbee節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集AP節(jié)點，將數(shù)據(jù)回傳到多協(xié)議網關或者無線網橋中，然后把數(shù)據(jù)傳入到網絡中；Zigbee節(jié)點收集的數(shù)據(jù)經Zigbee網關把數(shù)據(jù)回傳到網絡中，網絡可為IPv4網絡或者IPv6網絡。此時的傳感器或者無線設備只部分配置有IP地址，若傳感網絡設備中全部有IP地址，可以作為網絡進行管理；對于傳感網絡中只部分存在IP或不存在IP的無線設備或傳感器，網絡仍以網關的形式進行組網通信。在物聯(lián)網接入子網中，無線設備使用IPv4協(xié)議或IPv6協(xié)議。IPv4網絡通過安全網關的方式把數(shù)據(jù)傳到IPv4核心網絡中；IPv6網絡通過翻譯網關把數(shù)據(jù)傳到IPv4核心網絡中；若為雙棧網絡，則直接通過雙棧網關有選擇地把數(shù)據(jù)傳送到IPv4核心網絡中。

圖1　部分新建IPv6物聯(lián)網融合模式

1.2雙棧核心物聯(lián)網融合模式

隨著網絡的不斷發(fā)展，網絡變成了IPv4/IPv6雙核心模式（見圖2）。末梢網絡部分演變成AP節(jié)點經LTE基站傳給多協(xié)議網關或無線網橋，形成以智能無線交換機與智能接入點模式的無線網絡，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W絡中。另外，也有以Zigbee節(jié)點經Zigbee網關把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W絡中。此時末梢網絡中的傳感器和無線設備也是部分存在IP地址。在物聯(lián)網接入子網中，無線設備以雙棧協(xié)議存在，或者以IPv4協(xié)議或者IPv6協(xié)議其中一個協(xié)議即可，可根據(jù)網絡的需要進行選擇。接入子網網絡若為IPv4或者IPv6網絡，則通過原協(xié)議傳輸?shù)诫p核心網絡中，或者通過翻譯網關翻譯成對應的協(xié)議，然后在雙核心網絡中進行通信；若網絡在雙棧網關的一側存在各種IP網絡，網絡將根據(jù)需要自行選擇協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

圖2　雙棧核心的物聯(lián)網融合模式

1.3IPv6核心物聯(lián)網融合模式

隨著網絡的不斷演變，核心網絡將演變?yōu)镮Pv6核心網絡（見圖3），網絡也將變成基于SDN的IP光融合網絡。對于這種融合物聯(lián)網的新一代互聯(lián)網，物聯(lián)網末梢網絡中的傳感器或者無線設備通過LTE基站、WIFI或者Zigbee節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集。LTE基站將數(shù)據(jù)回傳到多協(xié)議網關，此時的網關演變可以為匯聚型大容量智能無線控制網關，這種網關對物聯(lián)網末梢網絡中的數(shù)據(jù)進行匯聚，然后把數(shù)據(jù)傳入到接入網絡中；WiFi需通過自動分配IPv6地址實現(xiàn)接入設備的聯(lián)網；Zigbee節(jié)點收集的數(shù)據(jù)經Zigbee網關把數(shù)據(jù)回傳到接入網絡中，接入網絡可為IPv4網絡或者IPv6網絡。要融合各種接入網絡，可采用光載無線技術，將LTE（4G）移動通信網、WiFi無線局域網、MESH等各種網絡融為一體，構建基于一體化射頻光子融合系統(tǒng)。

在末梢網絡中的多數(shù)傳感器設備、無線設備都可自動分配一個輕量級IPv6地址，若接入子網為IPv4網絡，可部分保留IPv4地址；在物聯(lián)網接入網絡中的傳感器、無線設備也多數(shù)自動分配一個輕量級IPv6地址，部分為IPv4地址。當接入網絡為IPv6網絡，則通過安全網關與IPv6核心網絡通信；當接入網絡為IPv4網絡，則通過翻譯網關與IPv6核心網絡通信；當接入網絡為雙棧網絡，則通過雙棧網關與IPv6核心網絡通信，根據(jù)需要自行選擇協(xié)議進行。

圖3　IPv6核心的物聯(lián)網融合架構

1.4純IPv6物聯(lián)網融合模式

物聯(lián)網接入子網及物聯(lián)網網絡最終將演變成純IPv6網絡（見圖4），此時所有接入物體和設備將以IPv6協(xié)議的形式在網絡中進行傳輸，并可自動分配到輕量級IPv6地址，核心網絡采用基于SDN的純IPv6網絡。此時末梢網絡及接入網絡中的傳感設備和無線設備都自動分配有IP，可自行組織網絡，這些自組網經無線網關或者智能無線交換機把數(shù)據(jù)上傳到上層網絡中，經安全網關與其他IPv6網絡進行通信。

通過以上各階段物聯(lián)網融合分析可知，在所有階段的物聯(lián)網末梢網絡中存在單跳、節(jié)點轉發(fā)、規(guī)模層級3種傳感器網絡模式。單跳網絡中的傳感器或者無線設備直接通過一個AP、LTE基站或者Zigbee網關傳輸?shù)蕉鄥f(xié)議網關、智能無線交換機或者匯聚網關中，路由協(xié)議采用RPL協(xié)議；節(jié)點轉發(fā)網絡中的傳感器或者無線設備是經過多個傳感器或者無線設備上傳到AP、LTE基站或者Zigbee節(jié)點，然后經網關和智能交換機傳輸?shù)骄W絡中；層級網絡則是AP、LTE基站或者Zigbee節(jié)點經過層級的形式進行傳輸，經網關和智能交換機把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W絡中。

在各種物聯(lián)網異構網絡中，為了保證地址在傳輸過程中不發(fā)生改變，物聯(lián)網末梢網絡中使用末梢網絡源地址驗證，在接入子網中使用SAVI接入子網源地址驗證，在各種互聯(lián)網絡中使用域內源地址驗證，在核心網絡間采用域間源地址驗證。

1.5物聯(lián)網網絡融合綜合架構方案

通過上述分析，未來IPv6網絡總體架構如圖5所示?；贗P的異構網絡中，對IPv6協(xié)議進行輕量化，物聯(lián)網網關上部署物聯(lián)網協(xié)議棧和互聯(lián)網協(xié)議棧等相關協(xié)議，實現(xiàn)輕量級IPv6與標準IPv6的適配及多協(xié)議網關的部署，核心匯聚層采用基于SDN的IPv6網絡，實現(xiàn)控制平面和轉發(fā)平面的分量。由各種物體聯(lián)網組成的異構網絡，物聯(lián)網節(jié)點通過無線的方式經多協(xié)議網關接入互聯(lián)網，物聯(lián)網接入網絡與多協(xié)議網關通過無線或有線的方式進行通信，最終使用安全隧道模式、網關翻譯模式和雙棧網關模式實現(xiàn)異構網絡與互聯(lián)網的互聯(lián)互通。在通信過程中，網絡層使用IPv6協(xié)議，對于不支持IPv6的低功耗網絡的路由使用RPL和6LoWPAN協(xié)議，應用層使用CoAP協(xié)議。

圖5　物聯(lián)網網絡融合綜合架構

由圖5可知，物聯(lián)網核心網絡為IPv6核心網絡，物聯(lián)網中的傳感器節(jié)點通過雙棧網關、隧道機制、翻譯網關實現(xiàn)與終端主機通信。由于物聯(lián)網中的傳感器節(jié)點、路由節(jié)點使用輕量級IPv6協(xié)議或者IPv4協(xié)議，與互聯(lián)網通信過程中，使用多協(xié)議網關與末梢網絡進行無線通信，再通過有線或者無線方式與上層互聯(lián)網進行連接，多協(xié)議網關需完成IP地址補齊、去前綴的工作和協(xié)議雙向翻譯的功能，并負責協(xié)議的轉換和消息的轉發(fā)；多協(xié)議網關把末梢網絡的信息傳輸?shù)街悄軈R聚網關，并傳輸?shù)交ヂ?lián)網絡中。物聯(lián)網異構網絡中物體所處的地理位置和網絡環(huán)境不盡相同，可以使異構網絡中的數(shù)據(jù)通過若干條有效鏈路接入到上層融合網絡中。

在物聯(lián)網網絡傳感器網絡中，存在基于IP的傳感網絡和基于非IP的傳感網絡，基于IP的傳感網和物聯(lián)網用戶之間通過IP地址實現(xiàn)組網，傳感器節(jié)點可以通過隧道機制直接連接到互聯(lián)網中，與IP終端主機通信。基于非IP的傳感網絡中，傳感節(jié)點沒有IP地址，物聯(lián)網用戶和傳感網之間通過傳感網關實現(xiàn)組網。在網絡融合過程中，對于傳感節(jié)點是否支持IP還是非IP、無線還是有線，傳感網必須能連接到原有互聯(lián)網絡中，各類異構傳感網的傳輸數(shù)據(jù)通過整合融合到IP網絡中，在IP網絡中進行通信。

2　結語

物聯(lián)網異構網絡融合是物聯(lián)網研究的關鍵技術之一，IP網絡架構因其可擴展性、通用性、成熟的基礎設施等優(yōu)勢，成為當前物聯(lián)網異構網絡融合研究的熱點。本文針對目前該研究只是在下一代互聯(lián)網中的物聯(lián)網融合研究，研究了物聯(lián)網從當前的IPv4核心網絡演變成純IPv6核心網絡融合架構模式，較系統(tǒng)地提出了以互聯(lián)網核心網絡發(fā)展演變和末梢網絡發(fā)生改變的不同階段網絡融合架構模型，為后續(xù)研究物聯(lián)網互聯(lián)互通奠定基礎。

［1］李?；?，羅松.基于NGN的物聯(lián)網國際標準化現(xiàn)狀和進展［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)網技術創(chuàng)新項目（NGII20150610）；河南省教育廳基金項目（15A510012）。

梁東杰（1983-），男，碩士，高級工程師，研究方向：軟件工程。