基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構設計

安錦錦

摘要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的思想也在不斷變化，在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術也逐漸受到國內(nèi)相關人士及行業(yè)的廣泛關注。物聯(lián)網(wǎng)技術為互聯(lián)網(wǎng)技術的延伸，目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有地址受限、互聯(lián)網(wǎng)體系結構受限、缺乏移動性及安全機制不足等問題，要想解決這些問題，可以通過開發(fā)下一代互聯(lián)網(wǎng)完成。所以，設計基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構，具有重要作用。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術；下一代互聯(lián)網(wǎng)；體系結構

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0011-02

物聯(lián)網(wǎng)概念是在1999年被提出的，之后各國組織及企業(yè)都對物聯(lián)網(wǎng)進行了相關報道，并且將實際工作及生活中融入物聯(lián)網(wǎng)技術。我國對物聯(lián)網(wǎng)進行了定義，表示物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)及通信網(wǎng)的延伸及拓展，主要是通過智能及感應技術識別物理世界，使用網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)計算、處理及挖掘其中的知識，實現(xiàn)人與物之間，物與信息交互之間能夠相互連接，從而對物理世界進行控制、管理及決策。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)被廣泛應用到社會的各行各業(yè)及生活中。

1 物聯(lián)網(wǎng)的特點

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上被提出的，但是兩者還是存在一定的差別。主要包括以下幾點：

其一，網(wǎng)絡體系方面。物聯(lián)網(wǎng)主要是由兩部分組成，分別為末梢網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。末梢網(wǎng)絡指的是終端節(jié)點物聯(lián)組成的功耗較低，并且較為松散的網(wǎng)絡，所以可以說物聯(lián)網(wǎng)中包括互聯(lián)網(wǎng)。末梢網(wǎng)絡節(jié)點能夠通過信息源感知到信息，信息也能夠通過末梢網(wǎng)絡進入到互聯(lián)網(wǎng)中；

其二，應用方面。物聯(lián)網(wǎng)的主要應用分為包括信息采集系統(tǒng)、分析系統(tǒng)及智能處理系統(tǒng)等，互聯(lián)網(wǎng)則是實現(xiàn)互聯(lián)資源共享的一個平臺。物聯(lián)網(wǎng)具有多終端設備連接功能，還具有智能處理功能，能夠智能控制物體。物聯(lián)網(wǎng)與智能處理及終端三者相互結合，通過模式識別及云計算等一系列的智能技術，能夠進一步的擴展其他領域；

其三，終端設備方面。物理網(wǎng)具有多種設備，一般體積及內(nèi)存較小，并且寬帶低，功能及能量供應有效?；ヂ?lián)網(wǎng)設備具有大量的內(nèi)存及寬帶，能夠持續(xù)供電，并且功能齊全；

其四，操作系統(tǒng)方面。由于物聯(lián)網(wǎng)硬件資源受到種種限制，導致物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)非常簡單，內(nèi)存及寬帶占用少，功耗小，功能單一?；ヂ?lián)網(wǎng)操作較為復雜，并且內(nèi)存及寬帶占用多，不需要考慮功耗問題，功能齊全?！?】

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間還是具有差異，物聯(lián)網(wǎng)和末梢網(wǎng)絡不能夠直接的使用互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)技術及協(xié)議，這使在物聯(lián)網(wǎng)技術背景下設計下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構具有一定的難度。由于物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，兩者也存在一定的共性，比如節(jié)點需要身份識別，需要路由方案等等，這些共性使下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構的設計需要物聯(lián)網(wǎng)技術的支持。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構

2.1基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系面臨的問題

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術被廣泛應用到醫(yī)療、物流、交通等行業(yè)中，對互聯(lián)網(wǎng)體系結構帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先，末梢網(wǎng)絡節(jié)電能力受到限制，通信方式多以無線為主，導致物聯(lián)網(wǎng)與末梢節(jié)點不支持互聯(lián)網(wǎng)技術與協(xié)議，這個時候就需要設計全新的通信體系；另外，并沒有針對物聯(lián)網(wǎng)的體系結構及核心技術，由于沒有全面考慮，各國相關學術界提出的技術及模型不能夠使用此場景，此場景信息的智能處理、傳輸、存儲及感知等方式都各不相同，體系內(nèi)部節(jié)點沒有辦法實現(xiàn)端到端的連接；其次，要想實現(xiàn)體系內(nèi)部節(jié)點端到端的連接，就要將不同的IP地址分配到通信節(jié)點內(nèi)部，物聯(lián)網(wǎng)在不斷發(fā)展的過程中導致節(jié)點對互聯(lián)網(wǎng)的地址提出大量需求，但是目前IPv4體系IP地址滿足不了其需求；最后，互聯(lián)網(wǎng)體系缺乏針對性的安全防御手段及支持無線通信的方式。

2.2基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構詳述

目前，世界中不同國家為物聯(lián)網(wǎng)制定了不同的標準，IEEE標準委員會在2000年12月份創(chuàng)立了802.15.4工作小組，其主要目標就是開發(fā)低速率的WPAN標準。

圖1為物聯(lián)網(wǎng)的一種應用場景模型，為了實現(xiàn)此模型，本文就以IETF體系結構為基礎，結合之前相關研究人員的成果，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)基礎的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構。此結構與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系結構在層次方面是一樣的，都包括五層，但是每個層都發(fā)生了相應的變化。圖2為具體的協(xié)議分層。

通過圖2可以看出來，節(jié)點進入到物聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)關實現(xiàn)的，物聯(lián)網(wǎng)中的物理層和鏈路層使用的是IEEE802.15.4標準。網(wǎng)絡層使用的是IPv6協(xié)議，網(wǎng)絡層的可選功能包括6LoWPAN和RPL。如果是普通網(wǎng)絡的終端，那么就不需要適配層。但是如果是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，就需要適配層。以網(wǎng)絡的實際需求為主，傳輸層要加載TCP/IP協(xié)議，以此滿足物聯(lián)網(wǎng)傳輸需求。應用層中使用的是能夠解決資源受限問題的CoAP協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關指的就是互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的雙協(xié)議棧網(wǎng)關，其主要功能就是使互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議數(shù)據(jù)能夠互相轉換。物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議棧結構與互聯(lián)網(wǎng)服務器的體系結構是一致的。如果物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的體系結構使用6LoQPAN適配層，網(wǎng)絡層要對數(shù)據(jù)封裝及解封裝進行特殊的處理。以數(shù)據(jù)封裝為例，圖3表示報文傳輸?shù)淖兓^程?！?】

報文在進行網(wǎng)絡層傳輸之前，其格式與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)是一致的，通過應用層對數(shù)據(jù)進行封裝，在通過傳輸層對數(shù)據(jù)進行分組，使其成為傳輸層報文；傳輸層報文在進入網(wǎng)絡層之后，配以源主機和目的主機兩者的報頭，將其壓縮成若干個壓縮報頭，并且使其形成載荷IP數(shù)據(jù)分組，接下來進入到鏈路層。鏈路層在通過MAC幀數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分組，配以目的主機、源主機兩者的幀頭及MAC地址，這就使其成為MAC數(shù)據(jù)幀。使MAC數(shù)據(jù)幀進入到物理層中，之后將其轉換為二進制數(shù)據(jù)流，通過傳輸介質，根據(jù)目的MAC地址傳輸?shù)街鳈C中。

目的主機另一側進行反方向過程，進行數(shù)據(jù)的解封裝。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構中的問題

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構在設計過程中要全面考慮兩種制約因素：其一為新體系結構中，物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡都是無線通信，節(jié)點資源受到限制；其二，為了有效降低互聯(lián)網(wǎng)性能受到末梢網(wǎng)絡的影響，以此降低互聯(lián)網(wǎng)功能及性能受到全新體系結構的影響。性能方面的主要問題就是設計有效的路由體系，使其能夠保障物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點實現(xiàn)端到端通信。為了能夠實現(xiàn)此目的，全新路由體系中要具有互聯(lián)網(wǎng)IPv6體系結構，針對末梢網(wǎng)絡設計具有可擴展性的層次路由。

節(jié)點能耗及資源的限制會使末梢網(wǎng)絡物理層及數(shù)據(jù)鏈路層兩者的信息傳輸受到限制，對傳統(tǒng)IPv6協(xié)議棧是不支持的，所以就要創(chuàng)建全新的IPv6協(xié)議棧。同樣，由于末梢網(wǎng)絡不支持互聯(lián)網(wǎng)技術和相應的安全策略，所以就要創(chuàng)建全新的安全方案和策略?！?】

4 結束語

隨著目前網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，人們對于物聯(lián)網(wǎng)也越來越重視。本文研究了物聯(lián)網(wǎng)的特點，并且分析了基于物聯(lián)網(wǎng)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構的設計。本文中下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)體系結構的歸一化，能夠兼容傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系，修改了末梢網(wǎng)絡中的各層。本文還淺析了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構中需要解決的問題，使互聯(lián)網(wǎng)技術與物聯(lián)網(wǎng)技術可持續(xù)發(fā)展。

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