高校智慧校園網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及IPv6的融合問題探討

◆覃德澤 李立信

高校智慧校園網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及IPv6的融合問題探討

◆覃德澤1李立信2

（1.賀州學院機械與電氣工程學院 廣西 542899；2.賀州學院教務(wù)處 廣西 542899）

隨著5G時代的加速到來，建立基于物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IPv6）的高校智慧校園網(wǎng)已成為必然發(fā)展趨勢。但是，物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及IPv6的結(jié)合及在校園網(wǎng)的應(yīng)用仍然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)亟待解決。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園網(wǎng)發(fā)展中面臨的困境，探討了在高校智慧校園中物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及IPv6的融合問題，為下一代高校智慧校園網(wǎng)建設(shè)提供一定的技術(shù)借鑒與思路。

智慧校園網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；5G；融合；探討

高校校園網(wǎng)的發(fā)展，經(jīng)歷了傳統(tǒng)校園、電子校園、數(shù)字校園和智慧校園四個階段[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及其在數(shù)字校園的應(yīng)用使校園網(wǎng)進入了智慧校園時代。近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用快速發(fā)展，高校智慧校園的建設(shè)不斷加快。利用智慧校園網(wǎng)，能夠有效實現(xiàn)消費、借還書、照明、交通、門禁、防盜、考勤等各方面的智能化管理，極大地方便廣大師生的日常生活及教學科研等活動，提高生活質(zhì)量和工作效率。但是，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園網(wǎng)的發(fā)展及應(yīng)用仍然存在不少局限性：其一是隨著高校各方面應(yīng)用需求的擴大和各種智能設(shè)備終端的不斷增加，使得連入校園物聯(lián)網(wǎng)的“物”數(shù)量越來越巨大，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)使用的IPv4協(xié)議由于IP地址短缺不能很好支持萬“物”互連的需求；其二是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和4G移動網(wǎng)絡(luò)，在傳輸速率、實時性等方面不能滿足未來智慧校園的要求；其三是隨著連入校園物聯(lián)網(wǎng)的各種“私有”設(shè)備的增多，“私有”信息在智慧校園傳輸?shù)陌踩珕栴}尤為重要，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和4G移動網(wǎng)絡(luò)不能滿足這種高安全性要求。

傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園網(wǎng)的各種缺陷，只有應(yīng)用5G、云計算及IPv6等近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)才能得到很好解決。目前，5G技術(shù)基本成熟，并開始進入商用階段。5G具有高速度、超低時延、大容量和寬帶等一系列比4G更優(yōu)良的特性。下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6也在快速發(fā)展，部分高校已開始部署與應(yīng)用。IPv6具有比IPv4更先進的一系列優(yōu)點，使用高達128位的地址空間，徹底解決了地址數(shù)量不足的問題，同時還增強了對端到端的連接、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等方面的支持。云計算技術(shù)在各領(lǐng)域均獲得了廣泛且良好的應(yīng)用。云計算具有強大的存儲能力、計算能力等一系列特性。但是，要把5G、IPv6和云計算有效地應(yīng)用到智慧校園網(wǎng)中，必須解決它們與物聯(lián)網(wǎng)及相互間的融合問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

根據(jù)高校的實際情況和需求，高校智慧校園網(wǎng)建設(shè)的主要工作是如何有效實現(xiàn)身份的智能識別與管理，教室和教學設(shè)備、實驗室和實驗設(shè)備、圖書館和圖書借還的智能監(jiān)控與管理，智能安防、水電與路燈的智能監(jiān)控與管理以及食堂就餐等消費的智能管理等，為師生的學習、工作、生活提供安全便捷高效的智能化服務(wù)。為了達到這些目的，就必須構(gòu)建校園物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)借助射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)、定位技術(shù)、激光掃描等傳感技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“物”與“物”的互連。在高校智慧校園的物聯(lián)網(wǎng)中，通常使用射頻識別技術(shù)，即RFID，實現(xiàn)各方面的智能化管理。通過將存儲有個人基本信息和個人資金信息的RFID電子標簽與手機卡綁定在一起，就能直接用手機刷卡實現(xiàn)身份的自動識別和智能消費[2]。身份識別通常用于校門進出、日常考勤等，智能消費包括食堂、水房、超市等的消費。將存儲有圖書基本信息（包括存放位置）的RFID電子標簽粘貼在對應(yīng)的書籍上，再借助讀卡器就能實現(xiàn)圖書借閱、歸還的智能管理；將存儲有教學儀器、實驗儀器等設(shè)備基本信息的RFID電子標簽貼在對應(yīng)的設(shè)備上，則能實現(xiàn)設(shè)備的智能化管理；利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭對汽車牌照拍照，通過RFID和數(shù)據(jù)庫技術(shù)可實現(xiàn)車輛的自動識別及進出校門控制[3]。

通過光線傳感器和控制器可自動調(diào)節(jié)路燈、教室燈光明暗程度，實現(xiàn)節(jié)能及環(huán)保舒適的目的。通過攝像頭和紅外傳感器，可對實驗樓、辦公樓、宿舍區(qū)、圖書館、保密室等重點地方進行安全監(jiān)控和自動報警等[4]。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用。

2 5G與物聯(lián)網(wǎng)的融合

未來的高校智慧校園網(wǎng)，將有龐大的智能終端設(shè)備連入，如各種智能傳感器和智能手機等，大量的感知層數(shù)據(jù)和用戶端數(shù)據(jù)需要通過校園有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送到學校數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用中心。當前的4G網(wǎng)絡(luò)或WiFi無線網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、延時、容量上均不能滿足未來智慧校園網(wǎng)的要求，當大量數(shù)據(jù)傳輸時，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞及延時。

5G與物聯(lián)網(wǎng)的融合是解決上述問題的有效途徑。

第一，5G與Wi-Fi相比較具有非常明顯的優(yōu)勢。Wi-Fi設(shè)計目標只針對比較簡單的無線局域網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮大數(shù)量用戶同時使用時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障問題，通常用于一定局域內(nèi)的物物通信、點對點視頻流傳送等場合；Wi-Fi使用的是非授權(quán)頻率，容易受到各方面的干擾；Wi-Fi缺乏有效的安全機制，信息容易被人竊聽或盜取。5G支持的覆蓋范圍可以是局域也可以是廣域；同時還增強了對大量連接能力、服務(wù)質(zhì)量保障能力和切片技術(shù)的支持[5]。通過5G的切片技術(shù)，可以把每個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分割成互不影響的各個獨立局域網(wǎng)，增強了信息傳播的安全性[6]。

第二，5G與4G相比較具有一系列先進性。5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率比4G網(wǎng)絡(luò)有很大提高，快10～100 倍，峰值速率能達到10 Gbit/s，4G網(wǎng)絡(luò)2分鐘的下載量5G網(wǎng)絡(luò)1秒就能完成[7]；5G網(wǎng)絡(luò)的時延可降到4G的五十分之一，4G網(wǎng)絡(luò)時延高達50ms，5G網(wǎng)絡(luò)可低至1ms；5G網(wǎng)絡(luò)在容量上也有很大提升，1在每平方公里范圍內(nèi)支持100萬臺設(shè)備的接入[8]。因此，智慧校園網(wǎng)應(yīng)用5G技術(shù)后，速率、延時、容量的問題即可迎刃而解。

高校是教學、科研的重要場所，校園物聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很大部分具有“私密”性，需要安全可靠傳輸，5G通過增加對無線空口安全與網(wǎng)絡(luò)等安全機制的支持和采用多種數(shù)據(jù)加密等方式[9]，比4G更安全更可靠。因此，融入5G技術(shù)后的高校智慧校園網(wǎng)，傳輸用戶私密信息的安全性將得到更大保障。

3 IPv6與物聯(lián)網(wǎng)的融合

為了解決未來智慧校園物聯(lián)網(wǎng)龐大的智能終端設(shè)備地址問題，必須使用IPv6協(xié)議。IPv4使用32位二進制編排地址，大約有43億個IP地址，隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模、用戶和應(yīng)用的快速增長，其地址近些年已經(jīng)耗盡。IANA（互聯(lián)網(wǎng)地址指派機構(gòu)）在2011 年就宣布了全球IPv4 地址池已全部耗盡，我國在2013 年也宣布了IPv4 地址已經(jīng)用完[10]。好在人們對IP地址緊缺的趨勢早有預料。在1994年11月，以RFCl752為標準草案產(chǎn)生的IPv6協(xié)議，即下一代IP協(xié)議，使用了128位的二進制編排地址，其龐大的地址空間，甚至可為地球上每一粒砂都分配一個IP地址。因此，IPv6協(xié)議徹底地解決了IP地址短缺問題，滿足萬物互聯(lián)的無限網(wǎng)址要求。

IPv6除了徹底地解決地址問題外，還具有比IPv4更快的傳輸速度。IPv6 使用更簡短而且固定的報頭，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率更高；同時，IPv6通過減少路由表規(guī)模，增強聚合能力等方式，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的路徑大大縮短，也極大地提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率[11]。另外，IPv6增強了移動終端的移動特性、安全特性和路由特性，使大量的手機等移動設(shè)備可以方便、靈活、安全地連入智慧校園物聯(lián)網(wǎng)，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的難度和投資。

IPv6能進一步保證智慧校園網(wǎng)的安全。為了緩解地址短缺，IPv4采用了NAT等技術(shù)，但會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性安全問題，即真實源地址不能追溯或驗證，產(chǎn)生安全隱患，容易給黑客攻擊、惡意入侵和網(wǎng)絡(luò)詐騙等行為有可乘之機。IETF于2008年6月發(fā)布了互聯(lián)網(wǎng)標準RFC5210，即“基于真實IPv6源地址的網(wǎng)絡(luò)尋址體系結(jié)構(gòu)”，使用該標準中的“真實源地址驗證技術(shù)”即可徹底地解決現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)性安全問題[12]。

4 云計算與物聯(lián)網(wǎng)的融合

未來高校智慧校園網(wǎng)將是一個龐大的復雜系統(tǒng)，在構(gòu)建智慧校園網(wǎng)的過程中，不得不考慮基礎(chǔ)設(shè)施與軟硬件的投入與運行成本、數(shù)據(jù)運行的效率及安全、數(shù)據(jù)存儲的便利及可靠等一系列問題。解決這些問題的有效方法是利用云計算技術(shù)搭建云計算服務(wù)平臺，把云計算與校園物聯(lián)網(wǎng)有機融合。

云計算是一個劃時代的新的計算模式。其最顯著特點是具有超強的計算能力和存儲能力。同時還具有高可靠性、通用性、可擴展性和按需服務(wù)等一系列特點。用戶花費較少的資金即可享受到尤如“超級計算機”一樣的服務(wù)。把云計算技術(shù)應(yīng)用到智慧校園中，將學校各種數(shù)據(jù)資料存儲于“云端”，需要時隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)訪問和讀??；用戶使用的應(yīng)用軟件也在“云端”運行，只要付費即可，數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件的維護與管理等以往需要用戶直接參與的工作交由服務(wù)提供商負責，大大降低了對用戶端智能設(shè)備的存儲與處理等能力的要求，極大地節(jié)省了用戶端的人力、物力與財力，也極大地提高了數(shù)據(jù)的處理與管理效率。

高校智慧校園物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用云計算服務(wù)時，主要是通過IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）服務(wù)模式，將連入物聯(lián)網(wǎng)的龐大用戶和各種智能終端設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息送到“云端”存儲與處理；通過PaaS (平臺即服務(wù))服務(wù)模式，將物聯(lián)網(wǎng)的通用資源網(wǎng)絡(luò)平臺、標準化和通用化的接口和平臺提供給用戶[13]。

5 融合中的技術(shù)問題分析

未來高校智慧校園網(wǎng)，必然是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G移動通信技術(shù)、下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IPv6）、云計算技術(shù)等融合的龐大復雜系統(tǒng)。融入這些新技術(shù)后的智慧校園網(wǎng)可以稱為下一代智慧校園網(wǎng)。但這些新技術(shù)間的相互融合需要解決一些技術(shù)問題，主要有兩個方面：第一，IPv6與物聯(lián)網(wǎng)融合存在的問題。物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線低速個域網(wǎng)（Low-rate Wireless Personal Area Network，LR_WPAN），無線低速個域網(wǎng)靠IEEE802.15.4協(xié)議完成通信，由于IPv6協(xié)議與IEEE802.15.4協(xié)議的異構(gòu)性，IPv6數(shù)據(jù)包不能通過IEEE802.15.4網(wǎng)傳輸，必須借助6LoWPAN（IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network）適配技術(shù)才能實現(xiàn)這兩種類型不同的協(xié)議間通信，才能保證連入物聯(lián)網(wǎng)的各種智能終端設(shè)備可分配到合法的全球唯一的IPv6地址。針對IPv6在智慧校園物聯(lián)網(wǎng)的融合與應(yīng)用問題，一些學者進行了深入研究，取得了一定的研究成果。如高友勝等人在基于6LoWPAN的IPv6智慧校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計方面取得了一定成果，通過仿真軟件設(shè)計實現(xiàn)了基于6LoWPAN的智慧校園網(wǎng)絡(luò)[14]。第二，5G與IPv6融合存在的問題。IPv6 協(xié)議將是 5G 網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議，下一代智慧校園網(wǎng)中同時應(yīng)用5G 和 IPv6是必然要求和趨勢。把5G和IPv6結(jié)合起來，除了能夠?qū)崿F(xiàn)每個智能終端設(shè)備都有專屬地址外，還能實現(xiàn)超快的網(wǎng)速。但是要實現(xiàn)兩者的有效融合，仍然存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)亟待解決。如5G 網(wǎng)絡(luò)下 IPv6 的體系架構(gòu)如何設(shè)計以及IPv4到IPv6過渡技術(shù)、 IPv6的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)部署策略、網(wǎng)絡(luò)安全等問題等都需要進一步研究。任勇毛等人在5G 網(wǎng)絡(luò) IPv6 協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了一定的成果[11]。

6 總結(jié)與展望

雖然高校智慧校園網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算及IPv6的融合研究取得了一定成果，但有關(guān)融合的問題還沒有完全徹底地解決。隨著5G時代的快速到來，加快研究融合問題已成為當務(wù)之急。期待不久的將來，隨著這些問題的解決，下一代高校智慧校園網(wǎng)能得以實現(xiàn)與應(yīng)用。

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賀州市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（賀科轉(zhuǎn)1707040）。