物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

曹弘堅(jiān)

【摘 要】隨著目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(diǎn)，并且分析了基于物聯(lián)網(wǎng)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；下一代互聯(lián)網(wǎng)；體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，并且將實(shí)際工作及生活中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。我國對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(yīng)技術(shù)識(shí)別物理世界，使用網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)計(jì)算、處理及挖掘其中的知識(shí)，實(shí)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(jìn)行控制、管理及決策。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各行各業(yè)及生活中。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系發(fā)展現(xiàn)狀

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療、物流、交通等行業(yè)中，對互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先，末梢網(wǎng)絡(luò)節(jié)電能力受到限制，通信方式多以無線為主，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)與末梢節(jié)點(diǎn)不支持互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與協(xié)議，這個(gè)時(shí)候就需要設(shè)計(jì)全新的通信體系；另外，并沒有針對物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)，由于沒有全面考慮，各國相關(guān)學(xué)術(shù)界提出的技術(shù)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(chǔ)及感知等方式都各不相同，體系內(nèi)部節(jié)點(diǎn)沒有辦法實(shí)現(xiàn)端到端的連接；其次，要想實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)部節(jié)點(diǎn)端到端的連接，就要將不同的IP地址分配到通信節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，物聯(lián)網(wǎng)在不斷發(fā)展的過程中導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

為物聯(lián)網(wǎng)的一種應(yīng)用場景模型，為了實(shí)現(xiàn)此模型，本文就以IETF體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合之前相關(guān)研究人員的成果，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)在層次方面是一樣的，都包括五層，但是每個(gè)層都發(fā)生了相應(yīng)的變化。

節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)關(guān)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)層使用的是IPv6協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層的可選功能包括6LoWPAN和RPL。如果是普通網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，就需要適配層。以網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(yīng)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(guān)指的就是互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)，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(zhuǎn)換。物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)是一致的。如果物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)使用6LoQPAN適配層，網(wǎng)絡(luò)層要對數(shù)據(jù)封裝及解封裝進(jìn)行特殊的處理。以數(shù)據(jù)封裝為例，圖3表示報(bào)文傳輸?shù)淖兓^程。

報(bào)文在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層傳輸之前，其格式與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)是一致的，通過應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，在通過傳輸層對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，使其成為傳輸層報(bào)文；傳輸層報(bào)文在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層之后，配以源主機(jī)和目的主機(jī)兩者的報(bào)頭，將其壓縮成若干個(gè)壓縮報(bào)頭，并且使其形成載荷IP數(shù)據(jù)分組，接下來進(jìn)入到鏈路層。鏈路層在通過MAC幀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組，配以目的主機(jī)、源主機(jī)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(jìn)入到物理層中，之后將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，通過傳輸介質(zhì)，根據(jù)目的MAC地址傳輸?shù)街鳈C(jī)中。

目的主機(jī)另一側(cè)進(jìn)行反方向過程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解封裝。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究方向

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中要全面考慮兩種制約因素：其一為新體系結(jié)構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)末梢網(wǎng)絡(luò)都是無線通信，節(jié)點(diǎn)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(luò)的影響，以此降低互聯(lián)網(wǎng)功能及性能受到全新體系結(jié)構(gòu)的影響。性能方面的主要問題就是設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)端到端通信。為了能夠?qū)崿F(xiàn)此目的，全新路由體系中要具有互聯(lián)網(wǎng)IPv6體系結(jié)構(gòu)，針對末梢網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性的層次路由。

節(jié)點(diǎn)能耗及資源的限制會(huì)使末梢網(wǎng)絡(luò)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?jiǎng)?chuàng)建全新的IPv6協(xié)議棧。同樣，由于末梢網(wǎng)絡(luò)不支持互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和相應(yīng)的安全策略，所以就要?jiǎng)?chuàng)建全新的安全方案和策略。

4 結(jié)語

本文中下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)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(luò)中的各層。本文還淺析了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中需要解決的問題，使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]