高校智慧校園網中物聯網、5G、云計算及IPv6的融合問題探討

◆覃德澤 李立信

高校智慧校園網中物聯網、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.賀州學院教務處 廣西 542899）

隨著5G時代的加速到來，建立基于物聯網、5G、云計算及下一代互聯網技術（IPv6）的高校智慧校園網已成為必然發展趨勢。但是，物聯網、5G、云計算及IPv6的結合及在校園網的應用仍然存在很多技術挑戰亟待解決。本文分析了物聯網在智慧校園網發展中面臨的困境，探討了在高校智慧校園中物聯網、5G、云計算及IPv6的融合問題，為下一代高校智慧校園網建設提供一定的技術借鑒與思路。

智慧校園網；物聯網；5G；融合；探討

高校校園網的發展，經歷了傳統校園、電子校園、數字校園和智慧校園四個階段[1]。物聯網技術的發展及其在數字校園的應用使校園網進入了智慧校園時代。近些年，物聯網技術及應用快速發展，高校智慧校園的建設不斷加快。利用智慧校園網，能夠有效實現消費、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，提高生活質量和工作效率。但是，基于物聯網技術的智慧校園網的發展及應用仍然存在不少局限性：其一是隨著高校各方面應用需求的擴大和各種智能設備終端的不斷增加，使得連入校園物聯網的“物”數量越來越巨大，傳統互聯網使用的IPv4協議由于IP地址短缺不能很好支持萬“物”互連的需求；其二是傳統互聯網、無線網絡和4G移動網絡，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網的各種“私有”設備的增多，“私有”信息在智慧校園傳輸的安全問題尤為重要，傳統互聯網、無線網絡和4G移動網絡不能滿足這種高安全性要求。

傳統的基于物聯網技術的智慧校園網的各種缺陷，只有應用5G、云計算及IPv6等近幾年才發展起來的新技術才能得到很好解決。目前，5G技術基本成熟，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更優良的特性。下一代互聯網IPv6也在快速發展，部分高校已開始部署與應用。IPv6具有比IPv4更先進的一系列優點，使用高達128位的地址空間，徹底解決了地址數量不足的問題，同時還增強了對端到端的連接、服務質量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等方面的支持。云計算技術在各領域均獲得了廣泛且良好的應用。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和云計算有效地應用到智慧校園網中，必須解決它們與物聯網及相互間的融合問題。

1 物聯網在智慧校園網建設中的應用

根據高校的實際情況和需求，高校智慧校園網建設的主要工作是如何有效實現身份的智能識別與管理，教室和教學設備、實驗室和實驗設備、圖書館和圖書借還的智能監控與管理，智能安防、水電與路燈的智能監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。為了達到這些目的，就必須構建校園物聯網。

物聯網借助射頻識別（RFID）、紅外感應、定位技術、激光掃描等傳感技術，通過互聯網實現“物”與“物”的互連。在高校智慧校園的物聯網中，通常使用射頻識別技術，即RFID，實現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?？记诘?，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的書籍上，再借助讀卡器就能實現圖書借閱、歸還的智能管理；將存儲有教學儀器、實驗儀器等設備基本信息的RFID電子標簽貼在對應的設備上，則能實現設備的智能化管理；利用網絡攝像頭對汽車牌照拍照，通過RFID和數據庫技術可實現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節路燈、教室燈光明暗程度，實現節能及環保舒適的目的。通過攝像頭和紅外傳感器，可對實驗樓、辦公樓、宿舍區、圖書館、保密室等重點地方進行安全監控和自動報警等[4]。因此，物聯網技術在智慧校園網建設中發揮了基礎性作用。

2 5G與物聯網的融合

未來的高校智慧校園網，將有龐大的智能終端設備連入，如各種智能傳感器和智能手機等，大量的感知層數據和用戶端數據需要通過校園有線或無線網絡傳送到學校數據管理與應用中心。當前的4G網絡或WiFi無線網絡在傳輸速率、延時、容量上均不能滿足未來智慧校園網的要求，當大量數據傳輸時，容易發生網絡堵塞及延時。

5G與物聯網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勢。Wi-Fi設計目標只針對比較簡單的無線局域網絡，沒有考慮大數量用戶同時使用時網絡服務質量保障問題，通常用于一定局域內的物物通信、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、服務質量保障能力和切片技術的支持[5]。通過5G的切片技術，可以把每個物聯網應用分割成互不影響的各個獨立局域網，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網絡的傳輸速率比4G網絡有很大提高，快10～100 倍，峰值速率能達到10 Gbit/s，4G網絡2分鐘的下載量5G網絡1秒就能完成[7]；5G網絡的時延可降到4G的五十分之一，4G網絡時延高達50ms，5G網絡可低至1ms；5G網絡在容量上也有很大提升，1在每平方公里范圍內支持100萬臺設備的接入[8]。因此，智慧校園網應用5G技術后，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，校園物聯網上傳輸的數據很大部分具有“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絡等安全機制的支持和采用多種數據加密等方式[9]，比4G更安全更可靠。因此，融入5G技術后的高校智慧校園網，傳輸用戶私密信息的安全性將得到更大保障。

3 IPv6與物聯網的融合

為了解決未來智慧校園物聯網龐大的智能終端設備地址問題，必須使用IPv6協議。IPv4使用32位二進制編排地址，大約有43億個IP地址，隨著互聯網規模、用戶和應用的快速增長，其地址近些年已經耗盡。IANA（互聯網地址指派機構）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為標準草案產生的IPv6協議，即下一代IP協議，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協議徹底地解決了IP地址短缺問題，滿足萬物互聯的無限網址要求。

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，使網絡數據轉發的效率更高；同時，IPv6通過減少路由表規模，增強聚合能力等方式，使數據轉發的路徑大大縮短，也極大地提高了轉發效率[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備可以方便、靈活、安全地連入智慧校園物聯網，降低了網絡部署的難度和投資。

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

4 云計算與物聯網的融合

未來高校智慧校園網將是一個龐大的復雜系統，在構建智慧校園網的過程中，不得不考慮基礎設施與軟硬件的投入與運行成本、數據運行的效率及安全、數據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搭建云計算服務平臺，把云計算與校園物聯網有機融合。

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。把云計算技術應用到智慧校園中，將學校各種數據資料存儲于“云端”，需要時隨時隨地通過互聯網訪問和讀??；用戶使用的應用軟件也在“云端”運行，只要付費即可，數據和應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提供商負責，大大降低了對用戶端智能設備的存儲與處理等能力的要求，極大地節省了用戶端的人力、物力與財力，也極大地提高了數據的處理與管理效率。

高校智慧校園物聯網具體應用云計算服務時，主要是通過IaaS（基礎設施即服務）服務模式，將連入物聯網的龐大用戶和各種智能終端設備產生的海量數據信息送到“云端”存儲與處理；通過PaaS (平臺即服務)服務模式，將物聯網的通用資源網絡平臺、標準化和通用化的接口和平臺提供給用戶[13]。

5 融合中的技術問題分析

未來高校智慧校園網，必然是物聯網技術、5G移動通信技術、下一代互聯網技術（IPv6）、云計算技術等融合的龐大復雜系統。融入這些新技術后的智慧校園網可以稱為下一代智慧校園網。但這些新技術間的相互融合需要解決一些技術問題，主要有兩個方面：第一，IPv6與物聯網融合存在的問題。物聯網中的無線傳感器網絡是無線低速個域網（Low-rate Wireless Personal Area Network，LR_WPAN），無線低速個域網靠IEEE802.15.4協議完成通信，由于IPv6協議與IEEE802.15.4協議的異構性，IPv6數據包不能通過IEEE802.15.4網傳輸，必須借助6LoWPAN（IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network）適配技術才能實現這兩種類型不同的協議間通信，才能保證連入物聯網的各種智能終端設備可分配到合法的全球唯一的IPv6地址。針對IPv6在智慧校園物聯網的融合與應用問題，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智慧校園物聯網系統的研究與設計方面取得了一定成果，通過仿真軟件設計實現了基于6LoWPAN的智慧校園網絡[14]。第二，5G與IPv6融合存在的問題。IPv6 協議將是 5G 網絡的核心協議，下一代智慧校園網中同時應用5G 和 IPv6是必然要求和趨勢。把5G和IPv6結合起來，除了能夠實現每個智能終端設備都有專屬地址外，還能實現超快的網速。但是要實現兩者的有效融合，仍然存在很多技術挑戰亟待解決。如5G 網絡下 IPv6 的體系架構如何設計以及IPv4到IPv6過渡技術、 IPv6的核心網和接入網部署策略、網絡安全等問題等都需要進一步研究。任勇毛等人在5G 網絡 IPv6 協議關鍵技術研究方面已經取得了一定的成果[11]。

6 總結與展望

雖然高校智慧校園網中物聯網、5G、云計算及IPv6的融合研究取得了一定成果，但有關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能得以實現與應用。

[1]徐玉妃，楊昆，袁凌云，羅毅.基于物聯網的智慧校園建設與研究—以云南師范大學為例[J].云南師范大學學報（自然科學版，2016，36（1）:47-52.

[2]陳佳.物聯網技術在智慧校園建設中的應用[J].齊齊哈爾師范高等?？茖W校學報，2018（2）:80-81.

[3]龐燕芳.RFID 技術在智慧校園建設中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（13）:69-70.

[4]張剛.“互聯網＋”背景下智慧校園建設問題及關鍵環節研究[J].技術平臺，2017（12）:56-59.

[5]李海丹.對話中國移動研究院副院長黃宇紅：5G會取代WiFi的地位嗎？[Z].https://tech.qq.com/a/20190605/000343.htm,2019-06-05.

[6]管理員.物聯網和5G改變社會[Z]. http://www.zwtech.com.cn/news/html/560.html,2018-09-04.

[7]李能.5G的到來給物聯網的發展帶來新機遇[J].計算機與網絡，2018（17）:48-49.

[8]沈臻懿.5G時代的科技體驗[J].檢察風云，2019（4）:32-33.

[9]左培良，王建平，唐天德.5G 通信技術背景下物聯網應用發展窺探[J].無線互聯科技，2019（4）:11-12.

[10]牛凱廷.IPv4向IPv6 過渡技術分析[J].計算機與網絡，2015（8）:35-37,62.

[11]任勇毛，儲華珍，周旭，范鵬飛，李靈玲.5G網絡IPv6 協議關鍵技術研究[J].科研信息化技術與應用，2018，9（1）:13-22.

[12]何立民.5G+IPv6成就物聯網應用大時代[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（4）:前插1.

[13]夏王霞，孟偉波.云計算在物聯網中應用[J].科技視界，2019（9）:62-63.

[14]高友勝.基于6LoWPAN的IPv6智慧校園物聯網系統的研究與設計[D].云南師范大學:信息學院，2017.

賀州市科學研究與技術開發計劃項目（賀科轉1707040）。