物聯(lián)網(wǎng)的概念和架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出,。隨著技術(shù)和應用發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴展,，產(chǎn)生了新的認識——物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(wǎng)絡延伸,，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算,、處理和知識挖掘,，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫連接,，達到對物理世界實時控制,、精確管理和科學決策目的。
基于上述認識可以將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)劃分為三個層次,，包括感知層,、網(wǎng)絡層和應用層。感知層包括感知控制子層和通信延伸子層,，感知控制子層實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別,、信息采集處理和自動控制，通信延伸子層通過通信終端模塊直接或組成延伸網(wǎng)絡后將物理實體聯(lián)接到網(wǎng)絡層和應用層,。網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)信息的傳遞,、路由和控制，包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng),，網(wǎng)絡層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng),，也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡。應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應用,。應用基礎設施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應用提供信息處理,、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調(diào)用接口,，以此為基礎實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領域的各種應用,。
物聯(lián)網(wǎng)感知層IP技術(shù)路線的選擇
物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡層可以沿用現(xiàn)有的IP技術(shù)體系,，采用IP技術(shù)來承載,。而在感知層，從目前的技術(shù)發(fā)展來看,，可以采用兩種不同的技術(shù)路線,，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議,；另一種是IETF和IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟倡導的將IP技術(shù)向下延伸應用到感知延伸層,。顯然，采用IP技術(shù)路線,，將有助于實現(xiàn)端到端的業(yè)務部署和管理,，而且無需協(xié)議轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)與網(wǎng)絡層IP承載的無縫連接，簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),，同時廣泛基于 TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應用也能夠方便地移植，真正實現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡、無所不能的業(yè)務”,。
將IPv6技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決的一些關鍵問題
在物聯(lián)網(wǎng)感知層采用IP技術(shù),，要實現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”,，將需要大量的IP地址資源,，就目前可用的IPv4地址資源量來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求,，特別是在智能家電,、視頻監(jiān)控、汽車通信等應用的規(guī)模普及之后,，地址的需求會迅速膨脹,。而從目前可用的技術(shù)來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源,，滿足端到端的通信和管理需求,，同時提供地址自動配置功能和移動性管理機制，便于端節(jié)點的部署和提供永久在線業(yè)務,。但是由于感知層節(jié)點低功耗,、低存儲容量、低運算能力的特性,，以及受限于MAC層技術(shù)(IEEE802.15.4)特性,，不能直接將IPv6標準協(xié)議直接架構(gòu)在 IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協(xié)議層和MAC層之間引入適配層來屏蔽兩者之間的差異,。將IPv6技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決的一些關鍵問題,，包括：
1) IPv6報文過大，頭部負載過重,。必須采用分片技術(shù)將IPv6分組包適配到底層MAC幀中,，并且為了提高傳送的效率，需要引入頭部壓縮策略解決頭部過重問題,。
2)地址轉(zhuǎn)換,。需要相應的地址轉(zhuǎn)換機制來實現(xiàn)IPv6地址和IEEE802.15.4長、短MAC地址之間的轉(zhuǎn)換,。
4)報文泛濫,。必須調(diào)整IPv6的管理機制，以抑制IPv6網(wǎng)絡大量的網(wǎng)絡配置和管理報文,，適應802.15.4低速率網(wǎng)絡的需求,。
5) 輕量化IPv6協(xié)議。應針對IEEE802.15.4的特性確定保留或者改進哪些IPv6協(xié)議棧功能,，滿足嵌入式IPv6對功能,、體積、功耗和成本等的嚴格要求。
6)路由機制,。IPv6網(wǎng)絡使用的路由協(xié)議主要是基于距離矢量和基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議,。這兩類協(xié)議都需要周期性地交換信息來維護網(wǎng)絡正確的路由表或網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖。而在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡中采用傳統(tǒng)的IPv6路由協(xié)議,，由于節(jié)點從休眠到激活狀態(tài)的切換會造成拓撲變化比較頻繁,，導致控制信息將占用大量的無線信道資源，增加了節(jié)點的能耗,，從而降低網(wǎng)絡的生存周期,。因此需要對IPv6路由機制進行優(yōu)化改進，使其能夠在能量,、存儲和帶寬等資源受限條件下,，盡可能地延長網(wǎng)絡的生存周期，重點研究網(wǎng)絡拓撲控制技術(shù),、數(shù)據(jù)融合技術(shù),、多路徑技術(shù)、能量節(jié)省機制等,。
7)組播支持,。IEEE802.15.4的MAC子層只支持單播和廣播，不支持組播,。而IPv6組播是IPv6的一個重要特性,，在鄰居發(fā)現(xiàn)和地址自動配置等機制中，都需要鏈路層支持組播,。所以,，需要制定從IPv6層組播地址到MAC地址的映射機制，即在MAC層用單播或者廣播替代組播,。
8)網(wǎng)絡配置和管理,。由于網(wǎng)絡規(guī)模大，而一些設備的分布地點又是人員所不能達到的,，因此物聯(lián)網(wǎng)感知層的設備應具有一定的自動配置功能,，網(wǎng)絡應該具有自愈能力，要求網(wǎng)絡管理技術(shù)能夠在很低的開銷下管理高度密集分布的設備,。
IPv6技術(shù)是目前現(xiàn)實可行的下一代網(wǎng)絡演進技術(shù),，上述關鍵問題的解決將推動IPv6技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感知層的應用，加快物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用的部署,。
應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6技術(shù)標準化現(xiàn)狀
目前,，IETF主要有6LoWPAN、ROLL和Core工作組負責研究感知延伸層的IPv6應用和低功耗路由相關協(xié)議,。
6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN)工作組的研究重點為適配層,、路由,、 報頭壓縮、分片,、網(wǎng)絡接入和網(wǎng)絡管理等技術(shù),，目前已制定了6LoWPAN網(wǎng)絡框架和適配層格式的標準，現(xiàn)在重點關注的是報頭壓縮技術(shù),，以及針對感知層特點對IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行優(yōu)化。ROLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)主要討論低功耗網(wǎng)絡中的路由協(xié)議,，制定了各個場景的路由需求以及傳感器網(wǎng)絡的RPL(Routing Protocol for LLN)路由協(xié)議,。CoRE(Constrained Restful Environment)工作組主要討論資源受限網(wǎng)絡環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應用層協(xié)議(Constrained Application Protocol, CoAP),。
此外,，成立于2008年9月的IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也大力倡導將泛在網(wǎng)感知延伸層融合到IP技術(shù)體系中,。IPSO聯(lián)盟的目標是提供給用戶更多的有關智能物體和工業(yè)領域以及市場方面的信息,。目前該聯(lián)盟已發(fā)布了4個相關的白皮書，包括IP技術(shù)應用于智能物體,、輕量級的操作系統(tǒng),、6LoWPAN網(wǎng)絡標準以及智能物體網(wǎng)絡安全介紹。
小結(jié)
在未來物聯(lián)網(wǎng)應用中,，網(wǎng)絡將不再是被動地滿足用戶的需求,，而是要主動感知用戶場景的變化，并進行信息交互,，為用戶提供個性化的服務,。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)和業(yè)務的發(fā)展情況，結(jié)合終端設備對地址的大量需求,，以簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和端到端的業(yè)務管理為出發(fā)點,，考慮在相對封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應用IPv6技術(shù)，實現(xiàn)智能物體的泛在互連,，同時帶動整個IPv6產(chǎn)業(yè)的成熟,，為下一代互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署IPv6技術(shù)奠定基礎。
作者簡介：
馬軍鋒,，工業(yè)和信息化部電信研究院高級工程師,，長期從事IP網(wǎng)絡相關技術(shù)研究，主要研究方向包括承載網(wǎng)技術(shù),、IPv6技術(shù),、路由技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng),、移動互聯(lián)網(wǎng)等,。
張恒升,，工業(yè)和信息化部電信研究院工程師，從事IP網(wǎng)絡相關技術(shù)研究,，主要研究方向包括承載網(wǎng)技術(shù),、IPv6技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng),、音頻編解碼技術(shù)等,。