物聯網的概念和架構

　　物聯網(Internet of Things)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出。隨著技術和應用發展，物聯網內涵不斷擴展，產生了新的認識——物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、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網網絡架構劃分為三個層次，包括感知層、網絡層和應用層。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絡后將物理實體聯接到網絡層和應用層。網絡層主要實現信息的傳遞、路由和控制，包括接入網和核心網，網絡層可依托公眾電信網和互聯網，也可以依托行業專用通信網絡。應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯網應用。應用基礎設施/中間件為物聯網應用提供信息處理、計算等通用基礎服務設施、能力及資源調用接口，以此為基礎實現物聯網在眾多領域的各種應用。

　　物聯網感知層IP技術路線的選擇

　　物聯網體系架構中，網絡層可以沿用現有的IP技術體系，采用IP技術來承載。而在感知層，從目前的技術發展來看，可以采用兩種不同的技術路線，一種是非IP技術，如ZigBee產業聯盟開發的ZigBee協議；另一種是IETF和IPSO產業聯盟倡導的將IP技術向下延伸應用到感知延伸層。顯然，采用IP技術路線，將有助于實現端到端的業務部署和管理，而且無需協議轉換即可實現與網絡層IP承載的無縫連接，簡化網絡結構，同時廣泛基于 TCP/IP協議棧開發的互聯網應用也能夠方便地移植，真正實現“無處不在的網絡、無所不能的業務”。

　　將IPv6技術應用于物聯網感知層需要解決的一些關鍵問題

　　在物聯網感知層采用IP技術，要實現“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網需求，特別是在智能家電、視頻監控、汽車通信等應用的規模普及之后，地址的需求會迅速膨脹。而從目前可用的技術來看，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，便于端節點的部署和提供永久在線業務。但是由于感知層節點低功耗、低存儲容量、低運算能力的特性，以及受限于MAC層技術(IEEE802.15.4)特性，不能直接將IPv6標準協議直接架構在 IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協議層和MAC層之間引入適配層來屏蔽兩者之間的差異。將IPv6技術應用于物聯網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)地址轉換。需要相應的地址轉換機制來實現IPv6地址和IEEE802.15.4長、短MAC地址之間的轉換。

　　4)報文泛濫。必須調整IPv6的管理機制，以抑制IPv6網絡大量的網絡配置和管理報文，適應802.15.4低速率網絡的需求。

　　5) 輕量化IPv6協議。應針對IEEE802.15.4的特性確定保留或者改進哪些IPv6協議棧功能，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網絡使用的路由協議主要是基于距離矢量和基于鏈路狀態的路由協議。這兩類協議都需要周期性地交換信息來維護網絡正確的路由表或網絡拓撲結構圖。而在資源受限的物聯網感知層網絡中采用傳統的IPv6路由協議，由于節點從休眠到激活狀態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，增加了節點的能耗，從而降低網絡的生存周期。因此需要對IPv6路由機制進行優化改進，使其能夠在能量、存儲和帶寬等資源受限條件下，盡可能地延長網絡的生存周期，重點研究網絡拓撲控制技術、數據融合技術、多路徑技術、能量節省機制等。

　　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，在鄰居發現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)網絡配置和管理。由于網絡規模大，而一些設備的分布地點又是人員所不能達到的，因此物聯網感知層的設備應具有一定的自動配置功能，網絡應該具有自愈能力，要求網絡管理技術能夠在很低的開銷下管理高度密集分布的設備。

 　　IPv6技術是目前現實可行的下一代網絡演進技術，上述關鍵問題的解決將推動IPv6技術在物聯網感知層的應用，加快物聯網業務應用的部署。

　　應用于物聯網感知層的IPv6技術標準化現狀

　　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、網絡接入和網絡管理等技術，目前已制定了6LoWPAN網絡框架和適配層格式的標準，現在重點關注的是報頭壓縮技術，以及針對感知層特點對IPv6鄰居發現協議進行優化。ROLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)主要討論低功耗網絡中的路由協議，制定了各個場景的路由需求以及傳感器網絡的RPL(Routing Protocol for LLN)路由協議。CoRE(Constrained Restful Environment)工作組主要討論資源受限網絡環境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應用層協議(Constrained Application Protocol, CoAP)。

　　此外，成立于2008年9月的IPSO產業聯盟，也大力倡導將泛在網感知延伸層融合到IP技術體系中。IPSO聯盟的目標是提供給用戶更多的有關智能物體和工業領域以及市場方面的信息。目前該聯盟已發布了4個相關的白皮書，包括IP技術應用于智能物體、輕量級的操作系統、6LoWPAN網絡標準以及智能物體網絡安全介紹。

　　小結

　　在未來物聯網應用中，網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。根據現階段技術和業務的發展情況，結合終端設備對地址的大量需求，以簡化網絡結構和端到端的業務管理為出發點，考慮在相對封閉的物聯網中應用IPv6技術，實現智能物體的泛在互連，同時帶動整個IPv6產業的成熟，為下一代互聯網大規模部署IPv6技術奠定基礎。

　　作者簡介：

　　馬軍鋒，工業和信息化部電信研究院高級工程師，長期從事IP網絡相關技術研究，主要研究方向包括承載網技術、IPv6技術、路由技術、物聯網、移動互聯網等。

　　張恒升，工業和信息化部電信研究院工程師，從事IP網絡相關技術研究，主要研究方向包括承載網技術、IPv6技術、物聯網、音頻編解碼技術等。