物聯(lián)網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的層次定位及其構(gòu)建的研究

引言

2011年在中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中，從功能角度抽取了物聯(lián)網(wǎng)體系的基本特征，提出了包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)的三層參考框架的架構(gòu)叫隨后，該框架被納入到了我國(guó)工業(yè)和信息化部2012年第70號(hào)公告批準(zhǔn)的、名稱為《物聯(lián)網(wǎng)總體框架與技術(shù)要求》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)：YD/T2437-2012)。該標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)總體框架，從下到上依次為三層，感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺(tái)，包括支持對(duì)大信息量的存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)平臺(tái)和屏蔽核心網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和具體實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)。而將所包括的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)的能力分離成兩部分：運(yùn)營(yíng)管理能力和數(shù)據(jù)通道能力。其中，運(yùn)營(yíng)管理能力體現(xiàn)控制數(shù)據(jù)流的規(guī)則和邏輯，涉及終端管理、應(yīng)用接入管理等；數(shù)據(jù)通道能力包括具體數(shù)據(jù)傳送通道的選擇、適配等，展現(xiàn)數(shù)據(jù)流處理過(guò)程。在理論上，這種設(shè)計(jì)思想，體現(xiàn)了邏輯控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的分離。按照該架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)管理和配置操作可以獲得分層各自獨(dú)立開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用更新的部署，實(shí)現(xiàn)了高層控制邏輯的健壯性，有利于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。但是，我們也必須看出，該架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)概要，基于當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)發(fā)還多處于閉環(huán)狀態(tài)，造成重復(fù)建設(shè)和孤島應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的涉及范圍還在逐漸擴(kuò)大，目前尚缺乏較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的部署經(jīng)驗(yàn)，因此,該標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)還將面臨一些新的挑戰(zhàn)。例如，業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)能力的分離，關(guān)鍵在于屏蔽核心網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和具體業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn),只有這樣，邏輯控制才能從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中剝離開(kāi)來(lái)去體現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)管理能力。該架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有提及怎樣實(shí)現(xiàn)有關(guān)這些內(nèi)容的細(xì)節(jié)或途徑，這就是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，也是本文所要研究的內(nèi)容。

上述一切的實(shí)現(xiàn)，不妨借鑒互聯(lián)網(wǎng)解決類似問(wèn)題的原則：只在端點(diǎn)涉及復(fù)雜性，而在網(wǎng)絡(luò)中保持的技術(shù)非常簡(jiǎn)單，即“端到端”的原則叫針對(duì)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨的僵化問(wèn)題(OssificationProblem)，解決方案之一是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)(VirtualNetwork)來(lái)滿足多樣化應(yīng)用的需求叫基于文獻(xiàn)的觀點(diǎn)，本文認(rèn)為虛擬化的覆蓋網(wǎng)絡(luò)(OverlayNetwork)的構(gòu)建是獲得上述問(wèn)題解決的一個(gè)較好的途徑。

1物聯(lián)網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的層次定位

覆蓋網(wǎng)絡(luò)是在另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頂上創(chuàng)建一個(gè)虛擬拓?fù)涞奶摂M計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其目的是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源的結(jié)構(gòu)和分布的基礎(chǔ)上，把網(wǎng)絡(luò)資源的分配與管理抽象出來(lái)，提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造與特定技術(shù)、特定層次無(wú)關(guān)，通過(guò)在一個(gè)或者多個(gè)已存在網(wǎng)絡(luò)之上增加一個(gè)額外的、間接的、虛擬的網(wǎng)絡(luò)層，配置下層網(wǎng)絡(luò)部分領(lǐng)域中的一些資源來(lái)滿足應(yīng)用的需求。本文的工作就是提出為在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YD/T2437-2012的物聯(lián)網(wǎng)總體框架構(gòu)建一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)總體框架從下到上依次為三層，感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層。其中感知延伸層部件包括物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點(diǎn)、感知延伸網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層部件包括核心網(wǎng)絡(luò)(通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng))、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺(tái)；應(yīng)用層包括各種具體應(yīng)用。這個(gè)額外增加的覆蓋網(wǎng)絡(luò)只能在網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層的應(yīng)用支撐管理平臺(tái)與應(yīng)用層之間。如果嚴(yán)格遵循三層框架，那么，這個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)到底是定位在網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層還是定位到應(yīng)用層呢？

在工業(yè)和信息化部電信研究院中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中，與YD/T2437-2012標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐管理平臺(tái)相關(guān)的內(nèi)容的層次定位，幫助了我們。注意到2011年的物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中的應(yīng)用層體系包括應(yīng)用層架構(gòu)、信息智能處理技術(shù)。并且指出，應(yīng)用層架構(gòu)是面向?qū)ο蟮姆?wù)架構(gòu)，包括面向上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的流程管理、業(yè)務(wù)流程之間的通信協(xié)議、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；信息智能處理類技術(shù)包括虛擬化架構(gòu)（資源管理與控制）等。2013年的物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中應(yīng)用層主要包括物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用子層。并且指出，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層技術(shù)包括支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通，面向服務(wù)的架構(gòu)的技術(shù)和服務(wù)支撐技術(shù)等。就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)資源的抽象和封裝，來(lái)屏蔽核心網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和具體實(shí)現(xiàn)。

基于面向?qū)ο蟮姆?wù)架構(gòu)，虛擬化資源管理與控制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施與提供適配服務(wù)的功能的分離，是安排在應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，在傳統(tǒng)P2P網(wǎng)絡(luò)中，覆蓋網(wǎng)絡(luò)也都是構(gòu)造在應(yīng)用層上的，可以看作是應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)冏。所以，增加的覆蓋網(wǎng)絡(luò)子層可以定位在YD/T2437-2012的物聯(lián)網(wǎng)總體框架的應(yīng)用層中，圖1所示是含覆蓋網(wǎng)絡(luò)子層的物聯(lián)網(wǎng)通用分層模型。

2物聯(lián)網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YD/T2437-2012的體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)虛擬化涉及網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的覆蓋網(wǎng)絡(luò)子層。在這里，網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中包括許多異構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施資源的物理節(jié)點(diǎn),它們是由物理路徑連接起來(lái)的。覆蓋網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)虛擬化技術(shù)構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層之上的虛擬網(wǎng)絡(luò)，它是由虛擬節(jié)點(diǎn)通過(guò)虛擬鏈路連接構(gòu)成的。覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，要有一個(gè)將一個(gè)具有虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路約束的覆蓋網(wǎng)絡(luò)映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的過(guò)程的映射方案，其中虛擬節(jié)點(diǎn)映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的物理節(jié)點(diǎn)上，虛擬鏈路映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的物理路徑上，而且滿足覆蓋網(wǎng)絡(luò)中虛擬節(jié)點(diǎn)和虛擬鏈路對(duì)資源需求的約束。從而使得覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的虛擬節(jié)點(diǎn)及其被連接虛擬鏈路，可能對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的物理節(jié)點(diǎn)及其被連接的多個(gè)物理鏈路中的一個(gè)路徑，圖2所示是覆蓋網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層的映射示意圖。

具體的說(shuō)，覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建的過(guò)程涉及虛擬節(jié)點(diǎn)的選擇和虛擬鏈路的確定。虛擬節(jié)點(diǎn)的選擇就是要求覆蓋網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)都能映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的一個(gè)物理節(jié)點(diǎn),同時(shí)該物理節(jié)點(diǎn)所分配的資源能滿足虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)用的需求。虛擬鏈路的確定就是要求覆蓋網(wǎng)絡(luò)的每條虛擬鏈路都能映射到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層中的一條或多條物理路徑上，同時(shí)該物理路徑的兩個(gè)端點(diǎn)都能與對(duì)應(yīng)的虛擬鏈路的兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YD/T2437-2012的體系結(jié)構(gòu)中，虛擬節(jié)點(diǎn)的選擇涉及網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層物理節(jié)點(diǎn)可，分為：參考點(diǎn)1叭參考點(diǎn)la”終端和參考點(diǎn)la”網(wǎng)關(guān)三類，參看圖1。虛擬鏈路的確定依賴這三類物理節(jié)點(diǎn)（參考點(diǎn)la'、參考點(diǎn)la”終端和參考點(diǎn)Ia''網(wǎng)關(guān)）各自的功能形成彼此之間相連接的物理路徑。

2.1參考點(diǎn)la'

參考點(diǎn)la'是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層和應(yīng)用支撐管理平臺(tái)之間的參考點(diǎn)，依賴網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)層的核心網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)可以具有多種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，可以是現(xiàn)有公眾網(wǎng)絡(luò)，如移動(dòng)網(wǎng)、固定網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，也可以是各種政府和企業(yè)等專用網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)絡(luò)能提供網(wǎng)絡(luò)控制功能、業(yè)務(wù)控制功能、互聯(lián)互通功能、移動(dòng)性管理等功能。參考點(diǎn)la'在核心網(wǎng)絡(luò)提供了網(wǎng)絡(luò)連接能力基礎(chǔ)上，支撐物聯(lián)網(wǎng)信息的雙向傳遞和控制，支持應(yīng)用支撐管理平臺(tái)與應(yīng)用層之間的交互。此外，參考點(diǎn)la'通過(guò)應(yīng)用支撐管理平臺(tái)能與感知延伸層的有關(guān)的節(jié)點(diǎn)相交互。

2.2參考點(diǎn)la”終端

參考點(diǎn)la''終端是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層和物聯(lián)網(wǎng)終端之間的參考點(diǎn)。通過(guò)該參考點(diǎn)，應(yīng)用層可以從感知延伸層節(jié)點(diǎn)讀取信息，或者向感知延伸層節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入信息。應(yīng)用層還可以通過(guò)該參考點(diǎn)請(qǐng)求感知延伸層的節(jié)點(diǎn)或該層節(jié)點(diǎn)組成的群組執(zhí)行某個(gè)特定的任務(wù)，如激活某個(gè)傳感器。

2.3參考點(diǎn)Ia''網(wǎng)關(guān)

參考點(diǎn)la''網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層和物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)之間的參考點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)端節(jié)點(diǎn)以接入網(wǎng)關(guān)為中繼連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層。某些感知延伸層節(jié)點(diǎn)可能只具有近距離通信功能，為了連接到網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)層，此時(shí)需要通過(guò)感知延伸網(wǎng)和接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)到廣域網(wǎng)的接入，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的匯聚和信息的匯聚，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接和相應(yīng)的管理等。

3結(jié)語(yǔ)

在論證覆蓋網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)的層次定位之后，結(jié)合YD/T2437-2012標(biāo)準(zhǔn)，給出了構(gòu)建覆蓋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)概要。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面臨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境、海量的共享數(shù)據(jù)空間、傳感器與執(zhí)行器共存于基層的設(shè)備。因此，應(yīng)用的開(kāi)發(fā)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的提供至少有三點(diǎn)要求：（1）分布性、自發(fā)性和自適應(yīng)性的智能化的設(shè)備，（2）統(tǒng)一抽象和描述的資源虛擬化的操作平臺(tái)，（3）承載上下文變化信息的來(lái)滿足用戶的需求推理機(jī)制。物聯(lián)網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建為達(dá)到這些要求創(chuàng)造了條件。這也將導(dǎo)致對(duì)于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步的研究。

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