面向IP体系演进的物联网异构网络融合架构

梁东杰　陈艳格　张志立

（1.许昌市科学技术情报研究所，河南　许昌　461000；2.许昌学院，河南　许昌　461000）

面向IP体系演进的物联网异构网络融合架构

梁东杰1陈艳格2张志立2

（1.许昌市科学技术情报研究所，河南许昌461000；2.许昌学院，河南许昌461000）

目前一些组织已经提出融合物联网的下一代互联网架构，但是针对下一代互联网及传感器网络的不断演变，还没有对IP体系演进的物联网进行较系统的研究。基于此，提出不同阶段具有兼容性、扩展性、自适应性、全面性的融合互联网的物联网网络融合架构模型，在尽量减少传统互联网设备更换的基础上，实现异构网络和互联网的融合架构，解决网络不断发生变化及不同应用场景下网络融合架构问题。

物联网；传感器；异构网络；网络融合

物联网是在无线传感器网络基础上，发展形成的一种融合互联网、无线传感器网络、移动通信网络以及其他通信技术的网络，是在互联网基础上延伸的智能化网络。物联网是未来网络信息技术和产业竞争的制高点，近年来引起了世界各国政府的普遍重视，我国政府也高度重视物联网发展。但短期内，物联网产业仍处于起步阶段，关键技术研发和商业模式探索成为首要问题［1］。物联网在内的各种网络应用需要大量的互联网地址，随着IPv4地址的耗尽，IPv6开始进入到实质性部署阶段。目前，IPv4向IPv6的全面转换已经提上日程。因此，加快推进下一代互联网和物联网的发展研究，是一个相当紧迫的任务。

物联网是互联网的网络延伸，其发展面临着体系结构没有统一的标准，物联网网络终端设备的多元化、IP地址枯竭、移动性欠缺等问题，而互联网技术进步到下一代互联网为物联网提供应用平台和技术支撑。下一代互联网网络中IPv6的提出，可给每个物联网节点提供轻量化的IPv6地址，解决物联网异构网络与互联网间的互连互通，因此研究下一代网络与物联网的网络融合是网络发展中必不可少的过程，具有重要现实意义。物联网接入网络存在多种异构网络形式，因此寻找通用的架构实现异构网络和互联网络的融合，是构建物联网必须解决的首要问题。

当前已经提出了多种融合物联网的架构，但是都不够全面或者欠缺对于互联网继承性和对于不同场景的兼容性、通用性的研究。针对上述问题，本文提出了不同阶段具有兼容性、扩展性、自适应性、全面性的融合互联网的物联网网络融合架构模型，是在现有IPv4/IPv6混合网络基础上，支持各种物体、设备等对象接入IPv4/IPv6混合网络中，将多接口和多连接技术整合到网络中，引入SDN网络，通过物联网与互联网紧密结合，在尽量减少传统互联网设备更换的基础上，实现异构网络和互联网的融合架构。

1　面向IP体系演进的物联网网络融合方案

1.1部分新建IPv6物联网融合模式

部分新建IPv6网络模式以IPv4网络为核心，在原有网络基础上新建部分IPv6网络（见图1）。末梢网络中的传感器或者无线设备通过AP节点或者Zigbee节点进行数据收集AP节点，将数据回传到多协议网关或者无线网桥中，然后把数据传入到网络中；Zigbee节点收集的数据经Zigbee网关把数据回传到网络中，网络可为IPv4网络或者IPv6网络。此时的传感器或者无线设备只部分配置有IP地址，若传感网络设备中全部有IP地址，可以作为网络进行管理；对于传感网络中只部分存在IP或不存在IP的无线设备或传感器，网络仍以网关的形式进行组网通信。在物联网接入子网中，无线设备使用IPv4协议或IPv6协议。IPv4网络通过安全网关的方式把数据传到IPv4核心网络中；IPv6网络通过翻译网关把数据传到IPv4核心网络中；若为双栈网络，则直接通过双栈网关有选择地把数据传送到IPv4核心网络中。

图1　部分新建IPv6物联网融合模式

1.2双栈核心物联网融合模式

随着网络的不断发展，网络变成了IPv4/IPv6双核心模式（见图2）。末梢网络部分演变成AP节点经LTE基站传给多协议网关或无线网桥，形成以智能无线交换机与智能接入点模式的无线网络，然后把数据传输到网络中。另外，也有以Zigbee节点经Zigbee网关把数据传输到网络中。此时末梢网络中的传感器和无线设备也是部分存在IP地址。在物联网接入子网中，无线设备以双栈协议存在，或者以IPv4协议或者IPv6协议其中一个协议即可，可根据网络的需要进行选择。接入子网网络若为IPv4或者IPv6网络，则通过原协议传输到双核心网络中，或者通过翻译网关翻译成对应的协议，然后在双核心网络中进行通信；若网络在双栈网关的一侧存在各种IP网络，网络将根据需要自行选择协议进行数据通信。

图2　双栈核心的物联网融合模式

1.3IPv6核心物联网融合模式

随着网络的不断演变，核心网络将演变为IPv6核心网络（见图3），网络也将变成基于SDN的IP光融合网络。对于这种融合物联网的新一代互联网，物联网末梢网络中的传感器或者无线设备通过LTE基站、WIFI或者Zigbee节点进行数据收集。LTE基站将数据回传到多协议网关，此时的网关演变可以为汇聚型大容量智能无线控制网关，这种网关对物联网末梢网络中的数据进行汇聚，然后把数据传入到接入网络中；WiFi需通过自动分配IPv6地址实现接入设备的联网；Zigbee节点收集的数据经Zigbee网关把数据回传到接入网络中，接入网络可为IPv4网络或者IPv6网络。要融合各种接入网络，可采用光载无线技术，将LTE（4G）移动通信网、WiFi无线局域网、MESH等各种网络融为一体，构建基于一体化射频光子融合系统。

在末梢网络中的多数传感器设备、无线设备都可自动分配一个轻量级IPv6地址，若接入子网为IPv4网络，可部分保留IPv4地址；在物联网接入网络中的传感器、无线设备也多数自动分配一个轻量级IPv6地址，部分为IPv4地址。当接入网络为IPv6网络，则通过安全网关与IPv6核心网络通信；当接入网络为IPv4网络，则通过翻译网关与IPv6核心网络通信；当接入网络为双栈网络，则通过双栈网关与IPv6核心网络通信，根据需要自行选择协议进行。

图3　IPv6核心的物联网融合架构

1.4纯IPv6物联网融合模式

物联网接入子网及物联网网络最终将演变成纯IPv6网络（见图4），此时所有接入物体和设备将以IPv6协议的形式在网络中进行传输，并可自动分配到轻量级IPv6地址，核心网络采用基于SDN的纯IPv6网络。此时末梢网络及接入网络中的传感设备和无线设备都自动分配有IP，可自行组织网络，这些自组网经无线网关或者智能无线交换机把数据上传到上层网络中，经安全网关与其他IPv6网络进行通信。

通过以上各阶段物联网融合分析可知，在所有阶段的物联网末梢网络中存在单跳、节点转发、规模层级3种传感器网络模式。单跳网络中的传感器或者无线设备直接通过一个AP、LTE基站或者Zigbee网关传输到多协议网关、智能无线交换机或者汇聚网关中，路由协议采用RPL协议；节点转发网络中的传感器或者无线设备是经过多个传感器或者无线设备上传到AP、LTE基站或者Zigbee节点，然后经网关和智能交换机传输到网络中；层级网络则是AP、LTE基站或者Zigbee节点经过层级的形式进行传输，经网关和智能交换机把数据传输到网络中。

在各种物联网异构网络中，为了保证地址在传输过程中不发生改变，物联网末梢网络中使用末梢网络源地址验证，在接入子网中使用SAVI接入子网源地址验证，在各种互联网络中使用域内源地址验证，在核心网络间采用域间源地址验证。

1.5物联网网络融合综合架构方案

通过上述分析，未来IPv6网络总体架构如图5所示。基于IP的异构网络中，对IPv6协议进行轻量化，物联网网关上部署物联网协议栈和互联网协议栈等相关协议，实现轻量级IPv6与标准IPv6的适配及多协议网关的部署，核心汇聚层采用基于SDN的IPv6网络，实现控制平面和转发平面的分量。由各种物体联网组成的异构网络，物联网节点通过无线的方式经多协议网关接入互联网，物联网接入网络与多协议网关通过无线或有线的方式进行通信，最终使用安全隧道模式、网关翻译模式和双栈网关模式实现异构网络与互联网的互联互通。在通信过程中，网络层使用IPv6协议，对于不支持IPv6的低功耗网络的路由使用RPL和6LoWPAN协议，应用层使用CoAP协议。

图5　物联网网络融合综合架构

由图5可知，物联网核心网络为IPv6核心网络，物联网中的传感器节点通过双栈网关、隧道机制、翻译网关实现与终端主机通信。由于物联网中的传感器节点、路由节点使用轻量级IPv6协议或者IPv4协议，与互联网通信过程中，使用多协议网关与末梢网络进行无线通信，再通过有线或者无线方式与上层互联网进行连接，多协议网关需完成IP地址补齐、去前缀的工作和协议双向翻译的功能，并负责协议的转换和消息的转发；多协议网关把末梢网络的信息传输到智能汇聚网关，并传输到互联网络中。物联网异构网络中物体所处的地理位置和网络环境不尽相同，可以使异构网络中的数据通过若干条有效链路接入到上层融合网络中。

在物联网网络传感器网络中，存在基于IP的传感网络和基于非IP的传感网络，基于IP的传感网和物联网用户之间通过IP地址实现组网，传感器节点可以通过隧道机制直接连接到互联网中，与IP终端主机通信。基于非IP的传感网络中，传感节点没有IP地址，物联网用户和传感网之间通过传感网关实现组网。在网络融合过程中，对于传感节点是否支持IP还是非IP、无线还是有线，传感网必须能连接到原有互联网络中，各类异构传感网的传输数据通过整合融合到IP网络中，在IP网络中进行通信。

2　结语

物联网异构网络融合是物联网研究的关键技术之一，IP网络架构因其可扩展性、通用性、成熟的基础设施等优势，成为当前物联网异构网络融合研究的热点。本文针对目前该研究只是在下一代互联网中的物联网融合研究，研究了物联网从当前的IPv4核心网络演变成纯IPv6核心网络融合架构模式，较系统地提出了以互联网核心网络发展演变和末梢网络发生改变的不同阶段网络融合架构模型，为后续研究物联网互联互通奠定基础。

［1］李海花，罗松.基于NGN的物联网国际标准化现状和进展［J］.现代电信科技，2011（5）：8-13.

Internet of Things Internet Converging Architecture Oriented IP System

Liang Dongjie1Chen Yange2Zhang Zhili2
（1.Xuchang Science and Technology Information Research Institute，Xuchang Henan 461000；2.Xuchang University，Xuchang Henan 461000）

At present，some organizations put forward the Next Generation Internet Architecture Converging with Internet of Things（IoT），but the Next Generation Internet and sensor networks have evolved constantly，which has not been studied systematically IoT heterogeneous network with IP system.Based on this，the integration architecture model of Internet of things with compatibility，expansibility，adaptability and comprehensiveness was put forward，on the basis of minimizing the replacement of traditional Internet equipment，the integration of heterogeneous networks and the Internet architecture was achieved，the problem of network convergence and network convergence architecture under different application scenarios was solved.

Internet of Things（IoT）；sensor networks；heterogeneous network；network convergence

TP391；TN929

A

1003-5168（2016）06-0046-03

2016-05-17

教育部下一代互联网技术创新项目（NGII20150610）；河南省教育厅基金项目（15A510012）。

梁东杰（1983-），男，硕士，高级工程师，研究方向：软件工程。