物聯網覆蓋網絡的層次定位及其構建的研究

魏+歌

摘 要：為了解決業務支撐平臺能力分離，使得屏蔽核心網絡變得復雜的挑戰性問題，可在應用層增設一個虛擬的網絡層，然后在YD/T 2437-2012標準下提出一個覆蓋網絡的設計。因此，文章補充了在該標準下的應用層的實施細節或途徑。該方法有助于對國家標準的廣泛采用，也有利于我國物聯網應用的開發。

關鍵詞：物聯網；YD/T 2437-2012；業務支撐平臺；覆蓋網絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0015-02

0引言

2011年在中國的物聯網白皮書中，從功能角度抽取了物聯網體系的基本特征，提出了包括感知層、網絡層和應用層的物聯網的三層參考框架的架構[1]。隨后，該框架被納入到了我國工業和信息化部2012年第70號公告批準的、名稱為《物聯網總體框架與技術要求》的行業標準（標準編號：YD/T 2437-2012）[2]。該標準的物聯網總體框架，從下到上依次為三層，感知延伸層、網絡/業務層和應用層。網絡/業務層的物聯網應用支撐管理平臺，包括支持對大信息量的存儲和處理的數據平臺和屏蔽核心網絡的復雜性和具體實現的業務支撐平臺。而將所包括的業務支撐平臺的能力分離成兩部分：運營管理能力和數據通道能力。其中，運營管理能力體現控制數據流的規則和邏輯，涉及終端管理、應用接入管理等；數據通道能力包括具體數據傳送通道的選擇、適配等，展現數據流處理過程。在理論上，這種設計思想，體現了邏輯控制和數據轉發的分離。按照該架構標準，網絡管理和配置操作可以獲得分層各自獨立開發的機會，簡化了應用更新的部署，實現了高層控制邏輯的健壯性，有利于異構網絡的融合。但是，我們也必須看出，該架構標準只是一個概要，基于當前的物聯網的開發還多處于閉環狀態，造成重復建設和孤島應用，物聯網的涉及范圍還在逐漸擴大，目前尚缺乏較大規模網絡的部署經驗，因此，該標準的落實還將面臨一些新的挑戰。例如，業務支撐平臺能力的分離，關鍵在于屏蔽核心網絡的復雜性和具體業務的實現，只有這樣，邏輯控制才能從數據轉發中剝離開來去體現相關的運營管理能力。該架構標準沒有提及怎樣實現有關這些內容的細節或途徑，這就是一個值得探討的問題，也是本文所要研究的內容。

上述一切的實現，不妨借鑒互聯網解決類似問題的原則：只在端點涉及復雜性，而在網絡中保持的技術非常簡單， 即“端到端”的原則[3]。針對當前互聯網網絡架構所面臨的僵化問題（Ossification Problem）， 解決方案之一是在現有網絡上構建虛擬網絡（Virtual Network）來滿足多樣化應用的需求[4]。 基于文獻[4,5]的觀點，本文認為虛擬化的覆蓋網絡（Overlay Network）的構建是獲得上述問題解決的一個較好的途徑。

1物聯網覆蓋網絡的層次定位

覆蓋網絡是在另一個網絡的物理拓撲結構的頂上創建一個虛擬拓撲的虛擬計算機網絡，其目的是在現有的網絡資源的結構和分布的基礎上，把網絡資源的分配與管理抽象出來，提供端到端的服務質量保證。覆蓋網絡的構造與特定技術、特定層次無關，通過在一個或者多個已存在網絡之上增加一個額外的、間接的、虛擬的網絡層，配置下層網絡部分領域中的一些資源來滿足應用的需求[6,7]。本文的工作就是提出為在國家標準YD/T 2437-2012的物聯網總體框架構建一個覆蓋網絡的設計。該標準的物聯網總體框架從下到上依次為三層，感知延伸層、網絡/業務層和應用層。其中感知延伸層部件包括物聯網終端、物聯網端節點、感知延伸網、物聯網接入網關；網絡/業務層部件包括核心網絡（通信網、互聯網和行業專網）、物聯網應用支撐管理平臺；應用層包括各種具體應用[2]。這個額外增加的覆蓋網絡只能在網絡/業務層的應用支撐管理平臺與應用層之間。如果嚴格遵循三層框架，那么，這個覆蓋網絡到底是定位在網絡/業務層還是定位到應用層呢？

在工業和信息化部電信研究院中國物聯網白皮書中，與YD/T 2437-2012標準的物聯網應用支撐管理平臺相關的內容的層次定位，幫助了我們。注意到2011年的物聯網白皮書中的應用層體系包括應用層架構、信息智能處理技術。并且指出，應用層架構是面向對象的服務架構，包括面向上層業務應用的流程管理、業務流程之間的通信協議、元數據標準；信息智能處理類技術包括虛擬化架構（資源管理與控制）等。2013年的物聯網白皮書中應用層主要包括物聯網應用支撐子層和應用子層。并且指出，物聯網應用支撐子層技術包括支撐跨行業、跨應用、跨系統之間的信息協同、共享、互通，面向服務的架構的技術和服務支撐技術等。就是說，通過對物理網絡資源的抽象和封裝，來屏蔽核心網絡的復雜性和具體實現。

基于面向對象的服務架構，虛擬化資源管理與控制，導致網絡的基礎設施與提供適配服務的功能的分離，是安排在應用層來實現。一般來說，在傳統 P2P 網絡中，覆蓋網絡也都是構造在應用層上的，可以看作是應用層網絡[8]。所以，增加的覆蓋網絡子層可以定位在YD/T 2437-2012的物聯網總體框架的應用層中，圖1所示是含覆蓋網絡子層的物聯網通用分層模型。

圖1含覆蓋網絡子層的物聯網通用分層模型

2物聯網覆蓋網絡的構建

在國家標準YD/T 2437-2012的體系結構中，網絡虛擬化涉及網絡/業務網絡層和應用層的覆蓋網絡子層。在這里，網絡/業務網絡層中包括許多異構的基礎設施資源的物理節點，它們是由物理路徑連接起來的。覆蓋網絡是通過虛擬化技術構建在網絡/業務網絡層之上的虛擬網絡，它是由虛擬節點通過虛擬鏈路連接構成的。覆蓋網絡的構建，要有一個將一個具有虛擬節點和虛擬鏈路約束的覆蓋網絡映射到網絡/業務網絡層中的過程的映射方案，其中虛擬節點映射到網絡/業務網絡層中的物理節點上，虛擬鏈路映射到網絡/業務網絡層中的物理路徑上，而且滿足覆蓋網絡中虛擬節點和虛擬鏈路對資源需求的約束。從而使得覆蓋網絡中的虛擬節點及其被連接虛擬鏈路，可能對應于網絡/業務網絡層中的物理節點及其被連接的多個物理鏈路中的一個路徑，圖2所示是覆蓋網絡到網絡/業務網絡層的映射示意圖。

具體的說，覆蓋網絡的構建的過程涉及虛擬節點的選擇和虛擬鏈路的確定。虛擬節點的選擇就是要求覆蓋網絡的每個虛擬節點都能映射到網絡/業務網絡層中的一個物理節點，同時該物理節點所分配的資源能滿足虛擬節點對應用的需求。虛擬鏈路的確定就是要求覆蓋網絡的每條虛擬鏈路都能映射到網絡/業務網絡層中的一條或多條物理路徑上，同時該物理路徑的兩個端點都能與對應的虛擬鏈路的兩個虛擬節點相對應。在國家標準YD/T 2437-2012的體系結構中，虛擬節點的選擇涉及網絡/業務網絡層物理節點可，分為：參考點Ia'、參考點Ia''終端和參考點Ia''網關三類，參看圖1。虛擬鏈路的確定依賴這三類物理節點（參考點Ia'、參考點Ia''終端和參考點Ia''網關）各自的功能形成彼此之間相連接的物理路徑。

圖2覆蓋網絡到網絡/業務網絡層的映射

2.1參考點Ia'

參考點Ia'是物聯網應用層和應用支撐管理平臺之間的參考點，依賴網絡/業務網絡層的核心網絡。物聯網核心網絡可以具有多種網絡形態，可以是現有公眾網絡，如移動網、固定網、互聯網，也可以是各種政府和企業等專用網絡。核心網絡能提供網絡控制功能、業務控制功能、互聯互通功能、移動性管理等功能。參考點Ia'在核心網絡提供了網絡連接能力基礎上，支撐物聯網信息的雙向傳遞和控制，支持應用支撐管理平臺與應用層之間的交互。此外，參考點Ia'通過應用支撐管理平臺能與感知延伸層的有關的節點相交互。

2.2參考點Ia''終端

參考點Ia''終端是物聯網應用層和物聯網終端之間的參考點。通過該參考點，應用層可以從感知延伸層節點讀取信息，或者向感知延伸層節點寫入信息。應用層還可以通過該參考點請求感知延伸層的節點或該層節點組成的群組執行某個特定的任務，如激活某個傳感器。

2.3參考點Ia''網關

參考點Ia''網關是物聯網應用層和物聯網接入網關之間的參考點。物聯網端節點以接入網關為中繼連接到物聯網網絡/業務層。某些感知延伸層節點可能只具有近距離通信功能，為了連接到網絡/業務層，此時需要通過感知延伸網和接入網關實現到廣域網的接入，來實現網絡連接的匯聚和信息的匯聚，簡化網絡連接和相應的管理等。

3結語

在論證覆蓋網絡在物聯網的層次定位之后，結合YD/T 2437-2012標準，給出了構建覆蓋網絡的一個概要。物聯網應用面臨異構網絡通信環境、海量的共享數據空間、傳感器與執行器共存于基層的設備。因此，應用的開發對物聯網架構的提供至少有三點要求：（1）分布性、自發性和自適應性的智能化的設備，（2）統一抽象和描述的資源虛擬化的操作平臺，（3）承載上下文變化信息的來滿足用戶的需求推理機制。物聯網覆蓋網絡的構建為達到這些要求創造了條件。這也將導致對于覆蓋網絡的進一步的 研究。

參 考 文 獻

[1]中國工業和信息化部.物聯網白皮書（2011）[R].北京：工業和信息化部電信研究院， 2011.

[2]中國工業和信息化部.物聯網總體框架與技術要求（YD/T 2437-2012）[S].北京：人民郵電出版社，2013.

[3] Rob van Kranenburg and Alex Bassi van Kranenburg R， Bassi A. IoTChallenges[J]. Communications in Mobile Computing， 2012， 1（1）： 1-5.

[4]李小玲， 王懷民， 丁博， 等. 虛擬網絡映射問題研究及其進展[J]. 軟件學報， 2012， 23（11） ：3009-3028.

[5] Batalla J M， Krawiec P. Conception of ID layer performance at the network level for Internet of Things[J]. Personal and Ubiquitous Computing， 2014， 18（2）： 465-480.

[6] Chowdhury N M， Boutaba R. A survey of network virtualization[J]. Computer Networks， 2010， 54（5）： 862-876.

[7]杜麗娟， 余鎮危. 覆蓋網體系結構及應用研究[J]. 計算機工程與應用， 2009， 45（28）： 102-104.

[8]張國印， 李軍. 移動對等網絡覆蓋網[J]. 軟件學報， 2013， 24（1） ：139-152.

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收稿日期：2014-03-17

基金項目：湖南省教育廳科研基金項目（13C1085）

2.2參考點Ia''終端

參考點Ia''終端是物聯網應用層和物聯網終端之間的參考點。通過該參考點，應用層可以從感知延伸層節點讀取信息，或者向感知延伸層節點寫入信息。應用層還可以通過該參考點請求感知延伸層的節點或該層節點組成的群組執行某個特定的任務，如激活某個傳感器。

2.3參考點Ia''網關

參考點Ia''網關是物聯網應用層和物聯網接入網關之間的參考點。物聯網端節點以接入網關為中繼連接到物聯網網絡/業務層。某些感知延伸層節點可能只具有近距離通信功能，為了連接到網絡/業務層，此時需要通過感知延伸網和接入網關實現到廣域網的接入，來實現網絡連接的匯聚和信息的匯聚，簡化網絡連接和相應的管理等。

3結語

在論證覆蓋網絡在物聯網的層次定位之后，結合YD/T 2437-2012標準，給出了構建覆蓋網絡的一個概要。物聯網應用面臨異構網絡通信環境、海量的共享數據空間、傳感器與執行器共存于基層的設備。因此，應用的開發對物聯網架構的提供至少有三點要求：（1）分布性、自發性和自適應性的智能化的設備，（2）統一抽象和描述的資源虛擬化的操作平臺，（3）承載上下文變化信息的來滿足用戶的需求推理機制。物聯網覆蓋網絡的構建為達到這些要求創造了條件。這也將導致對于覆蓋網絡的進一步的 研究。

參 考 文 獻

[1]中國工業和信息化部.物聯網白皮書（2011）[R].北京：工業和信息化部電信研究院， 2011.

[2]中國工業和信息化部.物聯網總體框架與技術要求（YD/T 2437-2012）[S].北京：人民郵電出版社，2013.

[3] Rob van Kranenburg and Alex Bassi van Kranenburg R， Bassi A. IoTChallenges[J]. Communications in Mobile Computing， 2012， 1（1）： 1-5.

[4]李小玲， 王懷民， 丁博， 等. 虛擬網絡映射問題研究及其進展[J]. 軟件學報， 2012， 23（11） ：3009-3028.

[5] Batalla J M， Krawiec P. Conception of ID layer performance at the network level for Internet of Things[J]. Personal and Ubiquitous Computing， 2014， 18（2）： 465-480.

[6] Chowdhury N M， Boutaba R. A survey of network virtualization[J]. Computer Networks， 2010， 54（5）： 862-876.

[7]杜麗娟， 余鎮危. 覆蓋網體系結構及應用研究[J]. 計算機工程與應用， 2009， 45（28）： 102-104.

[8]張國印， 李軍. 移動對等網絡覆蓋網[J]. 軟件學報， 2013， 24（1） ：139-152.

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收稿日期：2014-03-17

基金項目：湖南省教育廳科研基金項目（13C1085）

2.2參考點Ia''終端

參考點Ia''終端是物聯網應用層和物聯網終端之間的參考點。通過該參考點，應用層可以從感知延伸層節點讀取信息，或者向感知延伸層節點寫入信息。應用層還可以通過該參考點請求感知延伸層的節點或該層節點組成的群組執行某個特定的任務，如激活某個傳感器。

2.3參考點Ia''網關

參考點Ia''網關是物聯網應用層和物聯網接入網關之間的參考點。物聯網端節點以接入網關為中繼連接到物聯網網絡/業務層。某些感知延伸層節點可能只具有近距離通信功能，為了連接到網絡/業務層，此時需要通過感知延伸網和接入網關實現到廣域網的接入，來實現網絡連接的匯聚和信息的匯聚，簡化網絡連接和相應的管理等。

3結語

在論證覆蓋網絡在物聯網的層次定位之后，結合YD/T 2437-2012標準，給出了構建覆蓋網絡的一個概要。物聯網應用面臨異構網絡通信環境、海量的共享數據空間、傳感器與執行器共存于基層的設備。因此，應用的開發對物聯網架構的提供至少有三點要求：（1）分布性、自發性和自適應性的智能化的設備，（2）統一抽象和描述的資源虛擬化的操作平臺，（3）承載上下文變化信息的來滿足用戶的需求推理機制。物聯網覆蓋網絡的構建為達到這些要求創造了條件。這也將導致對于覆蓋網絡的進一步的 研究。

參 考 文 獻

[1]中國工業和信息化部.物聯網白皮書（2011）[R].北京：工業和信息化部電信研究院， 2011.

[2]中國工業和信息化部.物聯網總體框架與技術要求（YD/T 2437-2012）[S].北京：人民郵電出版社，2013.

[3] Rob van Kranenburg and Alex Bassi van Kranenburg R， Bassi A. IoTChallenges[J]. Communications in Mobile Computing， 2012， 1（1）： 1-5.

[4]李小玲， 王懷民， 丁博， 等. 虛擬網絡映射問題研究及其進展[J]. 軟件學報， 2012， 23（11） ：3009-3028.

[5] Batalla J M， Krawiec P. Conception of ID layer performance at the network level for Internet of Things[J]. Personal and Ubiquitous Computing， 2014， 18（2）： 465-480.

[6] Chowdhury N M， Boutaba R. A survey of network virtualization[J]. Computer Networks， 2010， 54（5）： 862-876.

[7]杜麗娟， 余鎮危. 覆蓋網體系結構及應用研究[J]. 計算機工程與應用， 2009， 45（28）： 102-104.

[8]張國印， 李軍. 移動對等網絡覆蓋網[J]. 軟件學報， 2013， 24（1） ：139-152.

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收稿日期：2014-03-17

基金項目：湖南省教育廳科研基金項目（13C1085）