物联网覆盖网络的层次定位及其构建的研究

引言

2011年在中国的物联网白皮书中，从功能角度抽取了物联网体系的基本特征，提出了包括感知层、网络层和应用层的物联网的三层参考框架的架构叫随后，该框架被纳入到了我国工业和信息化部2012年第70号公告批准的、名称为《物联网总体框架与技术要求》的行业标准(标准编号：YD/T2437-2012)。该标准的物联网总体框架，从下到上依次为三层，感知延伸层、网络/业务层和应用层。网络/业务层的物联网应用支撑管理平台，包括支持对大信息量的存储和处理的数据平台和屏蔽核心网络的复杂性和具体实现的业务支撑平台。而将所包括的业务支撑平台的能力分离成两部分：运营管理能力和数据通道能力。其中，运营管理能力体现控制数据流的规则和逻辑，涉及终端管理、应用接入管理等；数据通道能力包括具体数据传送通道的选择、适配等，展现数据流处理过程。在理论上，这种设计思想，体现了逻辑控制和数据转发的分离。按照该架构标准，网络管理和配置操作可以获得分层各自独立开发的机会，简化了应用更新的部署，实现了高层控制逻辑的健壮性，有利于异构网络的融合。但是，我们也必须看出，该架构标准只是一个概要，基于当前的物联网的开发还多处于闭环状态，造成重复建设和孤岛应用，物联网的涉及范围还在逐渐扩大，目前尚缺乏较大规模网络的部署经验，因此,该标准的落实还将面临一些新的挑战。例如，业务支撑平台能力的分离，关键在于屏蔽核心网络的复杂性和具体业务的实现,只有这样，逻辑控制才能从数据转发中剥离开来去体现相关的运营管理能力。该架构标准没有提及怎样实现有关这些内容的细节或途径，这就是一个值得探讨的问题，也是本文所要研究的内容。

上述一切的实现，不妨借鉴互联网解决类似问题的原则：只在端点涉及复杂性，而在网络中保持的技术非常简单，即“端到端”的原则叫针对当前互联网网络架构所面临的僵化问题(OssificationProblem)，解决方案之一是在现有网络上构建虚拟网络(VirtualNetwork)来满足多样化应用的需求叫基于文献的观点，本文认为虚拟化的覆盖网络(OverlayNetwork)的构建是获得上述问题解决的一个较好的途径。

1物联网覆盖网络的层次定位

覆盖网络是在另一个网络的物理拓扑结构的顶上创建一个虚拟拓扑的虚拟计算机网络，其目的是在现有的网络资源的结构和分布的基础上，把网络资源的分配与管理抽象出来，提供端到端的服务质量保证。覆盖网络的构造与特定技术、特定层次无关，通过在一个或者多个已存在网络之上增加一个额外的、间接的、虚拟的网络层，配置下层网络部分领域中的一些资源来满足应用的需求。本文的工作就是提出为在国家标准YD/T2437-2012的物联网总体框架构建一个覆盖网络的设计。该标准的物联网总体框架从下到上依次为三层，感知延伸层、网络/业务层和应用层。其中感知延伸层部件包括物联网终端、物联网端节点、感知延伸网、物联网接入网关；网络/业务层部件包括核心网络(通信网、互联网和行业专网)、物联网应用支撑管理平台；应用层包括各种具体应用。这个额外增加的覆盖网络只能在网络/业务层的应用支撑管理平台与应用层之间。如果严格遵循三层框架，那么，这个覆盖网络到底是定位在网络/业务层还是定位到应用层呢？

在工业和信息化部电信研究院中国物联网白皮书中，与YD/T2437-2012标准的物联网应用支撑管理平台相关的内容的层次定位，帮助了我们。注意到2011年的物联网白皮书中的应用层体系包括应用层架构、信息智能处理技术。并且指出，应用层架构是面向对象的服务架构，包括面向上层业务应用的流程管理、业务流程之间的通信协议、元数据标准；信息智能处理类技术包括虚拟化架构（资源管理与控制）等。2013年的物联网白皮书中应用层主要包括物联网应用支撑子层和应用子层。并且指出，物联网应用支撑子层技术包括支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通，面向服务的架构的技术和服务支撑技术等。就是说，通过对物理网络资源的抽象和封装，来屏蔽核心网络的复杂性和具体实现。

基于面向对象的服务架构，虚拟化资源管理与控制，导致网络的基础设施与提供适配服务的功能的分离，是安排在应用层来实现。一般来说，在传统P2P网络中，覆盖网络也都是构造在应用层上的，可以看作是应用层网络冏。所以，增加的覆盖网络子层可以定位在YD/T2437-2012的物联网总体框架的应用层中，图1所示是含覆盖网络子层的物联网通用分层模型。

2物联网覆盖网络的构建

在国家标准YD/T2437-2012的体系结构中，网络虚拟化涉及网络/业务网络层和应用层的覆盖网络子层。在这里，网络/业务网络层中包括许多异构的基础设施资源的物理节点,它们是由物理路径连接起来的。覆盖网络是通过虚拟化技术构建在网络/业务网络层之上的虚拟网络，它是由虚拟节点通过虚拟链路连接构成的。覆盖网络的构建，要有一个将一个具有虚拟节点和虚拟链路约束的覆盖网络映射到网络/业务网络层中的过程的映射方案，其中虚拟节点映射到网络/业务网络层中的物理节点上，虚拟链路映射到网络/业务网络层中的物理路径上，而且满足覆盖网络中虚拟节点和虚拟链路对资源需求的约束。从而使得覆盖网络中的虚拟节点及其被连接虚拟链路，可能对应于网络/业务网络层中的物理节点及其被连接的多个物理链路中的一个路径，图2所示是覆盖网络到网络/业务网络层的映射示意图。

具体的说，覆盖网络的构建的过程涉及虚拟节点的选择和虚拟链路的确定。虚拟节点的选择就是要求覆盖网络的每个虚拟节点都能映射到网络/业务网络层中的一个物理节点,同时该物理节点所分配的资源能满足虚拟节点对应用的需求。虚拟链路的确定就是要求覆盖网络的每条虚拟链路都能映射到网络/业务网络层中的一条或多条物理路径上，同时该物理路径的两个端点都能与对应的虚拟链路的两个虚拟节点相对应。在国家标准YD/T2437-2012的体系结构中，虚拟节点的选择涉及网络/业务网络层物理节点可，分为：参考点1叭参考点la”终端和参考点la”网关三类，参看图1。虚拟链路的确定依赖这三类物理节点（参考点la'、参考点la”终端和参考点Ia''网关）各自的功能形成彼此之间相连接的物理路径。

2.1参考点la'

参考点la'是物联网应用层和应用支撑管理平台之间的参考点，依赖网络/业务网络层的核心网络。物联网核心网络可以具有多种网络形态，可以是现有公众网络，如移动网、固定网、互联网，也可以是各种政府和企业等专用网络。核心网络能提供网络控制功能、业务控制功能、互联互通功能、移动性管理等功能。参考点la'在核心网络提供了网络连接能力基础上，支撑物联网信息的双向传递和控制，支持应用支撑管理平台与应用层之间的交互。此外，参考点la'通过应用支撑管理平台能与感知延伸层的有关的节点相交互。

2.2参考点la”终端

参考点la''终端是物联网应用层和物联网终端之间的参考点。通过该参考点，应用层可以从感知延伸层节点读取信息，或者向感知延伸层节点写入信息。应用层还可以通过该参考点请求感知延伸层的节点或该层节点组成的群组执行某个特定的任务，如激活某个传感器。

2.3参考点Ia''网关

参考点la''网关是物联网应用层和物联网接入网关之间的参考点。物联网端节点以接入网关为中继连接到物联网网络/业务层。某些感知延伸层节点可能只具有近距离通信功能，为了连接到网络/业务层，此时需要通过感知延伸网和接入网关实现到广域网的接入，来实现网络连接的汇聚和信息的汇聚，简化网络连接和相应的管理等。

3结语

在论证覆盖网络在物联网的层次定位之后，结合YD/T2437-2012标准，给出了构建覆盖网络的一个概要。物联网应用面临异构网络通信环境、海量的共享数据空间、传感器与执行器共存于基层的设备。因此，应用的开发对物联网架构的提供至少有三点要求：（1）分布性、自发性和自适应性的智能化的设备，（2）统一抽象和描述的资源虚拟化的操作平台，（3）承载上下文变化信息的来满足用户的需求推理机制。物联网覆盖网络的构建为达到这些要求创造了条件。这也将导致对于覆盖网络的进一步的研究。

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