泛在網網絡技術需求分析及挑戰

富堯，李冰琪

（1.國家無線電監測中心檢測中心，北京　100041；2.國家無線電監測中心，北京　100037）

泛在網網絡技術需求分析及挑戰

富堯1，李冰琪2

（1.國家無線電監測中心檢測中心，北京100041；2.國家無線電監測中心，北京100037）

泛在網的技術研究是多學科領域的綜合與交叉，涉及架構設計、網絡通信、軟件與硬件、計算技術、智能控制技術等方面。本文重點討論泛在網在網絡技術方面面臨的挑戰，以及泛在網網絡形態與組網方式、用戶行為、業務提供模式、業務類型及數據流特征、控制方式等多方面的新需求，分析了泛在網網絡技術在標識、解析與尋址體系、移動性管理、傳輸控制、服務質量保障、多連接支持等未來研究方向的重要意義及研究內容。

泛在網；網絡技術；標識；解析與尋址；移動性管理；傳輸控制

1　引言

1.1泛在網的概念

“泛在網”在字面上可理解為廣泛存在的網絡。它以無所不在、無所不能、無所不包的基本特征，以實現任何時間、任何地點、任何人和任何物都能順暢地通信為目標，其技術旨在實現人與物、物與物之間的溝通和對話。

1.2國際標準化組織相關研究及進展

目前，參與泛在網領域主要的國際標注組織有IEEE，ISO，ETSI，ITU-T，3GPP，3GPP2等，這些標準化組織根據自身背景，選擇不同的切入點參與泛在網不同技術領域的標準化工作［1］，涉及的技術方面包括總體框架的研究、網絡與通信、標識、感知延伸、射頻識別、安全與隱私、應用技術方面。

2　泛在網網絡技術面臨的挑戰

泛在網將通信的范疇由傳統的人與人通信，擴大到人與物的通信、物與物的通信，這種延伸帶來了網絡形態與組網方式、用戶行為、業務類型及數據流特征、控制方式等多方面的新需求。由此，泛在網的網絡技術面臨了以下的挑戰：

2.1網絡的異構特征

泛在網中網絡的異構性表現為：其網絡構成中既包括互聯網、傳統通信網（包括移動通信網）、寬帶無線接入網等基礎設施型網絡，又包括傳感器網絡、無線自組織網絡等無基礎設施型網絡。此時，這些異構網絡之間的融合表現為多種形式：一是異構基礎設施網之間的融合：體現為多種異構接入網以其互補特征共同為用戶提供泛在的介入與服務，要求能夠以抽象、統一的方式代替目前各接入網中分而治之的網絡管理、控制技術；二是基礎設施網與無基礎設施網之間的融合：更多地體現在端到端的垂直方向，位于基礎設施網與無基礎設施網之間的網關設備負責數據轉發、信息匯聚、協議轉換等功能，成為這一類融合的關鍵所在；三是無基礎設施網之間的融合：現有的泛在網應用中，感知延伸部分體現出明顯的局部性，不同的延伸子網之間往往是割裂的，缺乏真正意義上的融合［2］。

2.2終端的協同性

終端協同是泛在網中實現異構融合、有效利用各種網絡資源與能力的有效途徑。泛在網中包括多種終端協同場景：一是單用戶多終端協同：屬于同一用戶的多各終端構成終端群，協同服務于該用戶。終端群的建立于維護、業務數據的分流傳輸與聚合、移動性管理等技術均加以擴展以適應其需求。二是多用戶終端間中繼協同：某個終端對其他用戶的終端提供到基礎設施網絡的中繼接入和數據轉發能力。中繼節點的發現與選擇、多跳混合路由與重路由、通信方式的切換是該場景中的關鍵問題。三是多用戶終端間的自組織協同：多個終端之間通過近距離通信技術實現自組織自網及組內直接通信。網絡技術需解決終端間的動態發現與選擇、自組織組網、尋呼、連接建立與維護等問題。四是多用戶終端間P2P協同：更多的是一種應用驅動的協同場景?；趹蒙系墓餐d趣或基于相近的地理位置，多個終端之間通過P2P實現應用數據的共享、交互與補償。網絡技術需配合應用技術，實現重疊網的自組織建立與維護、數據流的匯聚與控制等功能。

2.3用戶的移動性

泛在網中豐富的應用類型、通信模式和增強的終端能力，帶來了更多樣化的移動性場景和移動性需求。移動性場景的豐富體現為從傳統的單模式終端移動到多模式的終端移動，從單個終端的移動到終端群的移動性，從人與人通信的移動性到M2M通信的移動性，從以保持通信為目的的被動移動性到優化用戶體驗為目的的主動移動性。從移動性的需求看，泛在網的移動性管理需具有多維、多粒度、多目標的特征［3］，需支持微移動、宏移動等不同維度，支持終端級、網絡接口級、數據流級、個人移動性、業務移動性及子網移動性等不同目標。移動性管理技術的研究因此面臨著以下的挑戰：如何定義更加準確的移動性模型以描述用戶在不同場景下的移動性行為特征，如何擴展現有位置管理及切換控制技術以滿足各類場景與需求，如何實現異構系統之間的互操作，如何實現自適應的移動性管理等。

2.4業務數據流量特征

泛在網具有顯著的業務驅動性特征，對業務流量特征進行準確的建模描述是網絡架構和協議設計的重要基礎。目前，較為成熟的業務流量特征描述局限于傳統互聯網、電信網的典型業務，對無線傳感器網絡的流量特征提取局限于基于不同應用場景的傳感器網絡內部流量建模［4］。而泛在網中的業務類型多樣化，在通信對象、業務時長、頻率、業務量、峰值時段等方面表現出不同的特征。感知延伸部分的傳感器、控制器、RFID節點等產生的數據不會局限于感知延伸子網內部，將會有海量的業務數據穿越整個泛在網。這些因素都會使得泛在網業務流量必將呈現出不同于現有研究的新特征，泛在網業務數據流量特征建模描述因而變得更加復雜和困難。相應地，如何全面提取刻畫業務流量特征的參數集，并在此基礎上研究面向業務流量特征的網絡資源管理、服務質量控制等一系列網絡管理與控制關鍵技術，成為泛在網網絡技術研究中面臨的又一挑戰。

2.5廣義感知與自治控制

泛在網具有廣義感知特征，表現為承載和處理海量的多維感知信息，并且，這些感知信息具有顯著的時空特性，也即，感知數據在特定時間和特定空間內才有意義［5］。這些海量的廣義感知信息為泛在網實現智能化的自治控制提供了基礎，進而通過對感知信息的傳輸和處理實現智能化的決策和控制，將這種感知與智能控制引入到泛在網網絡技術研究中，從而實現泛在網的自治控制體系，使網絡具備根據物理信息變化完成自身行為調節與控制的能力，能夠在復雜多變的環境下對網絡資源進行優化組織調度，實現網絡管理和控制技術的自管理、自組織、自配置、自感知、自優化等一系列自治特性。相應地，如何抽象定義網絡自治控制技術中所需的廣義感知信息及其時空特征，并以此為基礎實現網絡行為的開放式智能反饋控制，是泛在網網絡技術研究面臨的又一挑戰。

3　泛在網網絡技術未來發展方向

3.1泛在網標識、解析與尋址體系的研究

泛在網中標識、解析與尋址體系研究，主要通過多層次的標識定義對人和物等物理實體、網絡和設備等通信實體，以及各類業務和服務等應用實體進行識別，并通過標識解析與尋址系統進行基于上下文的翻譯、映射與轉換，以獲取相應的地址或關聯信息，從而實現人與人、人與物、物與物的通信及各類應用互聯［6］?，F有技術中存在多種各自獨立的標識及相應的解析和尋址技術。這些由不同組織定義、應用于不同系統的技術之間存在明顯的不一致性，而泛在網不僅僅是多種應用與服務、網絡及節點、終端、延伸節點的共存，而且還是有機統一的體系，迫切需要對標識、解析與尋址體系進行系統性的研究，這也是泛在網網絡研究中路由、傳輸控制、移動性管理等其他關鍵技術研究的基礎。

泛在網標識、解析與尋址體系研究的內容包括：分層次的標識體系定義和標識映射關系定義；標識管理功能，包括標識申請與分配、標識注冊與鑒權、標識及映射關系的存儲管理；標識解析規則及方法研究，需平衡解析效率與命中率，尋求高效的標識查找、映射、同步與一致性策略；尋址方法與策略研究，結合靜態與動態、集中式與分布式等不同控制思想，完成轉發節點選擇、轉發表建立與更新等功能設計。

3.2泛在網群組移動性管理技術的研究

群組移動是泛在網移動性管理技術面臨的技術新需求。一方面，協同和感知終端將體現為網絡形態上的群組移動，作為網絡末梢部分的進一步延伸擴展；另一方面，新型終端與新型業務的出現也激發了以群組為基礎的新型應用模式。群組移動性呈現出移動主體多樣性、移動行為不確定性、群組形態高度動態性的特征。在群組移動的過程中，從群組移動性導致的變化看，負責和外部網絡進行互聯的節點可能發生變化，與外部網絡的附著點可能發生變化，網絡內部的拓撲結構也可能發生變化；其次，從群組移動涉及的終端范圍看，可能是原有群組整體移動，也可能是群組中部分的終端移動；第三，從群組移動的觸發原因看，可能是終端物理位置變化引起的，也可能是終端加入或退出引起的，還可能是網絡的某種調度策略引起的，這些都為泛在網絡中的群組移動性管理技術帶來了新的挑戰。泛在網群組移動性管理的目標在于：客觀、全面地描述群組移動的行為特征，并以較小的開銷滿足群組移動性方面的功能和性能需求，為群組用戶提供業務連續性的保證。

泛在網群組移動性管理技術研究的主要內容包括：一是群組移動性建模理論研究。群組移動行為受業務模式與需求、終端類型與能力、周邊物理環境等多種因素的影響，研究群組移動行為建模，以及群組移動性管理的關鍵要素。二是在群組移動性建模的基礎上，研究群組動態組織方法，以及基于動態群組的資源管理、業務連續性、群組切換等關鍵技術。

3.3泛在網傳輸控制技術的研究

傳輸控制技術的主要目標是保證端到端的可靠性、實現端到端的擁塞控制和流量控制。傳統互聯網中用于保證可靠通信的主流協議是傳輸控制協議（TCP），而TCP協議并不能滿足泛在網的需求，這是由泛在網中豐富的業務提供模式和多樣化的數據流量及其特征造成的，體現在三個方面：一是在連接建立階段，TCP是面向連接的，每次會話都開始于一次連接建立的過程，而泛在網中大部分通信都只涉及少量數據的交換，導致有效數據傳輸時間短。而且連接建立階段涉及終端對數據的處理和傳輸，而泛在網中的傳感器節點和RFID標簽等大量終端在能源和通信資源方面都是受限的。二是擁塞控制：泛在網大多數通信使用可靠性相對較差的無線鏈路，本身已經導致TCP擁塞控制的性能問題，而泛在網中高頻率的小數據量業務、面向多模終端和多終端協同的業務數據分流傳輸，都帶來了擁塞控制中新的問題和挑戰。三是數據緩存：TCP在源端和目的端均要求數據緩存，源端數據緩存以便在它丟失的情況下重新發送，目的端數據緩存是為了向上層應用交付有序的數據。而這種緩存機制對資源受限的設備來說耗能過高［7］。

相應地，泛在網中傳輸控制技術的研究內容包括：面向泛在網的典型傳輸控制協議性能研究，以發現傳統協議不適用于泛在網中業務提供模式、數據流量特征、終端節點資源受限等方面的現象及深層機理；針對上述性能研究中發現的問題，有針對性地研究泛在網中傳輸控制協議擴展機制；輕量級傳輸控制協議研究，針對泛在網中大量存在的資源受限終端設備，設計輕量級傳輸控制協議。

3.4自治型泛在網服務質量保障技術的研究

泛在網服務質量保障技術的研究是涵蓋業務、網絡和終端的系統工程。其中，豐富的業務應用及其流量特征，對業務端到端的服務質量保證和策略控制提出了多樣化、差異化的要求。網絡的異構性和融合性，為業務的服務質量一致性、服務質量策略控制機制提出了更高的要求［8］。泛在網網絡形態及運行環境的高度非確定性，帶來了服務質量保障中更加多樣性的時空環境和動態變化。因此，泛在網的服務保障技術應該能夠提取差異化的服務質量需求、適應泛在網高度動態性的特點，實現自治、高效的服務質量控制。

泛在網服務質量保障技術的研究主要包括：服務質量需求定義，結合業務數據流量特征及其時空特性，準確刻畫泛在網中多樣化、差異性、動態性的服務質量需求；網絡狀態特征以及服務質量的感知、分析、評估體系研究，抽象出描述網絡狀態及服務質量的特征屬性、關鍵要素及耦合關系；服務質量的動態自治控制研究，建立動態自治的服務質量控制體系，設計其中的服務質量控制策略與機制。

3.5泛在網多連接技術的研究

泛在網中多連接技術是通過多個網絡連接之間的協同工作，能夠達到提高網絡連接的可靠性，提高網絡資源的利益效率、容錯、負載分擔、帶寬聚合等多方面的優勢，為移動用戶提高通信的靈活性和更好的連通性?，F有網絡架構及關鍵實體缺乏對多連接的支持，現有終端操作系統設計中不具備多連接相關的關鍵性，對連接的定義、連接間耦合關系及約束描述也缺乏相應的研究成果。

泛在網多連接技術研究的主要內容包括：連接及數據流定義，以泛在網標識體系研究為基礎，研究用戶、終端、接口、業務流、業務子流等不同層次的標識定義及其映射關系，以及業務數據流間的耦合關系定義；網絡架構及關鍵實體功能增強，對現有泛在網架構及關鍵實體，進行擴展性功能增強；終端能力增強，分析現有終端操作系統及協議棧設計在支持多連接方面的不足，進行增強性的架構及協議設計；連接維護和管理功能設計，包括連接監測和維護機制、多連接傳輸控制以及連接切換機制設計。

4　結束語

泛在網的技術研究是多學科領域的綜合與交叉，涉及架構設計、網絡通信、軟件與硬件、計算技術、智能控制技術等方方面面。本文重點討論了泛在網在網絡技術方面的挑戰，探討了泛在網網絡形態與組網方式、用戶行為、業務提供模式、業務類型及數據流特征、控制方式等多方面的新需求，分析了泛在網網絡技術在標識、解析與尋址體系、移動性管理、傳輸控制、服務質量保障、多連接支持等未來研究方向的重要意義及研究內容。

［1］諸瑾文.物聯網技術及其標準.中興通訊技術，2011.2

［2］Michele Zorzi，Alexander Gluhak，Sebastian Lange，Alessandro Bassi. From today’s Intranet of Things to a future Internet of Things: a wires and mobility-related view. IEEE Wireless Communications. December 2010

［3］陳山枝，胡博.移動性管理理論與技術.北京：電子工業出版社，2007.8

［4］L.Demirkol，F.Alagoz，H.Delic，C.Ersoy. Wireless seneor networks for intrusion detection: packet traffic modeling，IEEE Communication Letters 10（1）（2006）22-24

［5］孫利民，沈杰，朱紅松.從云計算到海計算：論物聯網的體系結構.中興通訊技術，2011.2

［6］中國通信標準化協會.泛在網標識、解析與尋址體系（征求意見稿）. CCSA TC10/WG1，2011.3

［7］Luigi Arzori，Antonio lera，Giacomo Morabito. The Internet of Things: A Survey. Elsevier Computer Networks. 54（6）:2787-2805，2010.6

［8］中國通信標準化協會.泛在網QoS體系研究.CCSA TC10/WG3，2011.3

Technical Requirements in Ubiquitous Network Analysis and the Challenge

Fu Yao1，Li Bingqi2
（1. The State Radio_monitoring_center Testing Center，Beijing，100041；2. State Radio Regulation of China，Beijing，100037）

The ubiquitous network technology in the field of research is a multidisciplinary integrated with cross，involved in architectural design，network communications，software and hardware，computing technology，intelligent control technology and other aspects. This article focuses on the challenge for the ubiquitous network in network technology，discusses the generic form in the network and network mode，user behavior and business model，business type and the data flow characteristics，control mode，such as various new requirements，analyzes the ubiquitous network technology in the identification，analysis and addressing system，mobility management，transmission control and multiple connection support service quality guarantee，the importance of the future research direction and research content.

ubiquitous network； network technique； identification； Parsing and addressing； mobile management； transmission control

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.011

TN929.5

A

1672-7274（2015）04-0043-04

富堯，女，國家無線電監測中心檢測中心，長期從事無線電監測相關工作。

李冰琪，女，國家無線電監測中心科技處，長期從事無線電監測相關工作。