1 泛在網(wǎng)絡(luò)基本概念

Ubiquitous(無所不在)源自拉丁語，意為存在于任何地方。1991年Xerox實驗室的計算機科學(xué)家 Mark Weiser首次提出“泛在計算”(Ubiquitous Computing)的概念，描述了任何人無論何時、何地都可以通過合適的終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進行連接，獲取個性化信息服務(wù)。隨著IT技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)將不僅僅要滿足人與人之間的通信需求，而且要進一步發(fā)展到人與機器(或物體)以及機器到機器之間的通信，并朝著無所不在的網(wǎng)絡(luò)方向演進。在未來異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、車域網(wǎng)、家域網(wǎng)、個域網(wǎng)等不同層次、多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會彼此互補、融合發(fā)展，并在微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能標(biāo)簽技術(shù)的支撐下，最終促成“泛在信息社會的實現(xiàn)”。

泛在網(wǎng)是指基于個人和社會的需求，利用現(xiàn)有的和新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等服務(wù)，泛在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具備超強的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及智能性，為個人和社會提供泛在的、無所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。

“5C+5Any”是泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征，5C分別是：融合(Convergence)，內(nèi)容(Contents)，計算(Computing)，通信(Communication)，連接(Connectivity)。5Any分別是：任何時間(Any time)，任何地點(Anywhere)，任何服務(wù)(Any Service)，任何網(wǎng)絡(luò)(Any Network)，任何對象(Any Object)?？傮w意思是，通過底層全連通的、可靠的、智能的網(wǎng)絡(luò)，以及融合的IT技術(shù)和通信技術(shù)，將通信服務(wù)擴展到教育、金融、智能建筑、交通/物流、健康醫(yī)療、災(zāi)害管理、安全服務(wù)等行業(yè)，為人們提供更好的服務(wù)。

2 泛在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以劃分為感知 /延伸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成的三層體系結(jié)構(gòu)

(1)泛在網(wǎng)的感知延伸層通過傳感器、二維條碼、RFID標(biāo)簽、多媒體信息等信息采集終端實現(xiàn)物理世界各類目標(biāo)的屬性、標(biāo)識、狀態(tài)、類型、數(shù)量、強度等的各類信息獲取，并通過網(wǎng)絡(luò)、信息處理和中間件等技術(shù)將感知信息進行局部或全局地交互處理聚合等操作從而形成為網(wǎng)絡(luò)層提供物理世界的感知信息。感知延伸層必須解決低功耗、低成本和小型化的問題，并且面向更敏感、更全面的感知能力方向發(fā)展。

(2)泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)子層和核心網(wǎng)子層。接入網(wǎng)子層包括衛(wèi)星至地面無線接入、有線寬帶接入、無線寬帶接入、2G/3G/超3G移動接入等各種接入技術(shù)。核心網(wǎng)子層包括現(xiàn)有的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、未來的下一代網(wǎng)絡(luò)(如NGN/NGI)以及各個行業(yè)自建的行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)。泛在網(wǎng)絡(luò)既然作為一個網(wǎng)絡(luò)，就需要一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)，目前在核心層面可以考慮與NGN/IMS融合，核心協(xié)議包括SIP和TCP/IP等，在接入層面需要考慮多種有線和無線技術(shù)的協(xié)同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。

(3)泛在網(wǎng)的應(yīng)用層主要實現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享、決策，包括應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用服務(wù)子層。應(yīng)用支撐子層向行業(yè)服務(wù)提供統(tǒng)一、固定的一些網(wǎng)絡(luò)支撐服務(wù)，特別是為一些行業(yè)融合服務(wù)提供支撐，以便支持不同行業(yè)之間的互通。應(yīng)用服務(wù)子層包括泛在網(wǎng)公眾服務(wù)、行業(yè)專用服務(wù)等。業(yè)務(wù)和應(yīng)用涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現(xiàn)等多種技術(shù)。

3 泛在網(wǎng)感知延伸層的關(guān)鍵技術(shù)

泛在網(wǎng)感知延伸層的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無線/有線傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及中間件技術(shù)，同時還涉及感知延伸層與網(wǎng)絡(luò)層的互通技術(shù)。

(1)數(shù)據(jù)采集技術(shù)。主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)識、音頻、視頻數(shù)據(jù)，可以利用傳感器、RFID、一維碼/二維碼隨時隨地獲取物體信息，通過多媒體技術(shù)采集音、視頻信息，通過定位技術(shù)獲取物體定位信息。

(2)無線/有線傳輸技術(shù)。主要用于補充和延伸接入網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)能夠把各種“物”接入到網(wǎng)絡(luò)，目前，主要采用各種短距離無線通信技術(shù)，包括 IEEE802.15.4，UWB，NFC，藍牙技術(shù)等。

(3)組網(wǎng)技術(shù)。通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將分散的節(jié)點在一定范圍之內(nèi)自動組成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各節(jié)點采集信息的統(tǒng)一處理，統(tǒng)一傳送，或者經(jīng)過節(jié)點之間的相互“聯(lián)系”，協(xié)商傳送各自的部分信息，最終實現(xiàn)信息可靠、高效傳送。

(4)信息處理技術(shù)。實現(xiàn)海量信息的協(xié)同處理，提供智能、精確的多元化信息服務(wù)。

(5)中間件技術(shù)。屏蔽底層軟(操作系統(tǒng))、硬件差異，構(gòu)建統(tǒng)一的開發(fā)平臺，封裝通用的功能組件，為上層應(yīng)用提供服務(wù)。

(6)與網(wǎng)絡(luò)層互通技術(shù)。感知延伸層可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP 技術(shù)，如ZigBee協(xié)議，另一種是IP技術(shù)。目前，網(wǎng)絡(luò)層主要采用IP技術(shù)組網(wǎng)，因此要實現(xiàn)采用非IP技術(shù)的感知延伸層與網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)，必須通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備實現(xiàn)協(xié)議互通。

4 IPv6技術(shù)在泛在網(wǎng)感知延伸層的應(yīng)用

4.1 泛在網(wǎng)感知延伸層IP技術(shù)路線

從目前的技術(shù)發(fā)展來看，泛在網(wǎng)感知延伸層智能終端的組網(wǎng)技術(shù)可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議;另一種是IETF和IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟倡導(dǎo)的將IP技術(shù)向下延伸應(yīng)用到感知延伸層。顯然，采用IP技術(shù)路線，將有助于實現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)部署和管理，而且無需協(xié)議轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層IP承載的無縫連接，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。IP協(xié)議還具有以下特點適應(yīng)于泛在網(wǎng)的需求，包括：

(1)IP協(xié)議是由 IETF標(biāo)準(zhǔn)化的開放協(xié)議，使用它不需要交額外的授權(quán)費用。

(2)IP協(xié)議是輕量級的協(xié)議。IP曾經(jīng)被認為是重量級的，但是最近許多小型的輕量級IP協(xié)議棧已經(jīng)成功開發(fā)，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能夠滿足感知延伸層低功耗、低存儲容量、低運算能力智能終端的特殊需求。

(3)IP協(xié)議可擴展性強。如IPv6協(xié)議能夠支持巨大的地址空間，采用分層的地址結(jié)構(gòu)能夠支持較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

(4)IP 協(xié)議可管理性強。IP網(wǎng)絡(luò)具有一套完全成熟并被廣泛認可的管理協(xié)議和機制。

(5)IP協(xié)議設(shè)計的健壯性、靈活性以及協(xié)議分層的理念架構(gòu)，使其能夠支持幾乎所有的應(yīng)用類型，包括遠程設(shè)備控制等低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用，IP電話等延遲敏感的應(yīng)用，以及文件下載等大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用等。

(6)IP 協(xié)議與底層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議無關(guān)。IP技術(shù)采用了分層架構(gòu)，使其能夠工作在任何物理層面上，從有線到Wi-Fi到低功耗無線電等。

(7)IP 網(wǎng)絡(luò)無所不在，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)都提供有線或者是無線方式的IP接入。

因此，從技術(shù)層面來看，在泛在網(wǎng)感知延伸層采用IP技術(shù)路線將能夠更好的滿足泛在網(wǎng)未來的發(fā)展需要。

4.2 IPv6技術(shù)在泛在網(wǎng)感知延伸層的應(yīng)用

在泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，要實現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源量來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應(yīng)用的規(guī)模普及之后，地址的需求會迅速膨脹。從目前可用的技術(shù)來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求。 IPv6協(xié)議除具有4.1節(jié)描述的IP協(xié)議通用特性之外，還具有如下特點：

(1)即插即用。IPv6引入自動配置以及重配置技術(shù)，對于 IP地址等信息實現(xiàn)自動增刪更新配置，提高IPv6的易管理性。

(2)安全性。IPv6集成了IPSec，用于網(wǎng)絡(luò)層的認證與加密，為用戶提供端到端安全。

(3)服務(wù)質(zhì)量。新增流標(biāo)記域，為源宿端快速處理實時業(yè)務(wù)提供可能。

(4)移動性。移動IPv6增強了終端的移動特性，為用戶提供了永久在線的服務(wù)。

上述特性使得IPv6除滿足泛在網(wǎng)巨大地址空間的需求之外，也能更好地滿足泛在網(wǎng)智能終端的互聯(lián)需求，但是需要對協(xié)議棧進行必要的簡化，改進路由機制以滿足低功耗、低存儲容量、低運算能力的智能節(jié)點以及存在損耗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的特殊組網(wǎng)需求。

5 應(yīng)用于泛在網(wǎng)絡(luò)感知/延伸層的IPv6技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作組和6lowAPP負責(zé)研究感知延伸層的IPv6應(yīng)用和低功耗路由相關(guān)協(xié)議。

(1)6lowPAN(IPv6 over Low Power WPAN)工作組的研究重點為適配層、路由、包頭壓縮、分片、IPv6、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)。該工作組已完成兩個RFC：《概述、假設(shè)、問題陳述和目標(biāo)》(RFC4919);《基于IEEE802.15.4的IPv6報文傳送》(RFC4944)。

(2)ROLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)工作組主要研究低功率損耗網(wǎng)絡(luò)的路由問題。該工作組已完成兩個RFC：《市區(qū)低功率損耗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的路由需求》(RFC5548);《低功率損耗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工業(yè)路由需求》(RFC5673)。

(3)6lowAPP主要研究基于資源約束的節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如無線嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。目前，6lowAPP還不是IETF的一個工作組，在IETF75 “BarBOF”會議中明確了5個研究領(lǐng)域，包括應(yīng)用協(xié)議、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、傳輸、安全和數(shù)據(jù)表述。

成立于2008年9月的IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也大力倡導(dǎo)將泛在網(wǎng)感知延伸層融合到IP技術(shù)體系中。IPSO聯(lián)盟的目標(biāo)是提供給用戶更多的有關(guān)智能物體和工業(yè)領(lǐng)域以及市場方面的信息。該聯(lián)盟將提供案例研究和白皮書，跟蹤IETF和其它標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)，組織演示和互操作性測試等工作。IPSO開始工作的第一個目標(biāo)是，在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上實現(xiàn)IPv6的互操作性。目前，已發(fā)布了4個相關(guān)的白皮書，包括IP技術(shù)應(yīng)用于智能物體、輕量級的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以及鄰居發(fā)現(xiàn)機制。

6 結(jié)束語

在未來的泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)將不再是被動地滿足用戶的需求，而是要主動感知用戶場景的變化，并進行信息交互，為用戶提供個性化的服務(wù)。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，未來幾年，泛在網(wǎng)將處于泛在物聯(lián)階段，即以滿足物物通信需求目標(biāo)為主。因此，可以結(jié)合終端設(shè)備對地址的大量需求，以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和端到端的業(yè)務(wù)管理為出發(fā)點，考慮在相對封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6技術(shù)，實現(xiàn)智能物體的泛在互聯(lián)，同時帶動整個IPv6產(chǎn)業(yè)的成熟，為下一代互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署IPv6技術(shù)奠定基礎(chǔ)。