IP网络承载物联网业务能力研究

物联网就是把任意物品，通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议与传统的通信网络连接起来，进行信息交换和共享，以实现远程数据采集和测量、智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网使物体与互联网等各类通信网络相连,获取无处不在的现实世界的信息,实现物与物、物与人之间的信息交互,支持智能的信息化应用,实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合,最终形成统一的智能基础设施。从本质上看,物联网是架构在网络上的一种联网应用和通信的能力。

    据美国权威咨询机构Forrester预测，未来物联网的通信量是当前互联网的30倍。姑且不去论证其预测是否具有科学性，但可以肯定的是，物联网的通信量将成为未来IP网络流量的重要组成部分，必将对IP网络承载能力产生深远影响。同时，物联网应用的复杂性和多样性也对网络的“智能”提出了更高的要求。当前互联网的承载网是一种“尽力而为”的分组传输网络，并不适合物联网业务的“可靠传递”。物联网的承载网络则要求具备更多的电信级的特性，对网络服务质量、安全可信、可控可管都提出了很高的要求。为满足物联网业务的承载，需要进一步提升接入网、城域网、骨干网的电信级要求，包括端到端服务质量(QoS)能力、网络自愈能力、业务保护能力、网络安全等。现有基于互联网应用的开放的IP网络架构是否需要为未来承载海量的物联网数据而优化、调整和改变？这一切都需要不断深入研究和实践验证。

    文章对物联网业务承载能力及业务需求进行分析，对IP网络承载物联网业务相关能力进行研究和探讨。

1 物联网业务承载能力及业务需求分析

1.1 物联网业务承载能力分析
    当前各个行业广泛存在的物联网应用可以分为6种基本类别：监控报警类、数据采集类、信息推送类、视频监控类、远程控制类、识别与定位类。下面对这6种基本应用所需要的网络承载能力进行分析。

    (1) 监控报警类
    感知层的传感器节点持续监测本地数据，当发生不符合预期的数据变化时通过网络通知应用层进行报警。典型应用场景如家庭安防、环境监控等。

• 上行流量：数据量少，仅在某些触发条件下发送少量数据
• 下行流量：无
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求以及当前数据所代表的含义有关，通常对报警数据传输的实时性要求较高
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：出厂/软件或本地安装时设定，或者通过在线远程配置
• 对连接性的需求：需要监控连接性以防破坏和无效
• 对数据处理的需求：应用强相关，无通用可共享的数据
• 终端移动性：与应用需求相关

    (2) 数据收集类
    感知层的传感器节点对环境感知数据进行周期性和持续性的采集并上报。在一个传感器网络中通常散布有大量的传感器节点，这些节点采集的数据由某个中心控制节点进行收集、汇聚后通过网络上传到应用层。典型的应用场景如气象信息监测、森林火灾预警监测、路况信息收集等。

• 上行流量：数据量较大，持续的数据上报或者周期性数据上报
• 下行流量：较少，更多的是用于修改上报规则等
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求以及当前数据所代表的含义有关
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：更多的是应用交互，由应用定制的参数较多，因此应用负责应用层设备管理，网络参数的设定则需要与网络耦合较强部分进行设定
• 对连接性的需求：需要监控连接性以防破坏或无效
• 对数据处理的需求：应用相关，部分数据可共享（如路况信息）
• 终端移动性：与应用需求相关

    (3) 信息推送类
    根据终端的请求，或由应用系统持续性或周期性地向远程终端设备主动推动信息的应用。典型应用场景如智能博物馆、电子广告牌、车站交通信息通知等。

• 上行流量：数据量不定，常用于进行应用交互
• 下行流量：较大，持续或者基于交互等外界条件出发的或者周期性的数据推送
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求以及当前数据所代表的含义有关
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：通过在线远程配置，或者出厂/软件或本地安装时设定
• 对连接性的需求：较强，需要维护网络连接以便于进行数据的正确传输
• 对数据处理的需求：应用相关，可共享度低
• 终端移动性：两极分化，部分终端有很强的移动性，部分终端则通常不移动

    (4) 视频监控类
    终端把实时采集的视频数据通过网络持续地向监控中心发送。典型应用场景如行业视频监控、全球眼等等。

• 上行流量：数据量大，更多的是基于Session的持续的多媒体流
• 下行流量：较小，主要用于数据传输等的控制和调节
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：更多的是应用交互，由应用定制的参数较多，因此应用负责应用层设备管理,网络参数的设定则需要与网络耦合较强部分进行设定
• 对连接性的需求：较强，需要维护网络连接以便于进行数据的正确传输
• 对数据处理的需求：应用相关，可共享度低
• 终端移动性：两极分化。部分终端有很强的移动性，部分终端则通常不移动

    (5) 远程控制执行器类
    感知层的传感器节点通过对现场环境进行持续性监测或数据采集，并通过网络发送至应用系统，或者当检测到不符合预期的异常事件时立即通过网络报警。应用系统对上传的数据进行分析、处理后，根据情况向执行器发送远程控制指令。典型应用场景如工业自动化中的过程控制、电力自动化系统的继电保护等。

• 上行流量：无，如有则可以认为是与数据收集类的组合
• 下行流量：数据量不定，取决于实际应用
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求有关，但通常对控制消息传输的实时性较高
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：更多的是应用交互，由应用定制的参数较多，因此应用负责应用层设备管理，网络参数的设定则需要与网络耦合较强部分进行设定(Enabler)
• 对连接性的需求：较强，需要维护网络连接以便于进行数据的正确传输
• 对数据处理的需求：应用相关，可共享度低
• 终端移动性：两极分化，部分终端有很强的移动性，部分终端则通常不移动

    (6) 识别与定位类
    RFID或GPS终端设备把物体的电子标签或位置信息通过网络发送到应用系统，由应用系统对物体进行智能化的识别、定位和追踪。典型应用场景如物流货运、车辆调度等。

• 上行流量：数据量较大，持续的数据上报或者周期性数据上报
• 下行流量：RFID等识别类终端无下行流量，但对于具有GPS定位功能的终端，可能会根据位置信息推送相应的服务
• QoS要求：不同场景间有较大差异，与应用需求以及当前数据所代表的含义有关
• 数据安全：不同场景间有较大差异，与应用需求有关
• 设备管理和配置：通过在线远程配置，或者出厂/软件或本地安装时设定
• 对连接性的需求：需要监控连接性以防破坏或无效
• 对数据处理的需求：应用相关，部分数据可共享
• 终端移动性：与应用需求相关

    表1列出了这6种基本物联网应用对网络承载网络能力需求的对比关系。

    从物联网业务数据传输的实时性来看，不同的物联网应用对数据传输的实时性要求差异性较大。美国仪表系统和自动化学会关于工业环境下的无线系统标准委员会(ISA-SP100)把自动化和环境控制中的应用分为监控、控制、安全应用三大类，又细分为六小类。第4、5类为报警监控类应用，为基于事件的维护而必须采集的数据，一般不对监控对象产生直接的控制和操作，对实时性要求一般，如工业环境中设备状态的监控；第3类为开环控制类应用，用户接收到采集数据或报警信息后需要人工对监控对象进行处理和干预，对实时性要求较强，如设备工作电压过低或电池电量不够等；第1、2类为闭环控制类应用，当系统接收到采集数据后需要即时对监控对象进行频繁的远程控制和调节操作，对实时性要求很强，如过程控制中的工作参数（电压/电流的变化、温湿度变化、压力/振动的变化）需要动态调节在一个设定的范围；第0类为关键的紧急行动类应用，需要通过远程控制立即执行，对实时性要求极强，如安全连锁、紧急停车、电力自动化系统中的继电保护等动作。

1.2 物联网基本业务需求
    从上节的应用场景可以看到，不同的物联网业务对网络带宽、实时性、数据安全性、终端设备移动性以及连接时长等有不同的需求，欧洲电信标准化组织(ETSI)和第三代合作伙伴计划专门针对机器到机器(M2M)业务需求制订了相应技术规范[1-2]，以下是M2M应用的典型需求：

• 提供可以承诺服务质量的通信保障：根据不同的M2M应用需求提供不同级别的QoS保证。
• 提供端到端的业务安全：移动业务现有安全系统建立在基于用户卡的鉴权，而基于机器类业务的主要区别在于采集数据和控制外部环境的核心是机器，在现有的业务网络，终端设备和用户卡不具有同等的安全保障，因此机器通信的安全是M2M业务需要重点支持的功能。
• M2M系统可以寻址到各种M2M终端设备。
• 支持群组管理，多个具有相同功能的M2M终端设备节点可以组成一个群组，支持对同一群组中的终端设备同时进行相同的操作。
• 终端设备远程管理：由于M2M终端设备通常情况下是无人值守的，因此M2M终端设备的远程管理需求是M2M业务的最基本特征，需要支持对M2Ｍ终端设备进行远程参数配置和远程软件升级等远程管理功能。
• 支持不同流量的数据传输，例如在视频监控业务中有大量的视频数据需要传输，而在智能抄表业务中只需要传输少量的数据信息。
• 支持多种接入方式，能够支持固定和移动形态的终端设备通过各种方式接入。
• 支持终端设备数量的扩展，新加入的终端设备可以方便地加入到网络中来。
• 支持多种信息传递方式，包括单播、组播、任播和广播。
• 支持具有不同移动性的终端设备，有些终端设备是固定的，而另一些终端设备则可能是低速移动或高速移动，对于移动终端设备可以支持终端设备的漫游与切换，为用户提供一致的业务体验。
• 支持终端设备的休眠模式：由于很多M2M终端设备是没有电源供电的，节约能量的消耗对这样的M2M终端设备很重要，所以有些终端设备会在工作一段时间后根据一定的策略转入休眠状态，M2M终端设备在休眠之后要能接收到在休眠过程中的数据信息。

2 IP网络承载物联网业务能力研究
  根据对物联网业务承载能力及基本业务需求的分析，文章将从以下10个方面对IP网络承载物联网业务能力进行研究和探讨。

    (1) 接入的广覆盖与多样性
  为满足物联网无处不在的接入需求，接入网络应具备地域上的广泛覆盖性和多样化的接入方式。2G/3G移动网络能很好地满足各种物联网终端接入场景下的移动性需求，但是在数据传输的稳定性、实时性、可靠性、高带宽性等方面存在不足，无法满足某些物联网应用的需求；而固网宽带具有链路质量稳定可靠、高容量的带宽资源、良好的传输实时性等优势，恰恰能够弥补这种不足。根据不同的应用场景，选择合适的通信接入模式，将有线网络、无线蜂窝网、传感网3种通信方式有机融合起来，满足物联网应用的按需接入网络。

    (2) 终端标志与寻址
  物联网标志需求包含以下内容：

• 核心网应唯一标志物联网终端设备。物联网终端和网关设备都应有规范的设备编码、标签等标志信息，以支持对设备的辨识、寻址与追踪。除此之外，根据业务需求和网络特点决定是否需要对感知延伸层的传感节点进行寻址，如果需要，则提供唯一的地址标志，从而保证物联网业务的用户可以通过网络寻址到特定的传感节点。物联网设备可选择的标志有国际移动用户识别码(IMSI)、移动用户电话号码(MSISDN)、通用资源标志符(URI)、用于SIP会话的通用资源标志符(SIP URI)等，也可根据设备所在的地理位置、所属行业、业务类型等属性进行标志。
• 核心网应支持海量终端的标志。由于物联网终端数量庞大，现有的移动终端使用的IMSI、MSISDN标志资源无法满足快速发展的物联网业务对标志的需求，因此在设备标志的选择上需要充分考虑到标志的可扩展性。
• 核心网应提供终端标志的地址解析能力。核心网需提供一种物联网终端标志与IP地址的动态或静态映射机制，使得应用系统能根据设备标志正确寻址到特定的终端。

    (3) 接入控制
    网络层必须提供对物联网终端/网关设备的接入控制能力。终端设备通过PPPoE、IPoE等拨号方式或专线方式接入网络，经由网络层（如城域网接入控制设备SR与AAA服务器的配合）的鉴权、授权后获取IP地址以及相应网络资源后方可使用网络。同时，网络层还需维护终端会话连接，监测会话连接状态，为物联网业务平台或应用系统提供终端的通信状态信息。

    网络层应具有业务感知能力和网络资源控制能力，针对不同类型的业务进行网络资源区别配置，按照不同业务属性的要求合理调度网络资源，保证业务的功能和性能。

    (4) 认证与计费
    网络层必须提供对物联网终端/网关设备的认证与计费功能。终端必须通过认证后才能接入网络。网络应能提供按连接建立时长、使用流量、连接次数、业务类型等多种灵活计费策略。

    (5) 流量控制与拥塞控制
    拥塞是一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源（包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等）的需求超过了其固有的容量。拥塞导致的直接结果是分组丢失率提高，端到端时延加大，甚至有可能使整个系统发生崩溃。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞吐量急剧下降。
拥塞控制就是网络节点采取措施来避免拥塞的发生或者对拥塞的发生做出反应。与流量控制相比，拥塞控制主要考虑端节点之间的网络环境，目的是使负载不超过网络的传送能力；而流量控制主要考虑接收端，目的是使发送端的发送速率不超过接收端的接收能力，实际上流量控制只是实现拥塞控制的一种技术实现途径而已。拥塞控制算法包含拥塞避免和拥塞控制这两种不同的机制。拥塞避免是“预防”机制，他的目标是避免网络进入拥塞状态，使网络运行在高吞吐量、低延迟的状态下；拥塞控制是“恢复”机制，它用于把网络从拥塞状态中恢复出来。

    大规模物联网业务流环境下对网络提出以下拥塞控制要求：
    (a) 接入网、核心网能够准确、有效地判断拥塞及过载状况的发生：
在拥塞及过载情况下，接入网应当能够限制终端设备的接入，避免终端设备不断发起接入/连接请求加剧接入网的拥塞和过载；

    在拥塞及过载情况下，接入网应当能够基于群组、用户或业务优先级拒绝终端设备的连接建立请求，以降低终端对接入网带来的信令拥塞。

    (b) 大规模物联网业务流环境下的拥塞控制方法：

• 网络应支持基于随机早期检测算法(RED)或加权早期检测算法(WRED)的拥塞避免算法。
• 终端宜采用具有端到端拥塞控制功能的传输控制协议(TCP)传送业务数据，以便从数据源中减轻网络的负荷。

    (6) QoS能力
    网络应具备根据物联网业务类型、用户类别等设置不同服务级别的能力,以提供相应级别服务。并支持能够根据物联网应用特点动态调整服务级别的能力。支撑物联网业务的传输网络的丢包和时延性能指标应符合YD/T 1171-2001《IP网络技术要求－网络性能参数与指标》[3]中规定的1级（交互式）QoS等级，丢报率上限不超过1×10-3；网络时延上限值为400 ms；时延抖动上限值为50 ms。

    (7) IPv6接入技术
    物联网业务的规模发展阶段，大量的终端设备接入网络，IPv4地址无法满足海量终端的接入需求，终端需要支持基于IPv6的PPPoE和IPoE拨号接入方式以及专线接入方式，同时网络也需要支持终端的多种IPv6接入技术。接入网支持IPv6接入技术的具体要求包括：

• 城域网接入控制设备：需要支持IPv6CP、DHCPv6、DHCPv6 Prefix Delegation以及RADIUSv6等功能。
• AAA服务器：需要支持RADIUSv6，以满足物联网终端的认证、授权和计费功能。
• DNS服务器：需要支持DNSv6，实现对域名的IPv6地址解析。
• 物联网终端/网关设备：需要支持IPv6协议栈，如IPv6邻居发现协议、无状态自动配置协议、有状态自动配置协议等；需要支持IPv6CP、DHCPv6、DNSv6等。

    (8) 数据传输的可靠性
    物联网对数据传输的可靠性要求因行业应用的不同而存在差别，但总体来说比人与人通信具有更高的可靠性要求，特别是在一些监测控制领域的应用。因此，承载网络需要具有较好的网络自愈能力，当发生网络节点或链路故障时，能快速对业务进行保护倒换，为物联网业务提供备用路由。

    骨干网的可靠性可采用多协议标签交换(MPLS)技术、快速重路由技术、快速路由收敛等技术实现业务的快速切换。城域网的可靠性包括：在城域网业务接入控制节点宽带远程接入服务器/业务路由器(BRAS/SR)实施各种备份技术；在接入网采用基于SDH 的多业务传送平台/分组传送网(MSTP/PTN)等具有类似SDH的保护倒换特性和丰富的操作管理和维护(OAM)管理功能的分组传输设备，实现对重点行业或高等级行业的专线或虚拟专用网络(VPN)接入。

    (9) 安全性考虑
    物联网与人们的生活息息相关，其可能引发的安全威胁也可由网络世界延伸到物理世界，因此其重要性不言而喻。物联网的安全性考虑主要包括承载网络的安全、终端/网关接入网络的安全以及物联网应用数据传输的安全等方面。

    承载网络安全主要通过对网络设备、路由的安全保护，强化网络的抗攻击能力，提高网络的可用性、生存性，并防范外部环境对网络的流量攻击。

    终端/网关接入网络的安全是指物联网终端或网关设备必须通过网络的认证和授权，才能接入网络，并获取相应的网络资源，防止非法或未经授权的终端/网关访问网络。

    物联网应用数据传输的安全主要是对于某些机密数据，为确保数据在传输中不被篡改或窃取，需要对数据进行加密或对数据进行完整性保护。对于安全性较高的物联网应用数据，承载网通过对物联网数据进行适当的安全隔离可提高数据传输的安全性，如采用专线、IPSec、虚拟专用拨号网(VPDN)、虚拟局域网(VLAN)、二、三层VPN等传输方式。

    (10) 网络管理
    为了方便、快捷、高效地开展物联网业务，更好地为公众和行业用户提供物联网服务，需要对接入网、传送网和核心网的各种物联网业务提供能力进行管理，包括物联网业务能力的配置、性能监测、故障管理、远程控制等。

    物联网业务能力的配置：在接入网、传送网和核心网相关网元设备中对物联网应用相关能力进行配置，如VPN、带宽、QoS属性、计费策略、备用路由、接入方式、地址分配、数据安全加密保护等等。

    性能监测：对物联网业务的承载网络性能进行端到端的监测，如链路的连通性、链路的误码特性；网络设备CPU利用率、内存利用率、设备运行状况；终端拨号接入网络的呼叫性能数据，如并发连接数、接入成功率；业务流的延时、抖动、丢包情况等。

    故障管理：对网络中的网元、链路进行实时监测，发现故障能及时告警，并能进行远程诊断、故障定位以及故障恢复操作。

    远程控制：物联网终端的一个显著特征是无人在现场对终端进行干预和值守。当物联网终端不存在电路域的通信方式，只能通过分组域进行通信时，网管需要提供对此类物联网终端的远程控制机制，在IP不可达时，仍能实现对终端的远程接入或断开网络。

3 结束语
    物联网让地球变得更加智慧，使人类的生活变得更加美好。受到国家和各级政府的高度重视，物联网正在步入良性发展轨道。为应对大规模物联网应用时代的到来，电信运营商必须提前做好准备，以大容量、优质高效的网络实现对物联网业务的承载。物联网的特征表现为“全面感知、可靠传递、智能处理”，在影响物联网发展的这3个环节中，电信运营商须在“可靠传递”这个环节下足功夫，做好精细化的智能管道，为物联网行业、家庭、个人应用提供通信保障服务。同时，物联网对承载网络的服务质量、安全可信、可控可管等提出了更高的要求，需要电信运营商不断优化网络结构，提升网络性能。

4 参考文献
[1] ETSI TS 102 689. Machine-to-Machine Communications (M2M): M2M Service Requirements[S].2010.
[2] 3GPP TS 22.368. Service Requirements for Machine-Type Communications[S].2010.
[3] YD/T 1171-2001.IP网络技术要求—网络性能参数与指标[S].2001.

收稿日期：2011-03-10

[摘要] 物联网的通信量将成为未来IP网络流量的重要组成部分，必将对IP网络承载能力产生深远影响。物联网应用的复杂性和多样性也对网络“服务质量、安全可信、可控可管”等各个方面提出了更高的要求。文章对物联网业务承载能力及业务需求进行了分析，对IP网络承载物联网业务相关能力进行了研究和探讨。同时指出为适应未来大规模物联网业务的承载，需要进一步提升电信级的IP网络能力。

[关键词] 物联网；IP网络；承载能力；实时性；服务质量

[Abstract] Internet of Things traffic will be an important part of IP network traffic in the future and will heavily impact the IP network. More complex and diverse Internet of Things applications will place higher requirements on all aspects of the network, including QoS, safety and reliability, controllability, and manageability. This paper analyzes the service requirements of the Internet of Things and the ability of IP networks to carry it. We suggest that carrier-classed IP networks need to be upgraded in order to satisfy large-scale Internet of Things applications in the future.

[Keywords] the Internet of Things; IP network; bearing capability; real-time; quality of service