互联网与物联网*

蒋林涛

（工业和信息化部电信研究院 北京 100191）

蒋林涛 工业和信息化部电信研究院科技委主任，工业和信息化部电信研究院原总工程师，IP与多媒体标准技术工作委员会主席。长期从事多媒体、数据通信的研究和开发工作，国家‘863’通信主题多媒体专业专家组一、二、三届成员。1992年获国务院颁发的政府特殊津贴，1996年获“中华人民共和国有突出贡献的中青年科学技术专家”称号。

物联网是目前热议中的话题，讨论的主要问题之一是物联网与互联网的关系。物联网是完全不同与互联网的一种全新的网络？物联网是互联网的延伸？目前众说纷纭，没有统一的说法。物联网在ITU-T中写成Internet of things，从这个出发很容易理解成物联网是互联网向物体世界的延伸，目前的互联网中就有大量的物与物的通信，如果从这一点出发，物联网只要对互联网作适当的延伸就可以了。但事实上，物联网与互联网在技术需求上又有很大不同，物联网很难从目前的互联网延伸而来，尤其是互联网的承载网（端到端）是单一的，它是IP网；而物联网的承载网（端到端）无论如何不可能是单一的承载网。

互联网最初指的是通过TCP/IP将异机种计算机连接起来，实现计算机之间资源共享的网络技术；互联网包括一个分组数据网（IP网）和用于进程复用的TCP（UDP）协议，互联网还包括基于IP数据分组技术和使用TCP/IP的全部业务和应用。从这个定义出发，不使用IP网不使用TCP/IP协议的网络不称为互联网。

互联网是20世纪最伟大的发明之一，自20世纪90年代以来，互联网高速发展，与全球化深入交织，对生产生活、科技创新、社会服务和文化传播产生了深远影响，推动了世界发展格局巨大变迁和人类社会向信息社会的深刻转型。物联网是否就是互联网的延伸则是需要讨论的。

物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为“智能物体”，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的通信。

1 互联网

互联网是辉煌的，没有互联网就没有信息化的现代社会。但互联网是否是技术很完美的，已经能够完全满足信息社会发展的需要呢？答案是否定的。目前的互联网正处于发展的十字路口，互联网的发展面临两个体系性瓶颈，这两个体系性的瓶颈如果不解决，将会严重的影响互联网的发展。两个体系性瓶颈是：地址空间短缺，现有IPv4地址体系已无法满足互联网发展普及的需要；网络的安全、可信、可管可控和服务质量等矛盾无法在现有互联网体系架构得到根本解决，而网络的安全、可信、可管可控和服务质量又严重的影响互联网的发展。这两个体系性瓶颈不解决，互联网就无法得到进一步的发展。

国际上对下一代互联网的研发部署也主要围绕这两个方面进行，第一个体系性瓶颈比较好解决，将IPv4地址体系向IPv6地址体系的迁移就可以了。这项工作在20世纪末即已开始，IPv6的研究、试验和产业化工作已经进行了10多年，但是进展是不顺利的。其根本的原因是IPv6部署的根本动因来自于地址资源不足，由于IPv6不能直接带来独特业务和市场机会，又需要巨大资金投入，因此产业链各方商业动力不足，而单靠某个环节行动又无法真正启动市场，这也是过去几年各国和产业链各方既期待又等待观望的重要原因。IPv6涉及从网络、应用、设备、终端到软件和芯片的各个方面，任何环节疏漏都可能导致部署失败。IPv6部署还涉及到现有数10亿互联网用户、海量信息以及已部署的经济社会各类重要应用的服务延续性，必须保证产业链各环节的高度协同方有可能实现无缝平滑演进。但是不管有多大的困难，随着IPv4地址的耗尽（分配完毕）IPv6因其是目前唯一可用的技术，其推进速度将会大大加快，IPv6的使用可以解决第一个体系性瓶颈。

第二个体系性瓶颈在目前来说是世界性难题。互联网体系架构问题说到底是IP网的问题，IP网成就了目前的互联网的成功，没有IP网的突破就没有现在的互联网。同样，目前互联网的体系瓶颈也在IP网，IP网是数据分组网的一种，它的特点是采用不面向连接的工作方式，数据分组网采用不面向连接的工作方式不是IP网的创新，X.25中早期的数据报就是采用不面向连接的工作方式，但是由于找不到合适的应用，在最后的X.25标准中被去除了。此后的所有数据网全部采用了面向连接的工作方式。IP网是采用不面向连接的工作方式而又得到了广泛应用的分组数据网。但是，IP网没有顶层设计，IP网是唯一的边使用边完善发展起来的网络；由于没有顶层设计，顶层出现“基因缺陷”的问题的时候，那就不好解决了。正因为这个原因，目前对IP网的改进，有的已经进入歧途，IP网的成功是采用了不面向连接的工作方式，但目前为了安全、可信和服务质量等问题，采用面向连接的工作方式（如MPLS等），这是与IP网的原始设计和它得以成功的最主要特性是背道而驰的。10余年来，互联网特别是IP网一直在改，但始终不能解决根本问题，在经过3年（2000～2003年）的研究，美国的主流互联网专家得出结论为，要互联网可持续发展必须要重新设计新一代的互联网。当然，新一代互联网的关键是新一代分组数据网。

下一代互联网必须要解决的问题：网络的安全、可信问题；可知、可管、可控资源（服务质量，绿色节能）问题；商业模型问题和可扩展性问题。这些问题的彻底解决是在分组数据网中实现的。

新型分组数据网不会是目前的IPv6网，因为IPv6网除了解决地址问题外，其他问题都解决不了，特别是网络的安全、可信和网络资源的可控、可管，与IPv4网比较没有任何进步。新型分组数据网必须要有顶层设计，在设计之初就要尽量避免存在“基因性缺陷”，新型分组数据网必须解决网络的安全、可信问题；可知、可管、可控资源（服务质量，绿色节能）问题；商业模型问题和可扩展性问题。当然，新型分组数据网要与现有的IP网络及业务能够实现无缝的融合，新型分组数据网对我国是挑战更是机遇，是获取核心技术话语权的良机，是实现战略超越的机遇。

相比之下，IPv6标准已经基本制订完成，IPv6的核心技术和知识产权也已各有所属，西方发达国家仍旧掌控着IPv6的全部核心技术的话语权；IPv6技术还有改进的余地，但所剩的技术话语权毕竟是很有限了。IPv6网与IPv4网相比较没有本质性的改进和变化，IPv6网能解决的也仅是地址短缺问题和与地址有关的问题，其它传统互联网存在的问题还是解决不了。对我国而言，下一代互联网存在巨大的机会，从战略发展角度来说，坚持自主创新，掌握下一代互联网技术的话语权，更符合我国的国家利益。

2 物联网

与互联网相比较，物联网的概念、范围、技术体系、标准都是不清晰的。目前的定义是：“物联网（Internet of things）是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为‘智能物体’，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的通信。”物联网（目前物联网可以分为两大类）的工作范围是：一类是体积小、能量低、存储容量小、运算能力弱的智能小物体的互联，如传感器网络；另一类是没有上述约束的智能终端的互联，如智能家电、视频监控等。

有一点是肯定的，物联网将建立在分组数据技术的基础之上，它采用数据分组网作为它们的承载网；与互联网不同的是，互联网的承载网是单一的网络，即IP网，它提供端到端的数据分组传送能力；物联网的承载网可以肯定也是分组数据网，但它的主干网和它的末梢网是否采用单一的网络，则是不确定的，它的主干网可以是IP网，但是从目前的现状来看，物联网对网络的要求，特别是安全、可信网络、可知、可管、可控资源（服务质量，绿色节能）方面，其要求远高于目前的IP网能提供的能力，因此更大的可能是采用更为先进的分组数据网来用作它的主干网。而它的末梢网就不一定了，特别是对智能小物体的物联网，无论是组网形式或通信协议等均有很大的差异，因此物联网的末梢网将是多种，从目前可以看到的物联网的末梢网就有多种：家庭网络、个域网、汽车网络、传感网等。预期，物联网端到端将不会采用同样的协议体系，从这个意义来说，物联网的体系结构与互联网的体系结构是有差异的。

对物联网的主干网的要求为：网络安全、可信，资源（服务质量，绿色节能）可知、可管、可控，支持多种商业模型、提供网络具有可经营的能力，网络可扩展，网络可以持续发展，不会因为资源短缺或“基因性缺陷”而阻碍发展。对物联网的主干网的这些要求与对新型互联网的要求比较来看，它们是很相似的，这种相似和一致性意味着物联网的主干网与互联网的主干网是有可能合一的，当然这里的互联网是指采用新型分组数据网的互联网，而不是现在的互联网；当然这里仅仅是指主干网，而不是端到端的网络环境。

物联网的末梢网的要求与所连的物是相关联的。物联网所连的物体，从大类来说可以分为两大类：第一类是智能小物体。智能小物体的最大问题是供电问题，因为一般来说它是用电池来供电的，因此支持智能小物体的末梢网必须使用轻量级的通信协议、可靠的低速率传输，以便能够更经济的进行长时间的工作；智能小物体的数量大，因此要有足够大的地址空间来支持它可持续发展；网络要具有自组织的能力、网络具有良好的可扩展性有利于其方便的建网。第二类是支持智能终端的连接，如智能家电、视频监控、工业设备、农业设备、交通运输等的末梢网，对于这里物联网的末梢网来说，供电一般不会是问题，目前在运营中的物联网，如智能家电的物联网、视频监控的物联网，直接就用IP网。但是从根本来说，物联网不能建设在一个不安全、可信，资源不可控、可管的网络上，即使在目前的场合，用IP网也都是在IP专网上，如果要用作公用物联网的末梢网络，其要求将会是：网络安全、可信，资源（服务质量，绿色节能）可知、可管、可控，支持多种商业模型、提供网络具有可经营的能力，网络可扩展，网络可以持续发展，不会因为资源短缺或“基因性缺陷”而阻碍发展。这些要求是与主干网相同的，当然对这类物联网来说，它的末梢网可以与主干网可采用相同的协议，可以与主干网采用相同的网络结构，它将会是端到端的新型分组数据网。从上述分析可以看出，物联网的承载网有两件事可做，第一，研究开发新型的分组数据网，新型分组数据网必须是安全、可信，资源（服务质量，绿色节能）可知、可管、可控，而不能是只提供“尽力而为”传输能力的网；第二，规范物联网的末梢网的标准，目前国际上已经有两类末梢网的标准化工作在进行了，它们是ZigBee和IPSO，其中一个是针对智能小物体的，另一个也可以用于智能小物体。

由于数据分组网提供端到端的数据分组的传送能力，物联网的业务网就无须去考虑它所生成的数据分组的传送。因此，物联网的业务网可以独立发展，独立设计。

物联网的业务网可以有：采集类、广播类、会话类、消息类（存储转发类）、检索类等业务类型，物联网的业务网还可以是上述业务的组合，以此组合成纷繁复杂的业务类别。物联网的业务网不会是垂直孤立的网络架构，物联网的业务网将会有大量的共性技术，在这些共性技术的基础上，产生种类繁多的业务来；物联网的业务网是已经存在的大量业务网的继承和发展。

目前的物联网大多是属于采集类的业务网，如传感器网络，将各类环境信息通过传感器转换成数据信息，传输到相应的设备中去进行处理；又如视频监控网络，采用视频摄像头，将采集到的视频信息数字化后，传输到相应的设备中去进行处理；对家用电器的数据：如水表、电表、煤气表等的数据采集，对家庭如冰箱、微波炉等数据的采集和适度控制等；对物流系统中的物流信息的采集和处理等。当然，物联网的业务网绝非这样简单，也绝非只有采集类一类业务网形式。

3 物联网的部分网络技术

目前，智能小物体网络层的网络技术有两个。其一，基于ZigBee联盟开发的ZigBee协议进行传感器节点或者其它智能物体的互联；另一个，IPSO联盟所倡导的通过IP实现传感器节点或者其它智能物体的互联。

3.1 ZigBee技术

自2001年ZigBee联盟成立以来，一直致力于ZigBee技术的研究工作。ZigBee技术是基于底层IEEE 802.15.4标准，应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术，它定义了网络/安全层和应用层。

ZigBee协议栈紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件只需要32kbyte的ROM，最小功能协议软件只需要大约4kbyte的ROM。ZigBee协议支持动态路由机制，当网络节点发生故障时，能够快速收敛自愈。目前，支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构。ZigBee网络容量大，支持16bit和64bit两类地址空间。

ZigBee技术经过多年的发展，技术体系已相对成熟，并且形成了一定的产业规模。在标准方面，已发布ZigBee技术第3个版本V1.2；芯片方面，已能够规模生产基于IEEE 802.15.4的网络射频芯片和新一代的ZigBee射频芯片（将单片机和射频芯片整合在一起）；在应用方面，已广泛应用于工业、精确农业、家庭和楼宇自动化、医学、消费和家用自动化、道路指示/安全行路等众多领域。

ZigBee技术适用于短距离范围内的数据传输，要实现远距离的数据传送需要通过网关设备与现有的IP网络连接。

3.2 与IPv6相关联的技术

IPv6作为下一代网络协议，具有丰富的地址资源，支持动态路由机制，可以满足物联网对通信网络在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求。但是由于IPv6协议栈过于庞大复杂，不能直接应用到传感器设备中，需要对IPv6协议栈和路由机制作相应的精简，以满足对网络低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。目前有多个标准组织进行相关研究，IPSO联盟于2008年10月，发布了一款最小的IPv6协议栈μIPv6。

为满足低功耗、弱计算能力和有损耗的无线网络环境下网络自组织需求，需要对IPv6路由机制进行改进，目前IETF Roll工作组正在制定相关技术标准。IETF 6LoWPAN和Roll工作组正在制定将IPv6网络技术应用于低功耗、低传送速率的无线传感器网络的相关技术标准。目前，已发布基于IEEE 802.15.4网络传送IPv6报文的RFC标准，但相关构建6LoWPAN网络所必须的邻居发现机制、路由机制和安全、管理协议尚在进一步的研究中，标准体系尚未完善。

4 互联网与物联网

物联网和互联网的共同点是：技术基础是相同的，即它们都是建立在分组数据技术的基础之上的，它们都采用数据分组网作为它们的承载网；承载网和业务网是相分离的，业务网可以独立于承载网进行设计和独立发展，互联网是如此，物联网同样。

物联网和互联网的不同点是：用于承载物联网和互联网的分组数据网无论是网络组织形态，网络的功能和性能，对网络的要求都是不同的。互联网主要强调规范的开放性和通达性，对网络性能要求是：“尽力而为”的传送能力和基于优先级的资源管理，对安全、可信、可控、可管等都没有要求，IPv4是如此，IPv6也是如此；物联网对网络的要求就会高得多，目前实际上已经存在若干孤立的物联网系统，这些系统对实时性、安全可信性、资源保证性等都有很高的要求。这些要求是目前IP网难以提供的。因此从这方面来说，两者是有差别的，至少目前是如此。

在这里有两点是可以明确的。其一是，物联网不一定使用IP网，至少是目前这种只能提供“尽力而为”的传送能力的IP网，物联网对其承载网（分组数据网）的要求要远高于目前的互联网；其二是物联网，尤其是智能小物体的物联网，它要求采用尽力轻量级的通信协议，因此像TCP/IP那样复杂的协议不可能在智能小物体的物联网中使用。因此从这两方面来说，物联网将会是有别于互联网的网络环境，而不可能是互联网的一种简单的延伸。

到目前为止，通信主要是为了解决人的消费问题，这包括人与人之间的通信，人需要的信息消费，人需要的娱乐消费，当然人的欲望是无止境的，消费也将是无止境的，从这个意义来说，通信发展是无止境的；但是通信消费与个人收入比是刚性的，因此如果通信只考虑人的问题，通信发展是会受到制约的。

物与物之间需要通信，而且物与物的通信将创造新的价值，从而也为通信的发展提供动力和机会，这就是物联网的价值所在；物联网是新生事物，但不是凭空而来的，是在原有通信网基础上的继承和发展，事实上互联网的发展，大大加速了社会信息化的进程，为物联网的发展奠定了很好的基础。

互联网与物联网发展将会是相辅相成的，在相互学习中前进，在发展中走向融合。