泛在网网络技术需求分析及挑战

富尧，李冰琪

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京　100041；2.国家无线电监测中心，北京　100037）

泛在网网络技术需求分析及挑战

富尧1，李冰琪2

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京100041；2.国家无线电监测中心，北京100037）

泛在网的技术研究是多学科领域的综合与交叉，涉及架构设计、网络通信、软件与硬件、计算技术、智能控制技术等方面。本文重点讨论泛在网在网络技术方面面临的挑战，以及泛在网网络形态与组网方式、用户行为、业务提供模式、业务类型及数据流特征、控制方式等多方面的新需求，分析了泛在网网络技术在标识、解析与寻址体系、移动性管理、传输控制、服务质量保障、多连接支持等未来研究方向的重要意义及研究内容。

泛在网；网络技术；标识；解析与寻址；移动性管理；传输控制

1　引言

1.1泛在网的概念

“泛在网”在字面上可理解为广泛存在的网络。它以无所不在、无所不能、无所不包的基本特征，以实现任何时间、任何地点、任何人和任何物都能顺畅地通信为目标，其技术旨在实现人与物、物与物之间的沟通和对话。

1.2国际标准化组织相关研究及进展

目前，参与泛在网领域主要的国际标注组织有IEEE，ISO，ETSI，ITU-T，3GPP，3GPP2等，这些标准化组织根据自身背景，选择不同的切入点参与泛在网不同技术领域的标准化工作［1］，涉及的技术方面包括总体框架的研究、网络与通信、标识、感知延伸、射频识别、安全与隐私、应用技术方面。

2　泛在网网络技术面临的挑战

泛在网将通信的范畴由传统的人与人通信，扩大到人与物的通信、物与物的通信，这种延伸带来了网络形态与组网方式、用户行为、业务类型及数据流特征、控制方式等多方面的新需求。由此，泛在网的网络技术面临了以下的挑战：

2.1网络的异构特征

泛在网中网络的异构性表现为：其网络构成中既包括互联网、传统通信网（包括移动通信网）、宽带无线接入网等基础设施型网络，又包括传感器网络、无线自组织网络等无基础设施型网络。此时，这些异构网络之间的融合表现为多种形式：一是异构基础设施网之间的融合：体现为多种异构接入网以其互补特征共同为用户提供泛在的介入与服务，要求能够以抽象、统一的方式代替目前各接入网中分而治之的网络管理、控制技术；二是基础设施网与无基础设施网之间的融合：更多地体现在端到端的垂直方向，位于基础设施网与无基础设施网之间的网关设备负责数据转发、信息汇聚、协议转换等功能，成为这一类融合的关键所在；三是无基础设施网之间的融合：现有的泛在网应用中，感知延伸部分体现出明显的局部性，不同的延伸子网之间往往是割裂的，缺乏真正意义上的融合［2］。

2.2终端的协同性

终端协同是泛在网中实现异构融合、有效利用各种网络资源与能力的有效途径。泛在网中包括多种终端协同场景：一是单用户多终端协同：属于同一用户的多各终端构成终端群，协同服务于该用户。终端群的建立于维护、业务数据的分流传输与聚合、移动性管理等技术均加以扩展以适应其需求。二是多用户终端间中继协同：某个终端对其他用户的终端提供到基础设施网络的中继接入和数据转发能力。中继节点的发现与选择、多跳混合路由与重路由、通信方式的切换是该场景中的关键问题。三是多用户终端间的自组织协同：多个终端之间通过近距离通信技术实现自组织自网及组内直接通信。网络技术需解决终端间的动态发现与选择、自组织组网、寻呼、连接建立与维护等问题。四是多用户终端间P2P协同：更多的是一种应用驱动的协同场景。基于应用上的共同兴趣或基于相近的地理位置，多个终端之间通过P2P实现应用数据的共享、交互与补偿。网络技术需配合应用技术，实现重叠网的自组织建立与维护、数据流的汇聚与控制等功能。

2.3用户的移动性

泛在网中丰富的应用类型、通信模式和增强的终端能力，带来了更多样化的移动性场景和移动性需求。移动性场景的丰富体现为从传统的单模式终端移动到多模式的终端移动，从单个终端的移动到终端群的移动性，从人与人通信的移动性到M2M通信的移动性，从以保持通信为目的的被动移动性到优化用户体验为目的的主动移动性。从移动性的需求看，泛在网的移动性管理需具有多维、多粒度、多目标的特征［3］，需支持微移动、宏移动等不同维度，支持终端级、网络接口级、数据流级、个人移动性、业务移动性及子网移动性等不同目标。移动性管理技术的研究因此面临着以下的挑战：如何定义更加准确的移动性模型以描述用户在不同场景下的移动性行为特征，如何扩展现有位置管理及切换控制技术以满足各类场景与需求，如何实现异构系统之间的互操作，如何实现自适应的移动性管理等。

2.4业务数据流量特征

泛在网具有显著的业务驱动性特征，对业务流量特征进行准确的建模描述是网络架构和协议设计的重要基础。目前，较为成熟的业务流量特征描述局限于传统互联网、电信网的典型业务，对无线传感器网络的流量特征提取局限于基于不同应用场景的传感器网络内部流量建模［4］。而泛在网中的业务类型多样化，在通信对象、业务时长、频率、业务量、峰值时段等方面表现出不同的特征。感知延伸部分的传感器、控制器、RFID节点等产生的数据不会局限于感知延伸子网内部，将会有海量的业务数据穿越整个泛在网。这些因素都会使得泛在网业务流量必将呈现出不同于现有研究的新特征，泛在网业务数据流量特征建模描述因而变得更加复杂和困难。相应地，如何全面提取刻画业务流量特征的参数集，并在此基础上研究面向业务流量特征的网络资源管理、服务质量控制等一系列网络管理与控制关键技术，成为泛在网网络技术研究中面临的又一挑战。

2.5广义感知与自治控制

泛在网具有广义感知特征，表现为承载和处理海量的多维感知信息，并且，这些感知信息具有显著的时空特性，也即，感知数据在特定时间和特定空间内才有意义［5］。这些海量的广义感知信息为泛在网实现智能化的自治控制提供了基础，进而通过对感知信息的传输和处理实现智能化的决策和控制，将这种感知与智能控制引入到泛在网网络技术研究中，从而实现泛在网的自治控制体系，使网络具备根据物理信息变化完成自身行为调节与控制的能力，能够在复杂多变的环境下对网络资源进行优化组织调度，实现网络管理和控制技术的自管理、自组织、自配置、自感知、自优化等一系列自治特性。相应地，如何抽象定义网络自治控制技术中所需的广义感知信息及其时空特征，并以此为基础实现网络行为的开放式智能反馈控制，是泛在网网络技术研究面临的又一挑战。

3　泛在网网络技术未来发展方向

3.1泛在网标识、解析与寻址体系的研究

泛在网中标识、解析与寻址体系研究，主要通过多层次的标识定义对人和物等物理实体、网络和设备等通信实体，以及各类业务和服务等应用实体进行识别，并通过标识解析与寻址系统进行基于上下文的翻译、映射与转换，以获取相应的地址或关联信息，从而实现人与人、人与物、物与物的通信及各类应用互联［6］。现有技术中存在多种各自独立的标识及相应的解析和寻址技术。这些由不同组织定义、应用于不同系统的技术之间存在明显的不一致性，而泛在网不仅仅是多种应用与服务、网络及节点、终端、延伸节点的共存，而且还是有机统一的体系，迫切需要对标识、解析与寻址体系进行系统性的研究，这也是泛在网网络研究中路由、传输控制、移动性管理等其他关键技术研究的基础。

泛在网标识、解析与寻址体系研究的内容包括：分层次的标识体系定义和标识映射关系定义；标识管理功能，包括标识申请与分配、标识注册与鉴权、标识及映射关系的存储管理；标识解析规则及方法研究，需平衡解析效率与命中率，寻求高效的标识查找、映射、同步与一致性策略；寻址方法与策略研究，结合静态与动态、集中式与分布式等不同控制思想，完成转发节点选择、转发表建立与更新等功能设计。

3.2泛在网群组移动性管理技术的研究

群组移动是泛在网移动性管理技术面临的技术新需求。一方面，协同和感知终端将体现为网络形态上的群组移动，作为网络末梢部分的进一步延伸扩展；另一方面，新型终端与新型业务的出现也激发了以群组为基础的新型应用模式。群组移动性呈现出移动主体多样性、移动行为不确定性、群组形态高度动态性的特征。在群组移动的过程中，从群组移动性导致的变化看，负责和外部网络进行互联的节点可能发生变化，与外部网络的附着点可能发生变化，网络内部的拓扑结构也可能发生变化；其次，从群组移动涉及的终端范围看，可能是原有群组整体移动，也可能是群组中部分的终端移动；第三，从群组移动的触发原因看，可能是终端物理位置变化引起的，也可能是终端加入或退出引起的，还可能是网络的某种调度策略引起的，这些都为泛在网络中的群组移动性管理技术带来了新的挑战。泛在网群组移动性管理的目标在于：客观、全面地描述群组移动的行为特征，并以较小的开销满足群组移动性方面的功能和性能需求，为群组用户提供业务连续性的保证。

泛在网群组移动性管理技术研究的主要内容包括：一是群组移动性建模理论研究。群组移动行为受业务模式与需求、终端类型与能力、周边物理环境等多种因素的影响，研究群组移动行为建模，以及群组移动性管理的关键要素。二是在群组移动性建模的基础上，研究群组动态组织方法，以及基于动态群组的资源管理、业务连续性、群组切换等关键技术。

3.3泛在网传输控制技术的研究

传输控制技术的主要目标是保证端到端的可靠性、实现端到端的拥塞控制和流量控制。传统互联网中用于保证可靠通信的主流协议是传输控制协议（TCP），而TCP协议并不能满足泛在网的需求，这是由泛在网中丰富的业务提供模式和多样化的数据流量及其特征造成的，体现在三个方面：一是在连接建立阶段，TCP是面向连接的，每次会话都开始于一次连接建立的过程，而泛在网中大部分通信都只涉及少量数据的交换，导致有效数据传输时间短。而且连接建立阶段涉及终端对数据的处理和传输，而泛在网中的传感器节点和RFID标签等大量终端在能源和通信资源方面都是受限的。二是拥塞控制：泛在网大多数通信使用可靠性相对较差的无线链路，本身已经导致TCP拥塞控制的性能问题，而泛在网中高频率的小数据量业务、面向多模终端和多终端协同的业务数据分流传输，都带来了拥塞控制中新的问题和挑战。三是数据缓存：TCP在源端和目的端均要求数据缓存，源端数据缓存以便在它丢失的情况下重新发送，目的端数据缓存是为了向上层应用交付有序的数据。而这种缓存机制对资源受限的设备来说耗能过高［7］。

相应地，泛在网中传输控制技术的研究内容包括：面向泛在网的典型传输控制协议性能研究，以发现传统协议不适用于泛在网中业务提供模式、数据流量特征、终端节点资源受限等方面的现象及深层机理；针对上述性能研究中发现的问题，有针对性地研究泛在网中传输控制协议扩展机制；轻量级传输控制协议研究，针对泛在网中大量存在的资源受限终端设备，设计轻量级传输控制协议。

3.4自治型泛在网服务质量保障技术的研究

泛在网服务质量保障技术的研究是涵盖业务、网络和终端的系统工程。其中，丰富的业务应用及其流量特征，对业务端到端的服务质量保证和策略控制提出了多样化、差异化的要求。网络的异构性和融合性，为业务的服务质量一致性、服务质量策略控制机制提出了更高的要求［8］。泛在网网络形态及运行环境的高度非确定性，带来了服务质量保障中更加多样性的时空环境和动态变化。因此，泛在网的服务保障技术应该能够提取差异化的服务质量需求、适应泛在网高度动态性的特点，实现自治、高效的服务质量控制。

泛在网服务质量保障技术的研究主要包括：服务质量需求定义，结合业务数据流量特征及其时空特性，准确刻画泛在网中多样化、差异性、动态性的服务质量需求；网络状态特征以及服务质量的感知、分析、评估体系研究，抽象出描述网络状态及服务质量的特征属性、关键要素及耦合关系；服务质量的动态自治控制研究，建立动态自治的服务质量控制体系，设计其中的服务质量控制策略与机制。

3.5泛在网多连接技术的研究

泛在网中多连接技术是通过多个网络连接之间的协同工作，能够达到提高网络连接的可靠性，提高网络资源的利益效率、容错、负载分担、带宽聚合等多方面的优势，为移动用户提高通信的灵活性和更好的连通性。现有网络架构及关键实体缺乏对多连接的支持，现有终端操作系统设计中不具备多连接相关的关键性，对连接的定义、连接间耦合关系及约束描述也缺乏相应的研究成果。

泛在网多连接技术研究的主要内容包括：连接及数据流定义，以泛在网标识体系研究为基础，研究用户、终端、接口、业务流、业务子流等不同层次的标识定义及其映射关系，以及业务数据流间的耦合关系定义；网络架构及关键实体功能增强，对现有泛在网架构及关键实体，进行扩展性功能增强；终端能力增强，分析现有终端操作系统及协议栈设计在支持多连接方面的不足，进行增强性的架构及协议设计；连接维护和管理功能设计，包括连接监测和维护机制、多连接传输控制以及连接切换机制设计。

4　结束语

泛在网的技术研究是多学科领域的综合与交叉，涉及架构设计、网络通信、软件与硬件、计算技术、智能控制技术等方方面面。本文重点讨论了泛在网在网络技术方面的挑战，探讨了泛在网网络形态与组网方式、用户行为、业务提供模式、业务类型及数据流特征、控制方式等多方面的新需求，分析了泛在网网络技术在标识、解析与寻址体系、移动性管理、传输控制、服务质量保障、多连接支持等未来研究方向的重要意义及研究内容。

［1］诸瑾文.物联网技术及其标准.中兴通讯技术，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］陈山枝，胡博.移动性管理理论与技术.北京：电子工业出版社，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］孙利民，沈杰，朱红松.从云计算到海计算：论物联网的体系结构.中兴通讯技术，2011.2

［6］中国通信标准化协会.泛在网标识、解析与寻址体系（征求意见稿）. 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］中国通信标准化协会.泛在网QoS体系研究.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

富尧，女，国家无线电监测中心检测中心，长期从事无线电监测相关工作。

李冰琪，女，国家无线电监测中心科技处，长期从事无线电监测相关工作。