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物联网体系框架之网络层

        网络层借助于已有的网络通信系统可以完成信息交互,把感知层感知到的信息快速、可靠地传送到相应的数据库,使物品能够进行远距离、大范围的通信。
把感知层感知到的信息快速

        网络层是物联网的神经系统,主要进行信息的传递,网络层包括接入网和核心网。网络层根据感知层的业务特征优化网络,更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信。物联网中接入设备有很多类型,接入方式也是多种多样,接入网有移动通信网络、无线通信网络、固定网络和有线电视网络HFC。移动通信网具有覆盖广、部署方便、具备移动性等特点.缺点是成本和耗电问题。有时还要借助有线和无线的技术,实现无缝透明的接入。随着物联网业务种类的不断丰富、应用范围的扩大、应用要求的提高,对于通信网络也会从简单到复杂、从单一到融合方向过渡。
一、互联网与NGI体系架构
        互联网是由网络与网络之间串联成的庞大网络,这些网络以一组通用的协议相连,形成逻辑上的单一巨大国际网络。将计算机网络互相联结在一起,在这基础上发展出覆盖全世界的互联网络称互联网。互联网并不等同万维网,万维网只是一个基于超文本相互链接而成的全球性系统,是互联网所能提供的服务之一。
        放系统互连参考模型(OpenSystemInterconnect,OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的一个用于计算机或通信系统间开放系统互连参考模型,一般称为()SI参考模型或七层模型,CSI为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
        七层模型目的是为异种计算机互连提供一个共同的基础和标准框架,并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。开放系统指的是遵循OSI参考模型和相关协议能够实现互连的具有各种应用目的的计算机系统。OSI参考模型如下图所示。
  OSI七层模型
        从图可见,整个开放系统环境由信源端和信宿端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机(IMP)。主机需要包含所有七层的功能,通信子网中的IMP一般只需要最低三层或者只要最低两层的功能即可。
        OSI参考模型是计算机网络体系架构发展的产物。基本内容是开放系统通信功能的分层结构。模型把开放系统的通信功能划分为七个层次,从物理媒体层开始,上面分别是数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层的功能是独立的。它利用其下一层提供的服务并为其上一层提供服务,而与其他层的具体实现无关。服务是下一层向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定,一般用通信原语实现。两个开放系统中的同等层之间的通信规则和约定称为协议。
  • 第一层:物理层。提供为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性;有关的物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示。
  • 第二层:数据链路层。建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能,将比特组合成字节进而组合成帧,用MAC地址访问介质。在网络层实体间提供数据发送和接收的功能和过程;提供数据链路的流控,如802.2.802.3ATM.HDLC.FRAMERELAYO
  • 第三层:网络层。控制分组传送系统的操作、路由选择、用户控制、网络互连等功能,如IP、IPX、APPLETALK、ICMP。
  • 第四层:传输层。提供建立、维护和拆除传送连接的功能;选择网络层提供最合适的服务;在系统之间提供可靠的、透明的数据传送,提供端到端的错误恢复和流量控制,如TCP.UDP.SPX0
  • 第五层:会话层。提供两进程之间建立、维护和结束会话连接的功能;提供交互会话的管理功能,如RPC、SQL、NFS、XWINDOWS.ASPO
  • 第六层:表示层。代表应用进程协商数据表示;完成数据转换、格式化和文本压缩,如ASCLL、PICT、TIFFJPEG、MIDI、MPEG0
  • 第七层:应用层。提供用户服务,如文件传送协议和网络管理等(如HTTP.FTP.SNMP、TFTP、DNS、TELNET、POP3、DHCP)。
        模型中数据的实际传送过程如图2-4所示。数据由发送进程送给接收进程:经过发送方各层从上到下传递到物理介质;通过物理介质传输到接收方后,再经过从下到上各层的传递,最后到达接收进程。
数据传送过程
数据传送过程
        在发送方从上到下逐层传递的过程中,每层加上该层的头信息首部,即图2-4中的H7、H6、…、H1。到底层为由0或1组成的数据比特流(即位流),然后再转换为电信号或光信号在物理介质上传输至接收方,这个过程还可能采用伪随机系列扰码便于提取时钟。接收方在向上传递时的过程正好相反,要逐层剥去发送方相应层加上的头部信息。
        因接收方的某一层不会收到底下各层的头信息,而高层的头信息对于它来说又只是透明的数据,所以它只阅读和去除本层的头信息,并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的,就像这些信息通过虚通道直接给了对方一样。
开放系统互连参考模型各层的功能可以简单地概括为:物理层正确利用媒质,数据链路层协议走通每个节点,网络层选择走哪条路,传输层找到对方主机,会话层指出对方实体是谁,表示层决定用什么语言交谈,应用层指出做什么事。
        互联网的基础是TCP/IP协议。TCP/IP协议也可以看成四层的分层体系架构, 从底层开始分别是物理数据链路层、网络层、传输层和应用层•,为了和OSI的七层协议模型对应,物理数据链路层还可以拆分成物理层和数据链路层,每一层都通过调用它的下一层所提供的网络任务来完成自己的需求。
OSI七层模型和TCP/IP四个协议层的关系如下图所示。、
OSI七层模型和TCP/IP四个协议层
OSI七层模型和TCP/IP四个协议层
TCP/IP分层模型的四个协议层有以下功能:
第一层:物理数据链路层(PhysicalDataLink),又称网络接口层,还可以划分为物理层和数据链路层,包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。TCP/IP标准并不定义与()SI数据链路层和物理层相对应的功能,而是定义像地址解析协议(AddressResolutionProtocol,ARP)这样的协议,提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。
物理层规定了通信设备的机械的、电气的、功能的等特性,用来建立、维护和拆除物理链路连接,如电气特性规定了物理连接上传输比特流时线路上信号电平强度、驻波比、阻抗匹配等。物理层规范有RS~232、V.35、RJ-45等。
数据链路层实现了网卡接口的网络驱动程序,处理数据在物理媒介上的传输。数据链路层两个常用的协议是ARP和RARP(ReverseAddressResolveProtocol,逆地址解析协议)。这些协议实现IP地址和物理地址之间的相互转换。网络层通过IP地址寻址一台机器,而数据链路层通过物理地址寻址一台机器,因此网络层先将目标机器的IP地址转化为其物理地址,才能使用数据链路层提供的服务,这是ARP的用途。RARP协议仅用于网络上某些无盘工作站(无存储盘)。因为没有存储设备,无盘工作站只能利用网卡上的物理地址来向网络管理者查询自身IP地址。运行RARP服务的网络管理者通常存有该网络上所有机器的物理地址到IP地址的映射表。
第二层:网络层(NetworkLayer),对应于()SI七层参考模型的网络层。本层包含IP协议、RIP协议(RoutingInformationProtocol,路由信息协议),负责数据的包装、寻址和路由。包含网间控制报文协议(InternetControlMessageProtocol,ICMP,即互联网控制报文协议)用来提供网络诊断信息。
网络层实现数据报的选路和转发。网络层的任务是确定两台主机之间的通信路径,对上层协议隐藏网络拓扑连接的细节,使得在传输层和网络应用程序看来,通信双方是直接相连的。网络层最核心的协议是IP协议。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。网络层另外一个重要协议是ICMP,ICMP主要用来检查网络连接,可以分为两类:一类是差错报文,用来回应网络错误;另一类是查询报文,用来查询网络信息。ping程序就是使用ICMP报文查看目标报文是否可达。
第三层:传输层(TransportLayer),对应于OSI七层参考模型的传输层,传输层为两台主机的应用程序提供端到端的通信服务。与网络层使用的逐跳方式不同,传输层只关心通信的起始端和目的端。传输层负责数据的收发、链路的超时重发等功能。传输层主要有三个协议;TCP协议(TransmissionControlProtocol,传输控制协议)、UDP协议(UserDatagramProtocol,用户数据报文)和SCTP协议(StreamControlTransmissionProtocol,流控制协议)。TCP协议为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流的服务。UDP协议为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务,优点是实时性比较好。SCTP协议是为在互联网上传输电话信号设计的。
第四层:应用层(ApplicationLayer),对应于()SI七层参考模型的应用层、表示层和会话层。应用层负责应用程序的逻辑。物理数据链路层、网络层、传输层协议系统负责处理网络通信细节,要稳定高效。应用层在用户空间实现。应用层协议有Finger.Whois,FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(互联网中继会话)、NNTP(网络新闻传输协议)、ping应用程序(不是协议,利用ICMP报文检测网络连接).Telnet(远程终端登录协议)、OSPF(OpenShortestPathFirst,开放最短路径优先,协议提供动态路由更新协议,用于路由器之间的通信,告知对方各自的路由信息)、DNS(DomainNameService,域名服务协议提供机器域名到IP地址的转换)等。应用层协议可跳过传输层直接使用网络层提供的服务,如ping。例如,DNS协议既可以使用TCP服务,又可以使用UDP服务。
        应用程序数据在发送到物理层之前,沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息(有时包括尾部)完成封装,以实现该层的功能。
当数据帧到达目的主机时,将沿着协议栈从下向上依次传递。各层协议处理数据帧中本层负责的头部数据,以获取所需信息,并将最终处理后的数据帧交给目标应用程序,这个过程叫作分用(demultiplexing)o分用是依靠头部信息中的类型字段实现的。
TCP/IP借鉴了OSI的这些概念并建立TTCP/IP模型
OSI七层模型和TCP/IP四个协议层的关系:
(1)OSI引入了服务、接口、协议、分层等概念;TCP/IP借鉴了OSI的这些概念并建立TTCP/IP模型。
(2)OSI是先有模型,后有协议,先有标准,后进行实践;而TCP/IP是先有协议和应用,再参考OSI模型提出了自己的四个协议层模型。
(3)OSI是一种理论模型,而TCP/IP已广泛使用,成为网络互联事实上的标准。
        TCP/IP模型可以通过IP层屏蔽掉多种底层网络的差异(IPoverEverything),向传输层提供统一的IP数据包服务,进而向应用层提供多种服务(EverythingoverIP),因而具有很好的灵活性。
        随着互联网全球广泛应用,互联网网络节点数目呈现几何级数的增长。互联网上使用的网络层协议IPv4,其地址空间为32位,理论上支持40亿台终端设备的互联,随着互联网的迅速发展,这样的IP地址空间正趋于枯竭。1996年美国克林顿政府出台“下一代互联网”研究计划(NextGenerationInternet,NGI),T一代互联网络协议IPv6具有以下优势。
1.地址空间巨大
        IPv6的地址空间由IPv4的32位扩大到128位,2的128次方形成了一个巨大的地址空间,可以让地球上每个人拥有1600万个IP地址,甚至可以给世界上每一粒沙子分配一个IP地址。采用IPv6地址后,未来的移动电话、冰箱等信息家电都可以拥有自己的IP地址,基本实现给生活中的每一个东西分配一个自己的IP地址,让数字化生活无处不在。任何人、任何东西都可以随时、随地联网,成为数字化网络化生活的一部分,为物联网终端地址提供了保障。
2.地址层次丰富
        IPv6用128位地址中的高64位表示网络前缀,如图2-6所示,低64位表示主机,为支持更多地址层次,网络前缀又分成多个层次的网络,包括13位的顶级聚类标识(TLA-ID).24位的次级聚类标识(NLA-ID)和16位的网点级聚类标识(SLA-ID)0IPv6的管理机构将某一确定的TLA分配给某些骨干网ISP,骨干网ISP再灵活为各个中小ISP分配NLA,用户从中小ISP获得IP地址。
IPv 6报头格式
IPv6报头格式
3.实现IP层网络安全
        IPv6要求强制实施安全协议IPSec(InternetProtocolSecurity),并已将其标准化。IPSec在IP层可实现数据源验证、数据完整性验证、数据加密、抗重播保护等功能;支持验证头协议(AuthenticationHeader,AH)、封装安全性载荷协议(EncapsulatingSecurityPayload,ESP)和密钥交换IKE协议(InternetKeyExchange),这三种协议将是未来互联网的安全标准。
4.无状态自动配置
        IPv6通过邻居发现机制能为主机自动配置接口地址和缺省路由器信息,使得从互联网到最终用户之间的连接不经过用户干预就能够快速建立起来。IPv6在QoS服务质量保证、移动IP等方面也有明显改进。
        中国的下一代互联网CNGI:中国从1998年开始下一代互联网研究。1998年4月,中国教育和科研计算机网CERNET建立中国第一个IPv6试验网。1999年5月,CERNET正式接入全球性IPv6研究和教育网6RENO2000年3月,正式与国际下一代互联网签署互联协议。2001年3月,首次实现了与国际下一代互联网的互联。2003年8月,国务院批复启动“中国下一代互联网示范工程CNGI”。2004年3月,中国第一个下一代互联网主干网——CERNET2试验网在北京正式开通并提供服务,标志着中国下一代互联网建设的全面启动。CERNET2是中国下一代互联网示范工程最大的核心网,也是唯一的全国性学术网。CERNET2主干网采用IPv6协议。
二、传输网与传感网的融合
        传感器网络是由大量部署在物理世界中的,具备感知、计算和通信能力的微小传感器组成,对物理环境和各种事件进行感知、检测和控制的网络。传感器网络采集到的物理世界的信息,可通过互联网、SIP电信网等传输网传输到后台融合通信服务器,并融入到传输网络的业务平台之中。