2.3 网络层

物联网的中间层是网络层，它负责将感知层收集的各类信息，特别是来自于物理世界的信息，通过各种公共网络或专用网络的基础设施，高效、可靠、安全地传输到用户或应用层，以实现人与物、物与物的互联互动。信息通信网络是承载信息传输的网络服务平台，是信息化社会的基础设施。信息通信网络传输的信息不仅包括文字、音频、视频等多媒体信息，还包括位置数据、传感器数据等一切能够从感知层获得的信息。

目前的信息通信网络主要包括面向公众的互联网、电信网、广播电视网，以及服务于各类行业应用的专用网络，如交通、电力等行业专网。各类信息通信网络在其建设之初，并未考虑与其他网络的互联互通以及综合业务发展的需求。因此，目前较普遍地存在着网络基础设施重复建设的问题。为支持泛在的人与人、人与物以及物与物的通信，下一代信息通信网络的发展趋势是网络的数字化、宽带化、IP化，以及多网之间的协同与融合。

本节主要介绍互联网（包括IPv4与IPv6技术）、电信网和广播电视网的发展与演进，并以电信网与传感网的融合为例，介绍物联网对三网/多网融合的需求。

2.3.1 互联网

互联网（计算机网络）是指利用通信线路和通信设备，将分布在不同地点的多台自治计算机系统互相连接起来，按照共同的网络协议，共享硬件、软件和数据资源的系统。互联网被美国《科学世界》评为20世纪改变人类生活的十大重大科技发明之一。互联网的起源是美国国防部高级研究计划局（DARPA）提出的以分组交换通信技术（Packet-Switching Communication Technology）为基础建立的通信系统。

按照这种设想，在分组交换通信系统中，以数据分组为传输形式的信息单元会沿着网络寻找自己的路径，而在网络上的任何一点重新组合成有意义的信息。后来随着数字技术的发展，包括音频、视频在内的各种多媒体信息都可以通过数据分组的方式传输，从而形成了一个不需要控制中心就可以在所有节点间相互沟通的网络——互联网（Internet）。

1969年，DARPA开始建立一个名为ARPAnet的网络，把美国的几个军事及研究用计算机主机连接起来。1973年，在DARPA从事研究的Vinton Cerf和Robert E.Kahn开发了TCP/IP协议。1983年，美国国防部为Internet命名，并且要求连入Internet的计算机都使用TCP/IP协议。随着WWW、Mosaic浏览器等技术的出现，上网冲浪开始流行，互联网使得人们获取信息和人际交互变得更加简单，可以说，是互联网把人类带入“地球村”时代。

互联网的基础是TCP/IP协议。TCP/IP协议是一种四层的分层体系结构，从底层开始分别是网络接口层（物理层+数据链路层）、网络层、传输层和应用层，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。

TCP（Transmission Control Protocol）是一种传输层协议，提供了从应用程序到另一个应用程序之间的通信，即“端到端”通信。IP（Internet Protocol）是网络层协议，提供数据封包传输功能，它可以使数据包通过各种网络选路（路由）正确地到达接收主机，但IP并不能保证数据包顺序到达。

TCP/IP模型通过IP层屏蔽掉多种底层网络的差异（IP over Everything），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（Everything over IP），因而具有很好的灵活性和健壮性。IP层的这一特点可以将TCP/IP协议的模型用图2-5中的沙漏模型来表示。

采用32位主机地址的IPv4协议是目前被广泛使用的互联网协议。作为互联网的基础网络协议，IPv4为互联网早期和中期的发展起到了重要的推动作用，随着互联网的迅速发展，IPv4的某些局限性和弊端也逐渐显现，如地址空间短缺、安全性欠缺、配置复杂等。因此IETF启动了开发新版本IP协议的项目，并于1998年采纳了IPv6（RFC2460）并给出了版本迁移方法的建议。新一代的IPv6协议在地址空间、分组处理效率，以及对移动性、安全性和QoS的支持等方面都优于IPv4。

IPv6地址的长度增加为128位，是单个或一组接口（非节点）的标识符，主要包括3种类型的地址，即单播（Unicast）地址、多播（Multicast）地址和任播（Anycast）地址。单播地址是每个网络接口的唯一标识符，不同的网络接口不能分配相同的单播地址；多播也被翻译为组播，多播地址被分配给一组主机（被称为多播组成员），所有的组成员均具有相同的多播地址，目的地址是多播地址的分组送至组内的所有成员；任播也被翻译为选播，类似于多播，一个任播地址被分配给多个主机，与多播不同的是，同一时间只有一个任播成员与分组的源主机进行通信。任播的应用包括服务器定位、主机自动配置等。

如图2-6所示，IPv6增加了两个新的字段用以支持实时业务的需求，即流量类别（Traffic Class）与业务流标记（Flow Label）。流量类别使得特定分组可以比其他分组的处理速度更快或者更可靠，它可以独立使用，也可以与业务流标记同时使用；业务流标记使得资源被保留，以满足音频和视频数据流传输的时延需求。

此外，IPv6还改变了地址分配的方式，即ISP而非用户拥有全球网络地址，当用户改变ISP时，其全球网络地址也需相应地更新为新ISP提供的地址。这样能够有效地控制路由信息，避免路由爆炸的现象。同时，IPv6提供了基于BOOTP（启动协议）和DHCP（动态主机配置协议）的地址自动配置技术，实现了即插即用。

互联网设计之初采用了“端到端透明性”的网络体系架构，即网络只是简单、“尽力而为”地传递信息而不作任何记忆与控制。这种端到端的业务与承载分离，提供了完全开放的应用开发接口，大大提高了网络的可扩展性。随着互联网的用户群体、应用目的和产业链的变化，互联网体系架构存在的网络安全问题和服务质量问题逐渐引起了关注。

在下一代互联网建设方面，美国在1996年启动了NGI（Next Generation Internet）项目，主要目标是显著提高Internet的速度，该项目已于2002年完成，但是没有达到Tbit/s的设计目标。2005年，美国NSF启动GENI（Global Environment for Networking Innovation）和FIND（Future Internet Design）项目，从可扩展性、安全性、移动性、实时性等方面出发，发现和评估可以作为21世纪互联网基础的新的革命性的概念、理论和示范性技术。

中国也于2002年启动了CNGI项目，已建成世界上规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网主干网。当前，中国互联网的发展与普及水平已超过世界平均水平，居发展中国家前列。根据2021年2月中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的《第47次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2020年12月底，我国网民规模已达9.89亿人，互联网普及率增至70.4%。

2.3.2 电信网

电信网是构成多个用户相互通信的多个电信系统互联的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施。电信网利用电缆、无线、光纤或者其他电磁系统，传输、发射和接收标识、文字、图像、声音或其他信号。电信网由终端设备、传输链路和交换设备3要素构成，运行时还辅以信令系统、通信协议以及相应的运行支撑系统。

电信网可划分为用户驻地网和公用电信网，通常意义的电信网指公用电信网部分。用户驻地网是指用户网络接口（UNI）到用户终端之间的相关网络设施，由完成通信和控制功能的用户驻地布线系统组成，如双绞线、同轴电缆等；公用电信网一般又可划分为接入网和核心网两大部分，其中核心网包含长途网和中继网，接入网可根据接入方式分为有线、无线接入网，或分为固定、移动接入网等。图2-7所示为一个采用无线移动接入网的第三代移动通信网UMTS（R4/R5）网络架构的示意图。

可以看出，UMTS系统主要由陆地无线接入网（UTRAN）和核心网（Core Network）两大部分组成。陆地无线接入网部分，主要由基站（Node B）和无线网络控制器（RNC）构成；核心网部分由电路交换（CS）域和分组交换（PS）域组成，CS域为用户流量提供专用的电路交换路径，主要用于实时和会话业务，如音频和视频会议；PS域适合于端到端分组数据应用，如文件传输、Internet浏览和E-mail等。

UMTS系统在R4阶段开始引入软交换（Soft Switch）技术以实现控制和承载分离，图2-7中，媒体网关MGW（Media Gateway）提供承载层电路交换网络或分组交换网络和PSTN网络的互通，MSC服务器（MSC Server）负责提供CS域呼叫控制、移动性管理等功能，实现了承载与呼叫控制的分离。为了在IP平台上支持丰富的移动多媒体业务，在R5阶段又引入IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）。IMS基于会话初始协议（SIP），叠加在PS域上。各功能模块的作用如下：

● CSCF（Call Session Control Function）是IMS域中用于完成会话控制的主要实体；

● MGCF（Media Gateway Control Function）用于完成IMS和PSTN网络在信令层上的互通功能；

● MRF（Multimedia Resource Function）用于媒体资源的控制和处理；

● SGSN（Serving GPRS Support Node）主要提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能；

● GGSN（Gateway GPRS Support Node）主要提供与外部PDN（Packet Data Network）的接口，承担网关或路由器的功能；

● SGW（Signaling Gateway）提供与PSTN网络的信令转换和互通；

● HSS（Home Subscriber Server）则是存储用户属性的数据库。

软交换和IMS的引入，体现了电信网络向下一代网络（Next Generation Networks，NGN）的演进和融合趋势。NGN是下一代电信网络融合演进的目标。ITU-T对NGN的定义是：NGN是一个基于分组交换的网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务，使用多种宽带、支持服务质量（QoS）的传输技术，实现业务相关功能和底层传输相关技术的分离，并且支持普遍的移动性，实现用户的泛在接入和用户业务的一致性。

NGN的基本思想是采用分组交换方式，实现多业务的融合。由于NGN建立在IP之上，因此也常用“All-IP”来描述电信网络向NGN的融合演进。NGN的含义就是可以通过不同的终端，在任何时候、任何地点获取信息和享受多样化的业务。为达到这个目标，要求网络具有以下的特征：

● 应用层与控制层分离，以便使业务与用户的物理位置具备无关性。

● 控制层与传输层分离，使呼叫或会话的控制独立于承载的控制，可实现基于不同承载提供相同的控制能力。

● 传输层与接入层需要完全分离，使得无论何种终端、何种接入方式都可以共享同一承载网络，从而充分利用网络资源，屏蔽网络的复杂性。

图2-8所示为固定网络和移动网络向NGN融合演进的示意。应该看到，网络融合是一个长期的过程，必须要综合考虑保护现有网络的投资，并且能够保证新旧网络之间的平滑过渡。但是，目前移动网络和固定网络还有各自的特殊需求和发展空间，短期内还无法直接通过一种网络架构实现。因此现有的移动网络和固定网络应该是在网络的演进中融合，而不是对现有网络的融合。

根据网络演进和融合的目标，对于移动网络而言，将毫无疑问地按照3GPP定义的R5、R6、R7或者3GPP2定义的Release A、Release B的基于IMS的方向发展；对于固定网络而言，可能会有两个方向，即基于IMS的逻辑架构或者基于软交换的具体设备形态。但最终两个网络的发展方向将是一致的，未来的网络必然是一个融合的网络。

2.3.3 广播电视网

我国广播电视网经过几十年的发展，已经拥有完善的有线、无线、卫星传输覆盖网络。我国拥有1.6亿有线电视用户，有线电视网络是入户带宽最高的基础网络，能够将400套以上的高清晰度电视和数字音频节目直接传送到每个用户端。

与美国、日本、韩国等发达国家相比，目前我国广播电视网络在网络、业务、终端、用户、运营、安全等方面都存在一定的差距。例如，网络接入带宽利用不足，双向改造进程滞后；业务互通不足，开放性和多样性不够等。与传统广播电视网提供的单向广播业务相比，宽带流媒体和互动多媒体业务是未来网络的主要业务。电视的数字化进程使得基于网络并具有互动性的网络电视显现出强劲的发展势头。

2008年12月，我国正式开始建设中国下一代广播电视网络NGB，NGB就是以有线电视数字化和移动多媒体广播电视（CMMB）的成果为基础，以自主创新的高性能宽带信息网（3TNet）核心技术为支撑，适合中国国情的、三网融合的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。图2-9是NGB网络示意图，分为骨干网、城域网和接入网。

NGB的核心技术3TNet是指T比特的路由、T比特的交换和T比特的传输。3TNet具有T比特交换容量、多类型业务接入、动态资源分配、自动连接控制、网络保护恢复、组播等功能。因此，3TNet重点解决了NGB体系的网络架构技术、多业务承载技术以及网络管理技术等问题。

如图2-9所示，NGB创新地提出了以核心网基于ASON（自动交换光网络）电路交换、边缘网基于IP分组交换的混合交换体制为基础的新型网络架构。大规模接入的汇聚路由器（ACR）具备T比特路由交换能力，同时提供组播和单播通道，前者用于传输视频流，后者用于数据交互和宽带业务。在NGB的接入网技术中，很重要的一种就是EPON（基于以太网的无源光网络）加缆桥的技术，通过EPON网络的部署，完成对HFC（混合光纤同轴电缆）的双向改造。

在3TNet方面，目前已经在长三角地区连接了5万真实试验用户，平均接入速率超过40Mbit/s，形成了全球领先、规模最大、能提供高清晰度视频服务的示范网络环境；在CMMB方面，目前已在29个省（区市）开展了CMMB运营支撑系统建设，27个省（区市）完成了运营签约，220个城市开通了CMMB信号，2008年成功服务于北京奥运会。

与传统电视单向、固定、限量播出节目不同，NGB强调的是一种全业务平台、门户化的运营模式，强调的是海量音、视频及大量增值应用、电视商务等综合服务，且具有超强的多向互动功能。NGB业务的核心是视频，特点是高清和互动。同时，在有线数字电视的DVB与IP结合形成双模架构之后，跨地域的业务运营成为可能，它将打通有线电视网络划地而治的关节，盘活全程全网的有线网络资源。

2.3.4 三网融合与多网融合

下一代信息通信网络的发展趋势是网络的数字化、宽带化、IP化，以及多网之间的协同与融合。所谓“三网融合”，就是指建立在网络互联互通、资源共享基础上的互联网、电信网和广播电视网的相互渗透、互相兼容，并逐步整合成为统一的信息通信网络。

各类信息通信网络在其建设之初，并未考虑与其他网络的互联互通以及综合业务发展的需求，因此目前较普遍地存在着网络基础设施重复建设的问题。同时我们又注意到，互联网、电信网、广播电视网在分别向下一代互联网、下一代电信网、下一代广播电视网的发展和演进过程中，网络功能趋于一致、业务范围趋于相同，都可以为用户提供宽带上网、通话和提供电视信号等多种综合服务。特别是TCP/IP协议的普遍采用，使得各种以IP为基础的业务都能够在不同网络间实现互通，从而在技术上为三网融合奠定了基础。

我国在建设宽带通信网、数字电视网、下一代互联网的“十五”“十一五”规划中，就已明确提出要推进三网融合。2010年1月，国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。会议提出了推进三网融合的阶段性目标。

2010～2012年重点开展广电和电信业务双向进入试点，探索形成保障三网融合规范有序开展的政策体系和体制机制。

2013～2015年，总结推广试点经验，全面实现三网融合发展，普及应用融合业务，基本形成适度竞争的网络产业格局，基本建立适应三网融合的体制机制和职责清晰、协调顺畅、决策科学、管理高效的新型监管体系。

2010年7月，国务院正式公布了第一批三网融合试点城市名单，北京、上海、深圳、杭州、大连、哈尔滨、南京、厦门、青岛、武汉、绵阳、长株潭城市群等12个城市或城市群入围。

三网融合的本质是未来的互联网、电信网和广播电视网都可以承载多种综合应用与业务，并进一步创造出更多融合业务。特别是将来在与多种传感网络融合之后，多网融合将会使得建立在人与物、物与物之间互联互动基础之上的物联网业务成为可能。

2.3.5 电信网与传感网的融合

传感器网络（简称传感网）被定义为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所组成的，对物理环境和各种事件进行联合感知、监测和控制的网络。传感器网络采集到的物理世界的信息，既可通过互联网传输到监控计算机，也可通过电信网络传输，融入电信网络的业务平台之中。

传感网与电信网的融合，就是指传感网通过网关与电信网相连，利用电信网对传感网及其提供的业务进行监控、管理和完成业务的承载与合作实施，并通过电信网扩展传感网所提供的业务。图2-10所示为电信网与传感网的融合网络结构示意图，其中AAA服务器为认证（Authentication）、授权（Authorization）和计费（Accounting）服务器；HLR/HSS为归属位置寄存器/归属签约用户服务器。从图中可以看到，实现电信网与传感网融合的一种重要网络设备就是网关。

网关（Gateway）是一种传输层及其以上层的网络设备，一般在路由器上通过安装网关软件实现。与路由器不同的是，连接它的网络设备可能运行着两种或多种传输层及其以上层的协议，所以实际上可以把它看作是一种协议转换器。一般的协议转换只需要修改数据包的头标和尾部，但是某些情况下可能还包括改变数据速率、数据包尺寸以及整个数据包的格式。

为实现电信网与传感网的融合，网关设备要负责连接传感网与电信网，主要完成传感网的配置与组网、协议转换、地址映射和数据转发等工作，还可能集成介入控制、认证与授权、流量监控与计费以及故障管理等功能。

作为现阶段物联网的普遍模式，M2M（Machine-to-Machine/Man）将可能成为电信网与传感网融合后的一种新型电信增值业务模式。M2M，是一种以机器终端设备智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它在机器内部嵌入通信模块，通过各种承载方式将机器接入网络，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。

M2M将可能带来一个可以达到亿级通信量业务的市场，M2M除了带来多网融合，还将带来多行业的融合。到2021年底，我国电力行业将会有超过50亿M2M终端的需求，交通行业将会有2000万M2M终端的需求，除此以外，还有来自智能抄表、智能家居、健康医疗、企业安防、物流行业、金融行业、精细农业等多种行业应用的需求。

面向人与物、物与物互联互动的物联网应用，将会给现有的各种信息通信网络带来新的需求。例如，对物的标识与寻址体系和当前的电信号码与IP寻址体系可能不同，物与物通信的上下行带宽需求和人与人通信对带宽的需求可能不同，为适应物与物通信的低功耗、低移动特性，无线资源管理需要实现特定的优化，相应地，安全协议也需要作特定的优化。相信这些对协议的标准化与新的网络优化的需求，将会在下一代信息通信网络的演进与融合的过程中，逐步得以实现。最终，达到人与物、物与物的泛在互联与互动。