一种基于内容中心网络的物联网体系架构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于内容中心网络的物联网体系架构，物联网将世界上所有的物体都通过因特网主动进行信息交换，实现任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联、无所不在的网络和无所不在的计算，目前连接到物联网的设备达到近250亿，这些设备越来越智能化并且产生大量的数据，要求可扩展的信息中心网络，物联网的大量数据收集和分发与当前的互联网一样，仅关注内容数据本身，而不是内容存储的地址，所以本发明把为未来互联网而设计的内容中心网络体系引入到物联网中，针对物联网与互联网的不同：资源受限设备众多、大量小数据传输、多种通信模式并存和流量类型的多样化，提出基于内容中心网络的分层物联网体系架构。
【专利说明】
一种基于内容中心网络的物联网体系架构
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于内容中心网络的物联网体系架构，未来网络体系架构应用技术领域。
【背景技术】
[0002]随着智慧城市建设“十三五”规划的制定，对大规模的物联网技术应用的需求更为强烈。为了能够实现大规模物联网的构建，可扩展的、适用于低功耗网络的、灵活的网络体系架构引起了业界和学术界的关注，成为物联网技术研究的重点。
[0003]在物联网中，数量巨大、种类繁多的低功耗、小体积的传感器和其它的物联网感知单元如射频识别(RFID)、二维码、内置移动通信模块的各种终端等共同构成了物联网的末端网络一一传感器网，开启了新的基于数据收集和分发的广泛应用，如车流量监测、军事侦察、环境控制(如智慧城市的温度测检和污染跟踪)、工业控制和能源使用情况监测(如智慧家庭能源管理)等。物联网要求传感节点具有数据采集、处理、有线/无线通信和自组织的能力，能够协作完成大规模复杂的监测任务，其中汇聚(sink)节点要负责发布命令和收集数据，实现与互联网的有效通信。然而，物联网中上百亿小的通信对象如无线传感器和执行器、可穿戴设备、RFID标签等具有共同的特征:受限的能源、有限的处理能力、少量的内存空间、脆弱的无线条件和应用的实时性要求。如此数量众多、资源受限且缺乏用户接口的设备使得物联网互联、尤其是海量数据的采集和分发成为挑战，给物联网体系结构带来极大的压力。
[0004]目前物联网的网络通信协议采用与互联网TCP/IP协议(传输控制协议/因特网互联协议)结构类似的6LowPAN/IPv6/RPL(面向低功耗无线局域网的IPv6和低功耗有损网络路由协议)，以解决传感器对于低能耗的要求，并实现无线传感网和互联网的连接以及不同厂商设备之间的互联和互操作性，6LowPAN/IPv6/RPL在一定程度上推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展，但由于协议所能承载的净荷非常有限，而且消耗较多的智能设备计算和存储资源，不适用于目前及未来的高异构性、大规模物联网。
[0005]内容中心网络(CCN)是随着互联网技术的发展和网络应用模式的转变应运而生，目的在于克服基于TCP/IP的端到端通信模式的局限性。内容中心网络架构在路由器等网内节点设立内容缓存，从而实现高效、可靠的信息分发，提高传输效率，实现最大化的资源共享，并具有更好的可扩展性、安全性和移动性，彻底解决网络应用与终端的复杂多样、内容流量的指数级增长等问题对未来互联网提出的巨大挑战。同时，以内容为中心的网络能够大幅度提高内容分发的能量有效性。
[0006]虽然CCN是为提高互联网核心性能而设计的，但也能应用到互联网的边缘一一物联网。因为，物联网传感网通过传感节点来感知、收集和传递各种类型的信息，并不强调对物体的标识，也不关注数据获取的位置，这点与互联网以信息服务为中心的趋势一致，采用内容中心网络体系契合数据收集和分发的本质。而且，CCN本质上具有可扩展性、安全性和移动性，能支持节点的间歇连接并具备节省能耗的潜力，同时具有高效的信息搜索和获取能力，把CCN体系引入物联网实现基于基于CCN的物联网体系结构(CCN-1oT)，把未来互联网体系结构延伸到网络边缘，是一种有益的探索并得到了初步的验证。相比6LoWPAN/IPv6/RPL，CCN-1oT在能耗和内存方面都具有明显的优势。尽管CCN-1oT有诸多优点，但由于物联网系统有其特殊性:资源受限设备众多、大量小数据传输、多种通信模式并存和流量类型的多样化，并且具有高度的异构性，需要对CCN体系结构进行优化才能更好地与物联网底层协议相融合，发挥其结构优势。本发明针对大规模物联网的特点和需求，研究CCN体系结构在物联网应用中的优化，以更好地利用内容中心思想的优势，提高物联网性能。
【发明内容】
[0007]物联网将世界上所有的物体都通过因特网主动进行信息交换，实现任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联、无所不在的网络和无所不在的计算，目前连接到物联网的设备达到近250亿，这些设备越来越智能化并且产生大量的数据，要求可扩展的信息中心网络。物联网的大量数据收集和分发与当前的互联网一样，仅关注内容数据本身，而不是内容存储的地址，所以本发明把为未来互联网而设计的内容中心网络体系引入到物联网中。针对物联网与互联网的不同:资源受限设备众多、大量小数据传输、多种通信模式并存和流量类型的多样化，提出基于内容中心网络的分层物联网体系架构。
[0008]I)针对物联网对可扩展性、安全性和移动性的要求，以及物联网节点的间歇连接和能源有限的挑战，提出基于内容中心的物联网体系结构。
[0009]2)针对物联网节点的高度异构性，设计以内容为中心的两层物联网体系结构。
[0010]把CCN体系架构引入到物联网中，并针对物联网中受限设备与功能强大设备共存的高度异构性特点，提出以内容为中心的层次物联网体系结构。对于能力较强的设备采用原始的CCN原程序，而在资源受限的无线传感器上则设计并实现简化的轻量级CCN(SCCN)，以适应资源受限节点的需求，有效获取传感器采集的信息。
[0011]3)针对物联网中节点资源受限、多种通信模式并存、数据的多源性和流量类型多样化等特点，设计五种数据传输模式，以适用于基于内容中心网络的物联网体系。
[0012]①从数据源采集数据的通信模式
[0013]②向执行器下达指令的通信模式
[0014]③从多源获取数据的通信模式
[0015]④同一数据源周期性数据传输的通信模式
[0016]⑤实时告警的通信模式
[0017]本发明所设计的层次CCN-1oT体系结构能够解决物联网节点的高度异构问题，有效利用内容中心网络的结构优势，实现高效、可靠的数据采集和实时控制，具有可扩展性、安全性和移动性好等特点，并能支持节点的间歇连接。同时，在CCN传输体系架构下所设计的多种数据传输模式能够满足物联网数据多源性、通信模式各异、实际应用多样化的需求。
【附图说明】
[0018]图1、为CCN路由转发过程；
[0019]图2、为物联网不例图；
[0020]图3、为层次CCN-1oT体系结构图；[0021 ]图4、为数据源采集数据请求模式；
[0022 ]图5、为向执行器下达指令请求模式；
[0023]图6、为多数据源请求模式；
[0024]图7、多数据源请求的Data包处理流程；
[0025]图8、周期数据发送请求模式。
【具体实施方式】
[0026]针对物联网对可扩展性、安全性和移动性的要求，以及物联网节点的间歇连接和能源有限的挑战，提出基于内容中心的物联网体系结构。
[0027]首先简单介绍CCN网络的基本架构。
[0028]CCN提供了一个完全的数据获取和分发的通信框架，CCN的网络架构包括了两种包类型、三种表类型和名字路由。CCN将内容名和内容捆绑在一起进行鉴权，提高了数据内容的安全性。CCN还支持多路径传输，拥有高效的内容分发机制。
[0029]CCN网络传输的包分别称为:Interest包和Data包。Interest包是数据请求包，Data包是数据回复包。用户发送Interest包作为对内容(数据)的请求，内容的名字作为最重要的信息包含在Interest包内；内容提供者收到Interest包后作出回应，先把被请求的内容、内容的名字以及内容提供者自身的信息封装成Data包，然后回送给数据请求者。因此，在CCN网络中，通信是由接收数据的终端(即数据请求者)发起的。
[0030]CCN路由器为了提供更好的服务，存储了三种表来维护状态信息:内容存储表(Content Store，CS)、请求状态表(Pending Interest Table，PIT)、转发表(ForwardingInformat1n Base，FIB)。这三张表分别用来保持内容名字、内容数据、网络接口之间的映射关系。
[0031]CS存储近期被路由器转发的某些常用的数据内容，采用〈名字，数据指针〉的表格式存储，“名字”为请求的数据的对外发布的名字，“数据指针”指向实际存储数据的物理内存位置，这张表可以理解为路由器上的内容索引表；
[0032]PIT中存储那些已经被路由器收到，但还没有数据回应的有特殊需求的Interest包的状态信息，以类似〈名字前缀，端口列表，其他属性〉的表格式存储。其中“名字前缀”是内容的名字聚合后的路由前缀，“端口列表”记录请求相同内容的Interest包的接收端口 ；
[0033]FIB记录Interest包可被转发的端口列表，以〈名字前缀，端口列表〉的格式存储，其中“名字前缀”是聚合后的路由前缀，“端口列表”表示可以经由哪些端口转发，以获取指定名字的内容。
[0034]CCN网络对Interest包和Data包实行不同的转发机制，如图1所示。
[0035]当路由器收到Interest包时，首先依据Interest中请求的名字作为关键字在CS中进行检索，如果存在对应名字的数据，就直接返回数据给发送请求的用户。如果缓存中不存在该数据，则判断是否需要使用PIT，如果不使用PIT表，则根据FIB进行路由；当有多个端口可以转发时，选择默认路由转发;如果使用PIT表，则将该Interest添加到PIT表中，同时查找FIB表进行转发，当FIB表中可以转发的端口有多个，则需要根据CCN网络的多路径特性来选取一路或多路进行转发。如果FIB中没有对应名字的路由信息，则丢弃或返回请求包。
[0036]当路由器收到是Data包时，首先判断请求该数据的Interest包是否使用了PIT，如果没有使用，则直接在FIB中搜索转发端口，若有默认端口，则转发，否则丢弃。如果使用了PIT表，那么根据Data包携带的名字在PIT表中进行搜索，获取转发端口列表，然后把Data包通过转发端口列表中的端口转发出去；如果没有搜寻到对应的PIT表项，或者PIT表项中已经记录同样内容的数据包已经转发过，那么丢弃该数据包。
[0037]物联网通过信息传感设备，将需要进行信息传递的物体，按照相关协议与互联网相连接。物联网是互联网的延伸和扩展，它是在原有的互联网技术和网络设施的基础上，弓丨入无线技术将世界上所有人与物、物与物相互连接构建成崭新的网络信息系统，实现了物理世界与虚拟世界的无缝连接，可见1T的应用非常广泛，所连接的节点甚众，规模甚至胜过互联网。从图1的示意图可知，物联网连接了各类物体，通过互联网进行信息的有效传输。物联网中，很大一部分是资源受限的低成本、低功耗设备(如无线传感器)，处理能力弱，存储容量小，无线条件比较差。当然也存在如路由器、手提电脑、平板电脑、智能手机等高性能宽带连接的节点。这些性能差异很大的节点共同组成了物联网，使得物联网具有高度异构性的特征。CCN新颖的体系结构具有把无线传感网、自组织网络和互联网连接起来的潜力，为物联网提供技术支撑。
[0038]提出基于内容中心的物联网体系结构。
[0039]CCN虽然是为提高互联网核心而设计的，但也能应用到互联网的边缘一一物联网。物联网传感网通过节点来感知、收集和传递各种类型的所需信息，并不强调对物体的标识，也不关注数据获取的位置，这点与互联网以信息服务为中心的趋势一致。具体地，在物联网中引入CCN网络体系结构(CCN-1oT)，有如下的优势:
[0040]CCN分层命名方式能够促进大规模传感网络中的内容搜索和获取，而命名空间的自然聚合特征，为物联网实现多个数据消费者按需请求获取同一数据成为可能；
[0041]CCN具有可扩展性。通过利用无线广播和优化转发过程，CCN可以从监控区域的多个节点获取数据，而且CCN不会随着节点数量增加而使通信质量下降，具有可扩展性。
[0042]CCN的网内缓存能够支持物联网节点在间歇连接(如低能耗和信道比较差)的情况下工作，并且能够节省能源；
[0043]应用可以在内容中心方式下请求数据而不管数据的物理位置，所以对应用来说这个过程是透明的，上层应用相对独立，开发简单。
[0044]CCN安全机制支持物联网的数据传输的安全性，内容请求重发机制能够保证通信的可靠性；
[0045]CCN体系结构及协议支持移动性，为物联网解决了移动性的难题。
[0046]系统开发灵活。CCN可以在二层技术之上以全新的解决方案替代TCP/IP协议，也可以采用覆盖于IP网络之上的混合方法，以便与核心网络兼容。
[0047]尽管有诸多优点，但由于物联网系统有其特殊性:资源受限设备众多、大量小数据传输、多种通信模式并存和流量类型的多样化，具有高度异构性，需要对CCN进行优化才能更好地与物联网络底层协议相融合，发挥其结构优势。
[0048]针对物联网节点的高度异构性，设计以内容为中心的层次物联网体系结构。
[0049]当为核心网络设计的CCN引入到物联网时，节点异构性就不可避免地对CCN-1oT带来新的挑战。为了解决节点异构性并提高数据收集性能，本发明设计如图3所示的两层物联网体系结构:物联网中功能较强大的设备，如sink(汇聚节点)和远程节点，以及手提电脑、平板电脑等高性能宽带连接的网络节点，配置完整的CCN协议栈，包含内容存储表(CS)、请求状态表(PIT)和转发表(FIB)，实现基于名字路由和内容缓存等CCN功能;而在资源受限的无线传感器上则设计并实现简化的轻量级CCN(SCCN)，以适应资源受限节点的需求，有效获取传感器采集的信息。这里的汇聚节点充当了移动传感网与CCN网络的代理。加载SCCN的传感器节点配有一个访问网络接口，用于广播数据，并且采用基于延时和侦听的方法来避免冲突。当节点收到一个Interest (请求)包时，它先检查本地是否有相应的数据，有的话则直接发送Data (数据)包;若没有，重发该Interest包。Interest包和Data包只在没有侦听到相同的包传输时才发送，并需延迟随机的时间。所以，Interest包无需采用网络路由协议就能在本地无线网络中传播，SCCN中就此可以省略FIB表，减少传感器节点的存储和处理需求。由于不同的硬件存储能力存在差异，可以根据特定硬件的存储能力来确定简单CS(SCS)的容量，以便具有更好的可定制性。
[0050]针对物联网中节点资源受限、多种通信模式并存、数据的多源性和流量类型多样化等特点，设计五种数据传输模式，以适用于基于内容中心网络的物联网体系结构。
[0051]除了高性能节点和低功耗资源受限节点共存，具有高异构性特点外，物联网产生的流量模式也完全不同于互联网的应用(如网页浏览、视频流)，通常是大量小数据传输而不是大文件的传输。而且，物联网末端网络存在多种通信模式和流量类型多样化，如按需请求并获取数据的pull(拉)方式，以一定时间间隔发送数据或按事件触发来发送数据的push(推)方式。传输的数据具有多源性特点，要求不同的监测粒度和服务质量。另外，不像高性能的核心网络路由器，物联网设备大部分是资源受限节点(即低能量、存储小的节点)，无线信号不可靠，数据传输性能相对较差，需要具有节点和服务的发现与管理。针对物联网的特点:资源受限设备众多、大量小数据传输、多种通信模式并存和流量类型的多样化，本发明提出基于内容中心网络的物联网体系架构优化方案。
[0052]由于物联网中存在多种通信模式，为了与CCN的Interest包请求一Data包响应的数据传输模式一致，定义了如下几种Interest包和相应的data包以及处理流程。
[0053]第一种:从数据源采集数据。这种情况完全符合CCN的pull数据传输模式，可采用互联网的CCN机制来实现以数据接收者驱动的数据获取过程，本发明定义此类Interest为内容Interest，其请求内容名以/content Int/开始，由各中间节点按内容名路由到数据源，提取数据后由相应的内容data包(包含被请求内容名和检索到的数据等信息)沿请求路径返回到请求节点，并存储在请求者的CS中(见图4)。data包所经过的中间节点可以有选择地存储数据。
[0054]第二种:下达命令给执行器。这种情况下节点发送一个指令Interest(请求内容名前缀为/Instruct1n Int/，并附上接受指令的设备和指令，如/Instruct1n Int/Room411/lightl/on)请求，路由到目标终端节点，该节点收到指令Interest后，按指令要求触发设备完成给定的任务(如打开灯)后，发回相应的响应Data包以确认任务的执行情况，并报告行为的结果(如成功、失败及失败模式)。图5所示的数据传输过程相当于Interest请求-Data回复的pull通信模式的情形，同样可以在CCN通信机制下实现。
[0055]第三种:从同一区域的多处位置获取测量数据。物联网应用很多时候会监测同一区域多处的测量数据，也就是通过一个Interest在本地无线网络广播，几乎同时从同一区域多处数据源获取相同类型的数据，实现一个Interest同时获取多源的数据，这种场景是物联网独有的。当然也可以逐一发送精确的Interest通过轮询来获取，但会浪费带宽而且消耗更多的发射能量，本发明设计多源Interest的方案来解决(如图6所示)。
[0056]命名:在Interest中赋予共同的名字前缀"/Multi Int/〃，同一区域中的各监测节点收到具有前缀为"/Multi Int/〃的Interest包后提取其CS中的相应数据，并在请求的内容名后加上自己的名字，然后封装成响应的Data包返回。如发送Interest名为"/MultiInt/room411/monitor/temperature"，那么多个传感器分别回复Data包，客厅的采用名字〃/Multi Int/room411/monitor/temperature/1 ivingroom^，而书房的则米用〃/MultiInt/room41I/monitor/temperature/studyroom〃。
[0057]PIT表:原始的CCN收到数据包后PIT就会删除Interest，CCN_1T要求收到多源Interest的响应数据包后继续维护PIT表中的Interest以接收后续的多个数据。相应地，Interest的生存期Error !Reference source not found.要适当延长，防止生存期结束后Interest被删除。当数据包到达时，先检查PIT表。如果多源Interest并未过期，查找CS表看是否有重复，因为同一个数据产生者可能会发送更新的内容，所以，如果CS表中有相同的数据而且比收到的数据要早，那么更新该数据，否则丢弃数据包。
[0058]冲突避免与数据抑制:因为多个传感器会同时响应Interest而产生冲突，需要冲突避免方案；同时，根据实际情况限制数据的发送，如残余电量或者侦听到已有足够的数据收集。无线信道中冲突避免的方法很多，可采用简单的随机退避方法。
[0059]收到多源请求的Data包后，每个节点的处理流程如图7所示。
[0060]第四种:周期性数据发送。一些监测应用会以固定的时间间隔发送测量数据(如图2中环境监测、车辆监测和家居温湿度测量等)，如果每次都采用请求-响应的方式效率会比较低，本发明设计周期Interest，通过预设较长的Interest生存期，实现一次请求获取多个响应数据包。
[0061]周期Interest的请求内容名以/Per1dInt/开始，并在内容名中指定发送时间间隔，每个响应的data包在内容名后附上时间戳作为区分。在第一个数据到达时，每个节点并不删除相应的PIT接口，后续应答该Interest的数据包可以继续接收直到Interest过期，以适应按一定间隔传送监测数据的模式。通常应用在远程节点(服务器、智能手机等)获取本地信息的场合，这种情况下本地数据接收者可以转化为发送多个多源Interest包，并且根据实际情况可以发送统计信息给远程节点或者把多个数据合在一个数据包里(只要不超过最大传输单元)发送给远程节点，以节省流量。
[0062]比较第三种和第四种情况，周期Interest用于在不同时间从同一数据源获取多个数据;而多源Interest目的在于差不多同时从不同的源获取数据。多源Interest生存期的取值为数据收集时间加上节点间往返时间，而周期Interest需要从同一数据源以固定时间间隔多次收集数据，其生存期要大于多源Interest。上述两种方法都能达到一个Interest获取多个数据包的目的，来适应无线传感网的实际需求。
[0063]第五种:实时告警。实时告警应用于突发事件，当相关设备检测到异常信息，会立即触发高优先级的实时告警(如火警)，而不是等待接收方请求时再行发送，或者等到固定的时间间隔才发送数据。这种物联网的应用会产生push流量，与CCN的pull模式相矛盾，需要作相应的更改。
[0064]本发明在符合CCN的通信模式下设id种紧急Interest，以/emergency Int/作为Interest的前缀。当有突发信息产生时，告警源发出一个紧急Interest，目标处理节点触发一个普通的内容Interest请求，告警源提取本地告警信息并封装为内容Data包来响应内容Interest请求，发送到目标节点，目标节点收到后发送确认包一紧急Data包。这里设置紧急Interest包的目的在于即时触发数据接收者的内容Interest请求，但需要等内容请求和响应结束后再响应紧急Interest，所以紧急Interest的生存期设置为一般内容Interest的两倍。
[0065]本发明在符合CCN通信模式的情况下，利用Interest可定制域，共设计了内容Interest，指令Interest，多源Interest，周期Interest和紧急Interest，以满足同一区域数据采集、周期性数据采集、执行实时指令和实时告警等物联网环境下的特殊应用需求，并且适用于物联网节点资源受限和通信不稳定的情形。
[0066]目前所采用的物联网协议6LowPAN/IPv6/RPL所能承载的净荷非常有限，而且消耗较多的计算和存储资源，限制了高异构性和大规模物联网的发展。本发明引入内容中心网络体系架构，根据节点异构性设计了层次内容中心物联网，并设计五种数据传输模式以优化CCN网络协议，构建灵活实用的CCN-1oT体系结构。本发明能够解决物联网节点的高度异构问题，有效利用内容中心网络的结构优势，实现高效、可靠的数据采集和实时控制，具有可扩展性、安全性和移动性好等特点，并能支持节点的间歇连接。同时，本发明能够满足大规模物联网多样化的应用需求，解决大规模物联网数据传输中的数据多源性、多种通信模式共存、流量类型多样化的难题。
[0067]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
【主权项】
1.一种基于内容中心网络的物联网体系架构，针对物联网对可扩展性、安全性和移动性的要求，以及物联网节点的间歇连接和能源有限的挑战，提出基于内容中心的物联网体系结构。2.根据权利要求1所述的基于内容中心网络的物联网体系架构，针对物联网节点的高度异构性，设计以内容为中心的两层物联网体系结构，把CCN体系架构引入到物联网中，并针对物联网中受限设备与功能强大设备共存的高度异构性特点，提出以内容为中心的层次物联网体系结构。对于能力较强的设备采用原始的CCN原程序，而在资源受限的无线传感器上则设计并实现简化的轻量级CCN(SCCN)，以适应资源受限节点的需求，有效获取传感器采集的信息。3.根据权利要求1所述的基于内容中心网络的物联网体系架构，针对物联网中节点资源受限、多种通信模式并存、数据的多源性和流量类型多样化等特点，设计五种数据传输模式，以适用于基于内容中心网络的物联网体系，从数据源采集数据的通信模式，向执行器下达指令的通信模式，从多源获取数据的通信模式，同一数据源周期性数据传输的通信模式，实时告警的通信模式。
【文档编号】H04L12/741GK105978946SQ201610269936
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】李君 , 陈有余, 朱佳梁, 黄小咪, 黄美华
【申请人】浙江万里学院