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物联网（IoT）中的设备到设备通信技术的网络层互操作

概要：物联网的目的是创造一个为了能在网络上相互通信的设备的集成的生态系统。为了达到这个目的，在设备之间的通信技术要求有效的内部运行，这些技术组成生态系统。如今，这些技术运行在不同协议下的纵向仓库。我们通过关注例如地址、路径、灵活性、安全性、资源最优性这些网络层性能，来探索和设备间技术的集成性和互用性有关的挑战。我们发现了在物联网环境下，设备间通信的现今TCP/IP构架具有的局限性。我们同样讨论6LoWPAN构架的一些局限性，以及描述如何为设备间通讯所用。最终，我们找到了解决方法，我们发现了在物联网环境下设备间通讯的可用网络层性能。

1，介绍

几年间，人类之间以及人类与设备之间的通讯发展迅速。无所不在的不同种类的设备部署和运用已经使设备间的通讯变得十分重要。今天，不同种类的设备既依靠人类（为了交互或监视）又通过自身运行（为了控制或者自动化）。这些设备是个人的电子设备、家庭应用、健康检测仪、智能交通、工业传感器和制动器。

物联网生态系统是一个拥有网络连接性能的独特可辩别的设备的平台，因此，它们可以在设备及人类间传输信息。这是个复杂的、庞大的、快速扩展的生态系统，能够使设备间进行全球性流畅的、无所不在的相互交流。

设备间流畅的、无所不在的连接已经被数据的易获取需求加剧，这些数据可以被加工处理以提供应用的改善服务，例如智能坐标、健康检测器、家庭区域网络、建筑自动化和车辆通讯交流。因此，健康检测器、传感器、交通和家庭应用，几乎所有的设备都拥有网络连接可用性，这加速了物联网的应用和增生。一些展望预测，到2020年，每天能够连接互联网的设备的数字将达到500亿左右。这些增长开始于用户设备的激增（例如智能手机、平板、笔记本电脑、电视以及家庭应用）。然而，一段时间后，大多数应用的连接设备将会在工业和家庭部门（例如无线射频技术标签、土壤监控传感器、建筑传感器、路灯、智能测量）。

对于物联网的强烈兴趣是随着智能手机的出现而开始的，它们被用于创造正在产生新的收入潮流的新的应用或服务。接着，更多的设备制造商得到动力去更多的智能设备以支持正在出现的智能应用和服务，例如移动支付、群体感知（收集做出决议和方针的数据）。物联网同样促进用于商业交流的模型（例如按使用支付）语义学和智能传感器以及学习算法也可以被用来发展新应用。例如一个智能设备可以运用语义学推断用户的意图，在没有用户参与的情况下基于推断提供服务。这样的一个应用可以由智能家庭娱乐系统提供，这个系统有能力根据用户的喜好决定提供何种服务。

新的示例刺激着包含软件定义网络（SDN）、以信息为中心的网络（ICN）、网络功能虚拟化（NFV）、低能量蓝牙（BLE）

、近距离无线通讯技术（NFC）、无线高保真导航的物联网的快速应用。雾网络和大数据分析同样促进先进物联网的应用概念的出现。

许多物联网应用包含普遍的数据集合体，这些数据来自为了管理物理世界的设备。预测分析和现实的最优化模型可以被用来创造知识财富，即使智能世界成为可能，这也是物联网的最终目标。然而，如果数据遍及网络，数据收集和分析才成为可能。为了达到这个目标，需要不同类型的组成设备网络互联和互操作性，共存于物联网生态系统。大多数物联网设备被期望能够自我安装，因此适当减少人类干预。在这种情况下，设备间通讯被期望成为物联网生态系统本质的一部分。典型得，设备间通讯包含小范围直接通讯，不需要网络基础设施的支持（例如基础站或者连接点）。在设备间通讯中，设备共同操作通过多次反射传输交换信息。大部分物联网应用或服务会被设备间通信网络识别，例如超低功耗增强行数字无线通讯（DECTULE）、zigbee、低功耗蓝牙、电力线通信、无线射频识别（RFID）、近距离无线通讯技术。然而，这些是存在于纵向筒仓的所有权通信技术标准。除此之外，它们设计了不需要网络连接设备的应用。

尽管设备间通讯将在物联网中占主导地位，然而更多关于设备间通讯的关注主要集中在长期进展的蜂窝网络。蜂窝网络是物联网生态系统的一部分，但是大部分设备间通讯将被例如传感器和制动器等设备执行。因为相异IP和无IP技术在物联网中共存，理解集合挑战尤为重要，这需要定位在网络层，这种网络层使在物联网中设备间通讯无线普遍连接成为可能。

基本上，物联网生态系统的平台可以被分成三个水准，命名为感知层（数据产生）、交流层（设备连接及数据传输）、管理层（数据收集，存储，加工，管理）。感知层包括移动或固定的设备，当交流层包含存在或正在产生有线或无线的通讯网络时，可以产生不同格式的数据。在管理层，需要数据收集，存储，分析技术。

1.1 这项工作的主要研究贡献和组织

随着在物联网中对于交流层的提及以及对设备间通讯的关注，(a)我们重视起网络基础协议栈的一些固有限制，(b)我们洞察一些设备间通讯技术内部运行事件，限制，包括6LoWPAN的采用，(c)我们识别一些6LoWPAN的开放事件并为它们提供解决建议，(d)我们提出设备间通讯的网络层内部运行协议的挑战和方案。

2，物联网上设备间通讯的TCP/IP结构的实现挑战

通常来说，在任意通讯网络中的设备为了数据传输使用一系列规则（协议）。TCP/IP结构是支持互联网内通讯协议的框架。它将两个设备间的数据传输分解成五个功能层，分别为：物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层，许多网络技术基于这些功能层发展。当数据在两个层之间转移，额外的框架和控制数据被增加到主数据上。这样的增加信息需要处理，因此引发大量的加工功耗和记忆容量。但是，大部分的物联网设备不会遇到这种需求。此外，物联网中的设备间通讯以过剩设备的不均匀性和移动性为特点。因此，生态系统不得不可扩展，使得设备间信息传输可靠。但是，互联网的TCP/IP协议不提供由物联网生态系统表现的高水平的课扩展性，大量运输移动。它们主要限制在满足这些新要求。

在这个部分，我们辨别讨论TCP/IP结构的设计特点，这些特点使在物联网环境下完成设备间通讯十分困难。

2.1 对于物联网TCP/IP结构的限制

由于TCP/IP协议栈的固有性质和操作，使得在物联网中设备间通讯无法达到最优化：

2.1.1 TCP/IP协议栈是有影响力的

TCP/IP协议栈要求高带宽，加工功耗，电池能量和存储，它需要端口、缓冲器等资源达到这个目标。然而，这些资源消耗存储和电池能量，这是高度拘泥的物联网设备的限制资源。通常，一个TCP/IP协议栈在被上层协议接受前，可以接收存储网络缓冲器的任何数据包。同样，在传输前，任何将被传送的数据被放在这样的缓冲器中。物联网设备可能没有足够的可被利用的存储空间作为网络缓冲器存储将要发送的数据或者TCP/IP栈要求接收的数据。

2.1.2 存储残片和重组

TCP/IP结构准许一个发送设备将大块数据分裂成小块数据，并在接收器重组这些数据。当一个设备尝试传输超过互联网所允许的最大传输单元的数据时，存储残片表现出来。每一个部分在首标中包含的信息，是为了促进达到最终的目的。这个信息创造一般的或额外的处理需求和能量。这个结果表明存储残片主要可以降低物联网生态系统中设备性能。在传输前的数据残片可能导致传输安全威胁。此外，片段数据的丢失和重新传输的需求可能降低传输数据和可靠性和完整性。总的来说，对于包含设备间通讯装置的资源受限网络，作者建议有必要寻找新的解决方案避免分裂。

2.1.3 寻址系统

TCP/IP协议栈在每一层增加了额外的元数据（例如首标和域），因此导致了额外的加工，消耗了存储和计算能量。

2.1.4 数据包确认和重新传输

通过高层的数据包确认对于可靠性的要求阻碍了在物联网中设备间通讯的TCP/IP协议的采用。重新传输导致增加的能量消耗更耗尽有限的电池能量。每一个传输节使用能量，降低能量消耗是有必要的。

2.1.5 无嵌入式安全性能

TCP/IP设计结构缺乏一个全环绕安全机制，因为在初始设计时不考虑安全。安全机制作为附属层被采用，因此导致超负荷和额外加工。

2.1.6 错误控制和侦察机制

在网络内，对于错误纠正和侦察的需求减缓了交流流动，并且在最终系统消耗了额外的计算和存储资源。

2.1.7 流量控制机制

TCP使用基于窗口机制来控制流量。这个事件是典型的；这个网络可以比一个典型的设备间通讯装置能拥有的速度更快的传输数据。如果一个设备在不能处理的情况下不断接收数据，它的接收窗口尺寸最终会减小到零。然而，一个零尺寸窗口表明一个设备不能接收数据，因此传输者需停止传输。TCP/IP栈需要的运行数字将浪费设备间通讯装置的有限的资源（例如带宽存储容量，电池和加工能量）。

2.2 设备间传输装置的限制资源

2.2.1 带宽

典型的受限网络中的设备有低数据完成率。其中一些设备（例如灯开关/被动传感器）用于简单的应用而不需要传输大量数据。物联网中设备的限制带宽限制了任意时间的传输数量和速度，因此它们不能完成复杂的通讯协议。

2.2.2 存储容量

存储尺寸限制可以在任意时间缓冲的数据量。因此这样的设备在上层处理前后不能存储即将发送或接受的数据。如此，如果它超过一个存储受限设备的允许限制，一些数据可能被丢弃。

2.2.3 能量容量

在一段时间内，一个设备的可用的能量数维持自身。一个设备的可持续时期包括它的运行和睡眠状态。运行状态是传输，接收，聆听和监听状态。根据，一个能量受限设备的能量源在一段时间后可以被重新充电和替代。然而，在能量被耗尽后，不可再充电设备将被丢弃。因此，为了节约受限设备的电池寿命，低带宽连接是必要的。

2.2.4 加工能力

加工能力表明一个设备拥有的计算能力的数量。大部分物联网设备（例如RFID标签）是拥有低加工能力的小的，低功耗的设备。因此，这种设备需要轻重量级的通讯协议来有效运行。它们通常有8比特处理器和大约10MHZ的时钟频率。然而，例如物联网环境下的用户电子设备，笔记本电脑，移动手机，自动移动和家庭应用的其它设备可能拥有从中等到高级的加工能力。在物联网环境中，这些设备组成一个小团队设备。

3. 物联网中交互操作设备间通讯技术

由于设备，应用，网络的不均匀性，物联网生态系统中交互操作的问题出现在每一层的协议栈。物联网内存在不同的使用实例应用程序。除此之外，还有不同专利权的设备间通讯技术存在。这些技术旨在为不同应用方案的一系列要求提供解决方法。因此这里没有或绝不会有一个单一技术可以满足运行在物联网环境下所有应用的要求。例如，BLE在纽扣电池下运行设备，而zigbee以非集中的结构创造便宜的设备间工作。物联网中成百上千的设备被期望以不同的技术运行，来提供不同的服务。然而，在设备执行不同技术时，一个物联网应用可能被要求有同步的交互作用，例如在家庭自动化，智能城市和智能坐标应用。这些应用强调在物联网中内部操作和整合设备间技术的必然性。因此，互操作性的问题需要一个更实际、更全面的方法。在物联网中有一些解决互操作性事件的方法，但是大部分集中在应用层。

在这篇论文中，我们集中在如何获取设备间通讯技术的网络层内部运行。一个互操作设备间技术的网络层解决方案十分重要，因为每个技术以独特的、用户化的协议栈运行。当数据通过发射井系统时，物联网生态系统完全意识到被利用去提供首尾相连的解决方案。

在这个部分，我们讨论在物联网中6LoWPAN如何并入一些设备间通讯技术。此外，6LoWPAN的一些缺点将被展现。

3.1 6LoWPAN

6LoWPAN是LoWPAN的IPv6标准的缩小版本。LoWPAN是资源受限设备的D2D网络。6LoWPAN是为LoWPAN开发的，以促进IPv6数据包的传输。它执行三个关键功能：头压缩（HC）,分段和重组（FAR）和二层转发。HC机制降低了与IPv6分组传输相关的开销。第二层转发使得能够在多个业务栈上传送IPv6数据包。适配层还执行邻居发现和组播功能。关键功能使得报头小巧易于解析，以减少资源受限设备的开销，带宽，处理和功耗。

接下来，我们讨论典型的D2D网络约束技术，如DECT ULE,PLC,RFID,BLE和zigbee及其局限性，以及如何利用6LoWPAN来实现互操作。

3.1.1 数字增强型无线电信超低功耗（DECT ULE）

DECT ULE为低带宽，低功耗D2D通信应用提供分组模式数据传输。它有两部分：便携式部件（PP）,它是受限装置和固定部件（FP）,是基站。FP可以为PP提供网络连接。MAC层支持通道选择，并建立和释放设备发现和配对的连接。它还使用PP的广播信标传输，能够识别要连接的FP。多路复用和FAR由数据链路控制（DLC）提供。DLC的C平面支持信令操作，而U平面支持端到端的用户信息传输。信道接入通过频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）或时分多工（TDD）来完成。DECT的通用网络拓扑是星形拓扑。

物联网应用：家庭自动化，家庭安防，智能电表，家庭健康监测。

用例：挂件可用于使用很少的电池电量将状态消息传送给医疗保健提供者。然而，出现紧急情况，挂件可以设置语音连接到患者的报警服务。

装备：智能电表，门锁，病人监护装置。

限制：1）不支持网格拓扑；2）不支持组播，但可以通过在每个链路上复制单播消息来实现，这不节能。

3.1.2 IEEE 1901.2标准

它通过现有的交流和直流电力线，制定用于窄宽D2D通信的PHY和MAC技术，用于小于500KHZ的电力线设备。然而，实现IEEE 1901.2标准的设备仍然享有与使用无线介质的设备相同的约束。PHY层使用正交频分多址（OFDM）支持在10KHZ-490KHZ频带中通信，以在恶劣的电力线介质上提供稳固的通信。适

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