第6章-物联网承载网络

12021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著物联网技术（第2版）第6章物联网承载网络教学课件22021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著在物联网的网络层需要把网络融合在一起，形成一个传输承载网。随着物联网发展，需要建立起端到端的全业务性物联网，通信网将成为物联网的基础承载网络(CarrierNetwork)。所谓承载网络是为保证通信基础网络和业务网正常运行，增强通信网功能，提高整个通信网的服务质量而形成的专门网络。在承载网中传递的是相应的监测、控制及信令等信号。承载网络应该是电信级的骨干传输网（多是光纤网络）。为满足物联网业务的承载，需要进一步提升接入网、城域网、骨干网的电信级要求，包括端到端服务质量(QoS)、网络自愈能力、业务保护能力、网络安全等。第6章物联网承载网络32021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.1物联网业务对承载网的需求分析6.2物联网承载网架构6.3承载网的关键技术6.4基于IP的物联网架构6.5软件定义网络（SDN）小结与进一步学习建议思考与练习第6章物联网承载网络42021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.1物联网业务对承载网的需求分析物联网应用的复杂性和多样性对网络“服务质量、安全可信、可控可管”等各个方面提出了高要求。物联网的通信量也将成为网络流量的重要组成部分，网络的承载能力需要具备更多的电信级特性。52021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著1．监控报警类感知层的传感器节点持续监测本地数据，当发生不符合预期的数据变化时通过网络通知应用层进行报警。典型应用场景如家庭安防、环境监控等。2．数据采集类感知层的传感器节点对环境感知数据进行周期性和持续性的采集并上报。在一个传感网中通常部署有大量的传感器节点，这些节点采集的数据由某个中心控制节点进行收集、汇聚后通过网络上传到应用层。6.1.1物联网业务承载能力要求目前，物联网在各个领域、行业的应用场景可以归纳为监控报警类、数据采集类、信息推送类、视频监控类、远程控制类、识别与定位类等6种类型。这6类应用对网络承载能力的要求具有如下一些特点。62021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著3．信息推送类信息推送是指根据终端的请求，或由应用系统持续、周期性的向远程终端设备主动传送信息。典型应用场景如智能博物馆、电子广告牌、车站交通信息通知等。4．视频监控类终端把实时采集的视频数据通过网络持续向监控中心发送。典型应用场景如行业视频监控、电子眼等。5．远程控制执行器类感知层的传感器节点通过对现场环境进行持续性监测或数据采集，通过网络发送至应用系统。应用系统对上传的数据进行分析、处理后，向执行器发送远程控制指令。典型应用场景如工业自动化中的过程控制、电力自动化系统的继电保护等。6．识别与定位类RFID或GPS终端设备把物体的电子标签或位置信息通过网络发送到应用系统，然后对物体进行智能化的识别、定位和追踪。72021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.1.2物联网基本业务需求从物联网的应用场景可以看到，不同的物联网业务对网络带宽、实时性、数据安全性、终端设备移动性以及连接时长等都有不同的需求。欧洲电信标准化组织(ETSI)和第三代合作伙伴计划专门针对机器到机器(M2M)业务需求制订了技术规范。M2M的典型需求如下。提供可以承诺服务质量的通信保障。提供端到端的业务安全。支持终端设备远程管理。支持不同流量的数据传输。支持多种接入方式。支持终端设备数量的扩展。支持多种信息传递方式，包括单播、组播、任播和广播。82021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.2物联网承载网的架构通过物联网业务对承载网能力的需求分析可知，为适应物联网大规模应用，需以大容量、优质高效的通信网络实现对物联网业务的承载。“全面感知、可靠传递、智能处理”是物联网的主要特征。在影响物联网应用发展的关键环节中，承载网需在“可靠传递”这个环节起到关键作用。92021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.2.1典型的电信级承载网架构物联网全业务的运行对承载网提出了新挑战，需构建一张能承载多种新旧业务、易于扩展、安全可靠、综合业务统一承载、低成本的承载网。目前，融合同步数字体系（SDH）/多业务传送平台（MSTP）、分组传送网（PTN）和光传送网（OTN）多种技术混合组网的架构正成为新的发展趋势。一种典型的电信级承载网络架构如图6-1所示，在逻辑上可以将它分为骨干层、汇聚层和接入层3个层次。102021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著图6-1典型的电信级承载网架构112021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著互联网、电信网和广播电视网三网融合推动了我国的高速宽带网络发展。三网融合的目的是业务融合，网络融合是基础，终端功能融合是趋势。一种面向三网融合的新一代IP承载网架构如图6-2所示。6.2.2面向三网融合的IP承载网架构图6-2面向三网融合的新一代IP承载网架构122021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.2.3未来网络的承载网络IP网发展至今已有30多年的历史，IP网的诞生和发展导致了互联网的辉煌。IP网是分组数据网，它是互联网业务的承载网。未来网络的业务承载能力需求未来网络的概念及相关研究未来网络的关键策略软件定义网络（SDN）的典型架构借鉴OpenFlow的思想，网络领域提出了软件定义网络SDN）。132021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.2.3未来网络的承载网络4.软件定义网络（SDN）的典型架构SDN是一种新型的网络架构，设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。一个广泛认同的SDN架构如图6-3所示。图6-3典型的SDN架构142021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3承载网的关键技术目前，有多种组网技术可用于建设能够承载物联网业务的承载网，主要包括SDH、PTN和OTN等技术。其实，各种组网技术都在不断吸取各自的长处，互相取长补短，即要实现快速传输，又要满足多业务承载，另外还要提供电信级的QoS，各种组网技术之间呈现出一种融合的发展趋势。152021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3.1SDH/MSTP技术SDH传输网具有智能化的路由配置能力、上下电路方便、维护监控管理能力强、光接口标准统一等优点。基于SDH技术的MSTP可以将SDH复用器、数字交叉链接器（DXC）、波分复用（WDM）终端、网络二层交换机和IP边缘路由器等多个独立的设备集成为一个网络设备，进行统一控制和管理。1.SDH技术所谓SDH是由一些SDH网元组成的，在光纤(或无线)上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络。SDH的主要技术原理。SDH传输系统配置方式。SDH技术的优点。162021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3.2PTN技术随着以互联网为代表的数据业务和多媒体业务的不断发展，业务的传送环境发生了很大变化。由于受到各种新的IP应用业务推动，例如三重播放、有线或无线IP视频和以太网数据业务，网络中的业务流量正从TDM为主向着分组数据业务为主转变。因此,需要建立一个新的传送网络体系结构，既可以面向传统语音业务在内的各种业务接口，又可以具有统一的处理平台，提出了PTN技术。1．PTN定义与工作原理PTN将网络分为信道层、通道层、传输媒质层,通过通用成帧规程（GFP）架构在OTN、SDH和PDH等物理媒介上。172021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3.2PTN技术2．PTN的功能平面PTN可分为传送层面、控制平面和管理平面三个功能层面，如图6-9所示。图6-9PTN的分层结构182021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3.2PTN技术3．PTN网络架构PTN技术主要用于城域传送网。PTN独立组网的拓扑结构如图6-10所示。图6-10PTN独立组网拓扑结构192021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.3.3光传送网（OTN）在城域光网络技术中，不论是MSTP、RPR、ASON，还是城域DWDM和CWDM，都基于SDH或WDM。在面对网络全IP化的进程中，它们都存在着或多或少的缺陷。针对SDH或WDM技术的不足，ITU-T提出了OTN技术。1.OTN的技术原理图6-12OTN模型202021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.4基于IP的物联网架构TCP/IP是一个具有灵活性的技术模型，它使得互联网从几台主机发展到超过数十亿台主机，在各种传输介质上支持无数服务。即使网络和网关失效（指出现链路或节点故障的情况），网络通信也能够继续进行。物联网的主要目标与此相同，额外的需求是由数十亿无人值守且受限是设备构成的大规模网络的支持。然而，IPv6技术也已经可以满足这种应用。在此主要讨论智能物件如何基于IP实现网络互联问题。212021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.4.1智能物件互联的困难从技术的角度讲，智能物件是指装备了信息感知设施（如传感器或制动器）、微处理器、通信装置和电源的设备。传感器或制动器赋予了智能物件与现实世界交互的能力。微处理器保证智能物件即使是在有限的速度和复杂度上也能够对传感器捕获的数据进行转换。通信装置使得智能物件能够将其传感器读取的数据传输给外界，并接收来自其他智能物件的数据。电源为智能物件通过其工作所需要的电力。显然，智能物件互联存在许多需要解决的困难。智能物件的基本功能智能物件互联需要解决的问题222021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.4.2TCP/IP体系分层是灵活性协议体系结构的核心设计思想。该思想随后应用到现在的TCP/IP协议体系模型以及ISO的7层OSI开放模型，如图6-18所示。图6-18TCP/IP和OSI架构232021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.4.3用于物联网的IP网络物联网及其应用在节点和网络中都带来了挑战。为了迎接这些挑战，需要一种可以横跨多种通信技术的互联网架构。基于TCP/IP体系的IP网络为现有的网络、应用和服务奠定基础，完全可以满足物联网通信要求。IP网络技术体系按照“网络基础→局域网→城域网与广域网→TCP/IP基础→网络互连与互联网→网络设计与应用”分6个课程，建立了系统性的知识体系结构。即便是在每课程中，例如“网络设计与应用”按照“网络需求分析→网络性能分析→网络逻辑设计→网络物理设计→网络设计示例→Web开发与设计”这样一个循序渐进式结构形成了知识链。242021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第6章物联网承载网络刘化君刘传清编著6.4.3用于物联网的IP网络——网络工程技术知识体系网络基础：主要包括计算机网络的基本概念，以及计算机之间如何通过网络实现信息的传送。局域网：主要包括计算机局域网工作原理及组网技术。城域网与广域网：主要包括城域网与广域网的概念、技术、构件和协议。TCP/I