无线传感器网络与物联网通信技术 课件 第6章 物联网接入与互联技术

第6章物联网接入与互联技术第6章物联网接入与互联技术2目录6.1物联网接入技术6.2网络互连技术6.3互联网路由技术6.4交换技术6.5本章小结6.1物联网接入技术6.1.1接入技术简介无线传感器网络以数据为中心，一般情况下不会给每个节点分配固定且唯一的地址标识，通过数据报文交互来实现组网传输功能，其网络协议与外部通信网络之间存在很大的差异。基于无线传感器网络的多网融合体系结构如图6-1所示，无线传感器网络通过汇聚节点与网关建立连接，网关通过协议转换与外部通信网络建立连接，最终与服务器或用户终端交互。6.1物联网接入技术6.1.1接入技术简介（1）通信速率是选择网关接入技术的一个关键指标。（2）应用环境与异构组网需求与能够采用组网方式密切相关，因而需要结合应用环境所能够提供的条件来选择合适的网络接入方式。（3）网络部署方式决定了网关的成本和集成度。根据不同的业务场景，无线传感器网络可与多种类型的外部通信网络建立连接，相应的网关接入技术也将随之不同，需要通过衡量满足传输需求的网关特性来选择使用相应的接入技术。6.1物联网接入技术以太网接入技术无线局域网接入技术移动通信网络接入技术6.1.2面向无线传感器网络的接入技术6.1物联网接入技术6.1.3面向互联网的接入技术要将无线传感器网络接入互联网，面临诸多的问题，包括无线传感器网络与互联网之间的接口协议转换问题、两种网络不同的节点寻址问题、无线传感器网络能耗因素与互联网服务质量需求之间的平衡问题等，其实现方式主要有两种：（1）设计网关协议转换或具有IP地址的接口节点，互联网可直接访问该网关或接口节点，无线传感器网络中的其他节点只能通过网关或接口节点将信息传送至互联网，从而实现无线传感器网络与远端互联网用户间的信息交互。（2）设计移动代理（MobileAgent）技术，通过移动代理完成无线传感器网络协议栈与TCP/IP协议栈间的数据包转换，实现无线传感器网络接入互联网。6.1物联网接入技术6.1.3.1网关协议转换方式无线传感器网络与互联网之间相互分离，互不影响，无线传感器网络可以按自身需求设计网络协议，不需要对互联网协议进行改动，仅通过网关实现两种网络协议栈的传输数据转换。位于互联网的用户通过网关设备以广播方式将服务请求发送至无线传感器网络，无线传感器网络针对用户请求提供服务响应。6.1物联网接入技术6.1.3.1网关协议转换方式另一个网络协议转换方式是采用延时容忍网络（DelayTolerantNetwork，DTN）。与网关协议转换接入方式不同的是，DTN方式需要分别在无线传感器网络协议栈和互联网协议栈中部署额外的绑定（Bundle）层，如图6-3所示。6.1物联网接入技术6.1.3.2网络IP接入方式无线传感器网络IP节点的实现方式有两种，分别是节点IP化和互联网主机节点化。（1）节点IP化。（2）互联网主机节点化。6.2网络互连技术6.2.1网络互连简介网络互联是指将两个以上的通信网络通过一定的技术与方法，用一种或多种网络通信设备相互连接起来，以构成更大的网络系统。网络互联的目的是实现不同网络中的用户可以互相通信、共享软件和数据等。从硬件角度看，网络互联需要使用各种网络设备来实现互联，常见的设备如物理层的中继器与集线器，数据链路层的网桥与交换机，网络层的路由器等。网络连接形式包括LANtoLAN(LocalAreaNetwork，局域网）、LANtoWAN(WideAreaNetwork，广域网）和WANtoWAN等多种互联连类型。从软件角度看，网络互联是使用各类网络协议实现同构和/或异构网络之间的互连、互通与互操作。互联是指实现各个子网络之间物理与逻辑上的相互联接；互通是指保证各个子网之间可以交换数据；互操作是指网络中不同系统之间具有透明访问对方资源的能力。6.2网络互连技术6.2.1网络互连简介网络技术的发展经历了以下几个阶段：（1）ARPANET时期（1969-1983）（2）TCP/IP时期（1983-1992）（3）万维网时期（1992-至今）（4）移动互联网时期（2000-至今）（5）物联网时期（2010-至今）6.2网络互连技术6.2.2网络核心与网络边缘按照网络中的不同位置来划分，网络设备可以分为网络边缘和网络核心。网络边缘（移动网络）网络边缘（家庭网络）网络边缘（企业网络）网络核心6.2网络互连技术网络时延传播时延处理时延排队时延AB传输时延6.2网络互连技术处理时延处理时延是指从路由交换设备的输入端口收到分组开始，到路由交换设备将该分组交换到输出端口之间所经历的时延。排队时延当链路速率大于路由交换设备的交换速率的时候，分组到达输入端口，而路由交换设备的处理器来不及将分组从输入端口取走，在输入端口形成排队。而如果某个输出端口的链路速率小于处理器将分组交换输出到该端口的速率时，则分组在该输出端口形成排队。6.2网络互连技术传输时延是指从分组排完队开始，到分组被全部推向输出链路所经历的时间，该时延取决于链路的传输速率和分组的大小。实际的传输时延通常在毫秒到微秒量级。传播时延传播时延是指分组从链路信道的一端传输到另一端所需要的时间，该时延取决于该链路的距离长度和电磁波在该信道中的速率。传输时延6.2网络互连技术网络分层体系结构OSI参考模型采用七层分层结构，每一层都为其上一层提供服务并为其上一层提供一个访问接口或界面。OSI参考模型因其过于庞大、复杂而招致许多批评。与此对照，由技术人员开发的TCP/IP协议栈则获得了更为广泛的应用。图6-7显示了两种模型的对比示意。6.3互联网路由技术互联网络路由技术具有如下几方面的特点。大规模性复杂性可扩展性安全性多协议支持6.3互联网路由技术6.3.1路由技术简介路由技术位于网络层。所谓路由，是指通过互相连接的网络，把数据从源地点转发到目标地点的过程。一般来说，在路由传输的过程中，数据至少会经过一个或多个中间节点。这一过程包含两个基本的动作：确定最佳路径和通过网络传输信息。一般将确定最佳路径的步骤称为选路或路由。6.3互联网路由技术6.3.2路由器基础6.3互联网路由技术中央处理器中央处理器(CentralProcessorUnit，CPU)是路由器的中枢。CPU主要负责执行路由器操作系统的指令，以及解释、执行用户输入的命令。只读存储器只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)的特点是，在出厂的时候一次性写入数据，此后无法进行修改或删除。ROM中包括开机自检程序(PowerOnSelfTest，POST)、系统引导程序以及路由器操作系统的精简版本。6.3互联网路由技术随机存储器随机存储器(RandomAccessMemory，RAM），即内存，用来存储用户的数据包队列以及路由器在运行过程中产生的中间数据，如路由表、ARP缓冲区等。此外，RAM还用来存储路由器的运行配置文件。RAM必须带电存储，一旦掉电（即路由器关机或重启时），RAM中的数据也随之清除。闪存闪存(FlashMemory)是一种长寿命的非易失性存储器，即在断电情况下仍能保持所存储的数据信息。闪存相当于计算机中的硬盘，主要用作存放操作系统，甚至可以存放多个版本的IOS（InterconnectionworkingOperationSystem），可方便升级。6.3互联网路由技术非易失性内存非易失性内存(NonVolatileRAM，NVRAM）是可读可写的掉电后依然能保存数据的高速存储器。NVRAM存取速度快，但成本高，通常容量较小，只有几十到几百KB，故只用于保存启动配置文件。控制台端口控制台端口(ConsolePort）提供了一个EIA/TIARS-232异步串行接口，供用户对路由器进行配置使用。不同的路由器可能有着不同形式的控制台端口。6.3互联网路由技术辅助端口辅助端口（AuxiliaryPort）与控制台端口类似，也提供一个EIA/TIARS-232异步串行接口。不同的是，辅助端口常用来连接调制解调器以实现对路由器的远程管理。接口接口（Interface）是数据包进出路由器的通道。不同路由器可能有着不同种类、不同数量的接口。常见的两种基本接口类型为局域网接口和广域网接口。目前，主流的局域网技术是以太网技术，大部分路由器都提供100M的快速以太网接口、千兆以太网接口和万兆以太网接口等。此外，路由器还可以提供同步串行接口、异/步串行接口和高速同步串行接口、光纤接口等。6.3互联网路由技术6.3.3路由协议——RIP路由协议RIP（RoutingInformationProtocol）采用距离向量算法。RIP的度量是基于跳数的，每经过一台路由器，路径的跳数加一。它允许的最大跳数为15，任何超过15跳数（如16）的目的地均被标记为不可达。RIP每隔30秒钟向UDP端口520发送一次路由信息广播，广播自己的全部路由表收敛速度很慢，RIP只适用于小型的同构网络。6.3互联网路由技术RIP目前有两个版本，第一版RIPv1和第二版RIPv2。两个版本的特性如下：（1）RIPv1不支持CIDR（ClasslessInter-DomainRouting，无类域间路由选择）地址解析，是有类路由协议，无法应用于不连续的子网设计。（2）RIPv2（RFC1723）是RIPv1的扩展版本，在消息包中包含了子网掩码信息，支持CIDR地址解析，属于无类路由协议，可用于不连续的子网设计。（3）RIPv1使用广播发送路由信息，广播地址为255.255.255.255；RIPv2使用多播技术，更新消息发送到多播地址224.0.0.9。（4）RIPv2可以关闭自动总结的特性。6.3.3路由协议——RIP路由协议6.3互联网路由技术RIP路由协议RIP路由协议刚运行时，路由器之间还没有开始互发路由更新包。每个路由器的路由表里只有自己所直接连接的网络（直连路由），其距离为0，是绝对的最佳路由，如图6-9所示的由3个路由器R1、R2和R3构成的网络中各个路由器的路由表配置情况。6.3互联网路由技术RIP路由协议路由器知道了自己直接连接的子网后，开始向相邻的路由器发送路由更新包，这样相邻的路由器就会相互学习，得到对方的路由信息，并保存在自己的路由表中，如图6-10所示，路由器R1从路由器R2处学到R2所直接连接的子网3.0.0.0，因要经过R2到R1，所以距离值为1。6.3互联网路由技术RIP路由协议路由器把从邻居那里学来的路由信息不仅放入路由表，而且放进路由更新包，再向邻居发送，一次一次地，路由器就可以学习到远程子网的路由了。如图6-11所示，路由器R1从路由器R2处学到路由器R3所直接连接的子网4.0.0.0，其距离值为2；同时，路由器R3从路由器R2处学到路由器R1所直接连接的子网1.0.0.0，其距离值也为2。6.3互联网路由技术RIP路由协议——环路问题若在某一时刻，R3与右侧4.0.0.0网络的通信断开了，那么R3就会把自己路由表中通过接口F1到达4.0.0.0，距离为0跳的那一条路由删除掉。而如果恰好在此时，R3刚好删除了4.0.0.0的路由，立即又收到了邻居R2定时发来的广播路由，在R2发送的广播路由表中，发现了通过R2有一条达到4.0.0.0的路由，那么R3就会在自己的路由表中重新添加一条到达4.0.0.0的路由，接口为F0，距离为1+1=2跳。等到了下一个周期，R3再把自己的路由表发送给邻居，那么R2就会更新自己的路由表，把自己到4.0.0.0网络的距离修改为3跳，再下一个周期，R2再把自己的路由表广播发送给邻居，R3又会修改自己到4.0.0.0网络的距离为4跳……这就是路由环路问题，会导致用户的数据包不停地在网络上循环发送，造成网络资源的严重浪费。6.3互联网路由技术环路问题解决方法——定义最大跳数RIP定义了一个最大的跳数值16，路由更新信息向网络中的路由器最多发送15次，16视为网络不可到达。这样就避免了在形成路由环路时会一直计数到无穷大的问题。环路问题解决方法——水平分割路由器从某个接口接收到的更新信息不允许再从这个接口发回去。它能够阻止路由环路的产生，减少路由器更新信息占用的链路带宽资源。6.3互联网路由技术环路问题解决方法——路由中毒将不可达网络度量值置为无穷大（如RIP中置跳数值为16），而不是从路由表中删除这条路由表项，并向所有的邻居路由器发送此路由不可达的信息。这种为了删除路由信息而泛洪的行为，称为路由中毒。环路问题解决方法——毒性逆转当路由器R2看到到达网络4.0.0.0的度量值为无穷大的时候，就发送一个叫做毒性逆转的更新信息给R3路由器，说明4.0.0.0这个网络不可到达，这是超越水平分割的一个特例，这保证了所有的路由器都接收到毒化的路由信息。6.3互联网路由技术环路问题解决方法——抑制更新当路由器收到一个网络不可达信息后，标记此路由不可访问，并启动一个抑制计时器，如果再次收到从邻居发送来的此路由可达的更新信息，则标记为可以访问，并取消抑制计时器。反之，在抑制计时器内仍没有收到任何更好的更新，就向其他路由传播此路由不可访问的信息。环路问题解决方法——触发更新正常情况下，路由器每隔30秒将路由表发送给邻居路由器。触发更新指当检测到网络故障时，路由器会在1~5秒内立即发送一个更新信息给邻居路由器，并依次传播到整个网络。6.3互联网路由技术RIP路由协议定时器名称时间作用更新定时器（UpdateTimer）30秒每隔30秒发送路由更新失效定时器（InvalidTimer）180秒180秒没有收到邻居的路由更新，将邻居标记为无效删除定时器（FlushTimer）240秒标记无效后60秒删除抑制计时器（HoldDownTimer）180秒本来可达，收到不可达路由，启动定时器，忽略更大度量的可达路由触发定时器（TriggeredUpdateTimer）1~5秒内随机值收到不可达路由，迅速触发更新6.3互联网路由技术6.3.3路由协议——OSPF路由协议OSPF（OpenShortestPathFirst）协议是由Internet网络工程任务组IETF（InternetEngineeringTaskForce）开发的一种内部网关协议（IGP，InteriorGatewayProtocol），即网关和路由器都在一个自治系统AS（AutonomousSystem）内部。OSPF协议是一个链路状态协议或最短路径优先协议。该协议根据IP数据报中的目的IP地址来进行路由选择，一旦决定了如何为一个IP数据报选择路径，就将数据报发往所选择的路径中，不需要额外的包头，即不存在额外的封装。该方法使用某种类型的内部网络报头对UDP进行封装以控制子网中的路由选择协议。6.3互联网路由技术OSPF术语——路由器ID路由器号（路由器ID、RouterID）是一个长度为32位的无符号二进制数，用于标识OSPF区域内的每一台路由器。这个编号在整个自治系统内部是唯一的。路由器ID是否稳定对于OSPF协议的运行来说是很重要的。通常会采用路由器上处于激活（UP）状态的物理接口中IP地址最大的那个接口的IP地址作为路由器ID。如果配置了逻辑环回接口（loopbackinterface），则采用具有最大IP地址的环回接口的IP地址作为路由器ID。采用环回接口的好处是它不像物理接口那样随时可能失效。因此，用环回接口的IP地址作为路由器ID更稳定，也更可靠。当一台路由器的路由器ID选定以后，除非该IP所在接口被关闭，该接口IP地址被删除、更改和OSPF进程或路由器重新启动，否则，路由器ID将一直保持不变。6.3互联网路由技术OSPF术语——邻居（Neighbors）运行OSPF协议的路由器每隔一定时间发送一次Hello数据包。可以互相收到对方Hello包的路由器构成邻居关系。两个互为邻居的路由器之间可以一直维持这样的邻居关系，也可以进一步形成邻接关系。OSPF术语——邻接（Adjacency）邻接关系是一种比邻居关系更为密切的关系。互为邻接关系的两台路由器之间不仅交流Hello包，还发送LSA泛洪消息。6.3互联网路由技术OSPF术语——指定路由器指定路由器（DesignatedRouter，DR）用来在广播介质类型的网络中减少LSA泛洪数据量。在广播介质类型的网络中，所有的路由器将自己的链路状态数据库向DR广播，DR又将这些链路状态数据库信息发送到网络中的其他路由器。路由器优先级高的路由器将成为DR。网络中的所有路由器的优先级默认为1，最大为255。如果路由器优先级为0，则表示此路由器不参加DR/BDR（BackupDesignatedRouter，备份指定路由器）选举过程，也不会成为DR/BDR。在路由器优先级相同的情况下，具有最大路由器ID的路由器将成为DR。DR一旦选定，除非路由器故障，否则DR不会更换。这样可以免去经常重算链路状态数据库的开销。6.3互联网路由技术OSPF术语——备份指定路由器在选举出指定路由器后，还要选择备份指定路由器BDR。当DR失效后，BDR自动成为DR。OSPF术语——非指定路由器在广播介质类型的网络中，除了DR、BDR以外，所有的其他路由器被称为非指定路由器（DROTHER）。注意：DR、BDR或DROTHER是对接口而言的。一个路由器的一个接口在一个区域可能是DR，在另一个区域可能是BDR或DROTHER。6.3互联网路由技术OSPF术语——OSPF链路状态数据库在一个OSPF区域内，所有的路由器将自己的活动接口（运行OSPF协议的接口）的状态及所连接的链路情况通告给所有的OSPF路由器。同时，每个路由器也收集本区域内所有其他OSPF路由器的链路状态信息，并将其汇总成为OSPF链路状态数据库。经过一段时间的同步后，同一个OSPF区域内所有OSPF路由器将拥有完全相同的链路状态数据库。这些路由器定时传送Hello存活信息包以及LSA更新数据包，以反映网络拓扑结构的变化。6.3互联网路由技术OSPF数据包有五种不同类型的OSPF数据包，它们有不同的用途，用于不同的场合，如表6-2所示。编号数据包类别用途1Hello包发现邻居、维持邻居关系、选举DR/BDR2数据库描述包（DBD）交换链路状态数据库LSA头3链路状态请求包（LSR）请求一个指定的LSA数据细节4链路状态更新包（LSU）发送被请求的LSA数据包5链路状态确认包（Ack）对链路状态更新包的确认6.3互联网路由技术OSPF协议运行过程——邻居发现Hello协议的作用是发现和维护邻居关系、选举DR和BDR。在广播型网络上每一个路由器周期性地广播Hello包，使它能够被邻居发现。路由器的每个接口都有一个相关的接口数据结构，当与Hello包里的特定参数相匹配时，Hello包才能被接收。Hello包中包含本路由器所希望选举的DR和该DR的优先级、BDR和BDR的优先级、本路由器通过交换Hello协议包所知道的其他路由器。从Hello包里得到的邻居被放在路由器的邻居列表里。当从接收到的Hello包里看到自己时，就建立了双向通信。建立了双向通信的路由器才有可能建立邻接（Adjacency）关系。通过Hello包的交换，得知了希望成为DR和BDR的路由器以及他们的优先级，下一步的工作是选举DR和BDR。6.3互联网路由技术OSPF协议运行过程——选举DR/BDR经过Hello协议交换过程后，每一个路由器获得了希望成为DR和BDR的那些路由器的信息，按照下列步骤选举DR和BDR。在路由器与一个或多个路由器建立双向的通信以后，检查每个邻居Hello包里的优先级、DR和BDR域，列出所有符合DR和BDR选举的路由器（它们的优先级要大于0）。在宣称自己为DR的路由器列表中，如果有一个或多个路由器宣称自己为DR，则选择具有最高优先级的路由器为DR，如果优先级相同，则选择具有最大RouterID的路由器为DR。如果没有路由器宣称为DR，则将最新选举的BDR作为DR。6.3互联网路由技术OSPF协议运行过程——链路状态数据库的同步在OSPF中，保持区域范围内的所有路由器的链路状态数据库同步极为重要。通过建立并保持邻接关系，OSPF使具有邻接关系的路由器的数据库同步，进而保证了区域范围内所有路由器数据库同步。6.3互联网路由技术

OSPF邻居状态机转移关闭（Down）状态：不发报文尝试（Attempt）状态：不停地向对方发送Hello数据包初始（Init）状态：只收到对方的Hello报文双向（Two-Way）状态：双方均收到对方的Hello数据包启动（ExStart）状态：发送DBD报文，选举主/从设备,交换LSA报头装入（Loading）状态：请求LSA信息,添加到链路状态数据库完成（Full）状态：双方的链路状态数据库完全相同。6.3互联网路由技术OSPF计时器名称默认时间作用Hello刷新间隔广播网络10秒非广播网络30秒定时发送邻居更新信息Dead刷新间隔Hello间隔的4倍此时间内没有收到更新将该邻居及路由删除LSA刷新间隔刷新间隔1800秒泛洪间隔300秒定时刷新和泛洪LSA确保具有最新拓扑信息SPF刷新间隔5秒定时计算最短路径树MaxAge最大老化时间3600秒定时检查路由条目是否过期Retrans重传定时器5秒重传LSA的时间计时器在OSPF路由协议中起着重要的作用，通过合理调整这些参数，可以提高网络的稳定性和收敛速度。6.3互联网路由技术6.3.3路由协议——其他路由协议IGRP协议EIGRP协议IS-IS协议ISIS-TE协议6.4交换技术6.4.1交换技术简介（1）电路交换：电路交换要求通信开始之前建立一条物理连接，直到通信结束时才释放连接。比如传统的固定电话通信。（2）分组交换：分组交换是先将数据分成一个个小的数据包（Packet），每个数据包都包含了目的地址和源地址等信息。比如网络上的文件传输和网页浏览等。（3）报文交换：在分组交换之前，还存在一种过渡方案，即报文交换。存储空间的需求非常大，而且传输延迟也比较大，不适用于大规模的数据传输。传统的电信网络一般采用电路交换技术，如今大部分网络都采用的是分组交换技术。6.4交换技术6.4.2交换机基础——集线器（Hub）集线器有两种类型：被动型集线器和主动型集线器。被动型集线器不需要外部电源，只是一个单纯的信号转发设备，因此它不能够放大信号或延长传输距离。主动型集线器则需要外部电源，并具备信号放大、延长传输距离、提高传输速度的功能。6.4.2交换机基础——网桥（Bridging）网桥是一种工作在数据链路层的网络设备，它可以连接多个局域网，用于协调和控制不同网段之间的通信流量。在以太网中，数据链路层地址即是MAC（MediaAccessControl）地址，网桥通过过滤MAC地址，只有目的MAC地址匹配的数据才会被转发到输出端口。6.4交换技术6.4.2交换机基础——交换机（Switch）通常工作在二层的交换机被直接简称为交换机。交换机相当于一个多端口的网桥，网桥相当于一个二端口的交换机。6.4.2交换机基础——三层交换机（Layer3Switch）随着网络规模的不断扩大，出现了三层交换机，它可以在网络层进行路由选择，实现更加高效的数据转发。三层交换机是一种功能强大的网络设备，它在数据链路层和网络层之间进行通信，具有部分路由器功能。它还可以识别数据包中的源和目的MAC地址，并将这些地址与对应的IP地址记录在自己内部的地址表中，实现了数据包的快速转发。6.4交换技术6.4.3二层交换原理MAC地址类型端口号AAAAAAAAAAAAdynamicF1BBBBBBBBBBBBdynamicF1CCCCCCCCCCCCdynamicF1DDDDDDDDDDDDdynamicF2EEEEEEEEEEEEdynamicF2FFFFFFFFFFFFdynamicF26.4交换技术6.4.3二层交换原理（1）如果目的MAC地址为组播或广播地址，则泛洪（Flooding）该数据帧，即向除了接收到该数据帧的源端口之外的其他所有端口转发该帧。（2）如果目的MAC地址为单播地址，但目的MAC地址在MAC表中不存在，也泛洪该数据帧。（3）如果目的MAC地址为单播地址，且目的MAC地址与源MAC地址对应于相同的端口，则不转发该帧。（4）如果目的MAC地址为单播地址，且目的MAC地址与源MAC地址对应于不同的端口，则向目的MAC地址所对应的端口转发该帧。当交换机从某一端口收到数据帧时：根据以下规则做出转发决定：6.4交换技术6.4.3二层交换原理——三种方式转发数据直通传送存储转发改进型直通传送6.4交换技术6.4.4虚拟局域网（1）隔离广播域：VLAN可以将不同的设备分割到不同的广播域内，从而减少广播带来的网络拥塞和冲突。（3）优化网络性能：VLAN可以将不同的设备划分到不同的VLAN中，从而优化网络性能，提高网络带宽的利用率。（2）提高网络安全性：VLAN可以控制不同设备之间的访问权限，避