CN110474984B - 一种物联网通信网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网通信网络架构，包括三类实体：网络控制器、应用服务器和控制站。网络控制器和应用服务器的功能通过带有边缘节点即控制站的分布式结构经由两个独立的虚拟平面即控制平面和应用平面来执行。两个独立虚拟平面的协议栈包括应用层、网络层、数据链路层和物理层。物联网中有些业务的特点：流量小但突发性强。对于这类业务，尤其是频谱资源有限的物联网系统来说，采用基于IP协议的通信网络架构，会造成系统开销过大。采用本发明的设计方案，驻留在网络层的应用服务器充当内部网络和外部分组数据网络之间的网关，实现应用虚拟化和标准协议适配功能，以隐藏IP分组数据网络的拓扑和复杂性，降低系统开销，提高通信资源使用效率。

Description

一种物联网通信网络系统

技术领域

本发明涉及通信领域，并且更具体地，涉及一种物联网通信网络系统。

背景技术

物联网中有一部分业务的特点是：流量小并且数据量相对固定，但突发性强。对于无线空口资源来说，业务的传输要强调使用效率。但是对于这类业务的传输，采用现存的基于IP协议的网络架构会造成通信资源使用效率不高。比如基于IPv6协议传输的IP数据包的报头中至少包括一个128比特的源地址字段和一个128比特的目标地址字段，意味着不谈其他开销，IP数据包的报头就有256比特的开销要传输，这对于传输小流量数据的物联网系统来说是很大的负担，特别是对于频谱资源有限的系统来说。可以看出，对于以小流量和数据突发性强为特点且要求终端功耗低的物联网系统，如何构建一个消息互动引入的系统开销小的通信网络架构是现有技术存在的技术问题。

发明内容

技术问题：本发明提出一种物联网通信网络系统，隐藏来自网络的IP分组数据网络的拓扑和复杂性，有效降低系统开销，提高系统资源的使用效率。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种物联网通信网络系统，其特征在于：包括网络控制器、应用服务器以及控制站三类实体，具体地：

1)所述网络控制器是负责基础设施控制和管理的逻辑实体，用于提供通信必需的网络相关控制功能，包括将服务链接到网络的关键基础设施来建立端到端的虚拟化网络，为终端提供访问各种应用程序与服务的网络能力；

2)所述应用服务器是用于实现应用程序与服务的端到端配置自动化的逻辑实体；

3)所述控制站位于网络边缘，与中央服务器副本进行通信以执行实时的集中管理功能，除了作为终端接入网络的无线接入点，还用于决断在单独管理的终端组内执行功能的最佳方式；

所述物联网通信网络系统还包括终端，所述终端是通过控制站与网络进行通信的移动收发器，终端还可以与附近其他终端建立点对点直接通信；

所述网络控制器与终端之间由L1逻辑接口连接，应用服务器与终端之间由L2逻辑接口连接，终端与控制站之间以及终端之间为物理空口，控制站与网络控制器、控制站与应用服务器、网络控制器与应用服务器之间为回程线路。

所述应用服务器驻留在网络层，通过应用平面执行服务，包括充当终端所在的内部网络和服务供应商驻留的外部分组数据网络之间的网关，执行应用虚拟化和标准协议适配功能。

进一步地，所述网络控制器和应用服务器两个实体的功能通过带有边缘节点即控制站的分布式结构经由两个独立的虚拟平面即控制平面和应用平面来执行，所述控制平面和应用平面的协议栈由应用层、网络层、数据链路层以及物理层四层构成，其中，

1)层1为物理层，通过在物理信道上定义的空口协议处理数据的传输与接收；

2)层2为数据链路层，用于实现网络节点之间的数据传输，包括数据分段、复用、确认、接入控制、链路拥塞解决；

3)层3为网络层，用于维护终端和网络之间的互连，包括资源管理、网络节点身份识别与认证以及移动性管理；

4)层4为应用层，生成应用数据，所述应用数据直接或间接地转发到数据链路层；

其中，2)和3)中所述网络节点至少包括控制站和终端，均各自有唯一的身份标识码，用于数据链路层的寻址。

进一步地，所述网络控制器驻留在网络层，通过控制平面执行为特定应用程序或服务配置所需资源和基础设施组件等功能。

进一步地，所述网络控制器包括网络资源控制模块NRC，用于负责终端的配置、供应、优化、补救以及协议栈中更低层的控制；具体地，通过所述NRC选择和配置网络节点之间通信的无线链路以及协调链路间的干扰；

两个NRC对等体通过L1接口在一个频段的空口上交换信息。

进一步地，所述网络控制器还包括身份注册处IR，用于终端身份的识别和认证。

进一步地，所述网络控制器还包括支持存储转发功能的消息服务实体MS，用于移动性管理如追踪和转发终端的位置信息；具体地，通过所述MS将地理位置相关信息映射到目标区域，实现终端和服务供应商之间或者终端之间在目标区域以单播或广播形式交换消息。

进一步地，所述应用服务器包括供应服务的服务登记处SR，用于服务识别与认证、服务虚拟化/抽取、递送服务给网络控制器、服务供应商与终端间的映射/转化与协调、以及整个网络中服务需求的合规性检查与更新；

所述SR中还持有一份服务供应商列表，每个服务供应商由服务身份号进行标识。

进一步地，对于终端的出站流量，包括以下步骤：

1)终端的SR客户端从应用层接收服务数据单元SDU，所述SDU包含的数据为应用数据，SDU的报头中包含服务供应商的服务身份号和实例i，所述终端的SR客户端将所述SDU转化为L2a消息作为协议数据单元PDU，并传递到更低层以通过空口传输；

2)控制站的SR从终端的SR客户端接收到所述L2a消息后，将终端对应的身份标识码添加到消息的源地址字段中，将服务供应商的服务身份号和实例i保持在消息的目标地址字段中，转化为L2b消息；

3)控制站将所述L2b消息中继到应用服务器，所述服务身份号被转化为相应服务供应商的IP地址作为目标IP地址，所述终端的身份标识码被映射到应用服务器的IP地址的端口号作为源IP地址，所述应用服务器将带有应用数据的IP数据包通过分组数据网络路由到目标IP地址；

对于终端的入站流量，应用服务器从服务供应商获取携带服务数据的IP数据包，将包含在IP数据包的目标地址字段中的IP地址的端口号映射回身份标识码，并通过网络将服务数据发送给身份标识码所指示的终端。

进一步地，对于直接连接到IP网络的控制站，无须经过应用服务器，所述控制站的边缘SR直接将控制站的出站消息中继到服务供应商，或者直接从服务供应商中继控制站的入站消息。

有益效果：本发明与现有技术相比：

应用服务器充当终端所在的内部网络与服务供应商所在的外部分组数据网络的网关，实现网络虚拟化与标准协议适配功能，隐藏来自IP分组数据网络的拓扑和复杂性，降低了终端和服务供应商之间信息交互引起的系统开销，不仅提高系统频谱效率，同时为终端提供了一种与服务供应商交互的方式，而不会承受耗电的有线协议的负担，有效降低终端的功耗。

附图说明

图1为本发明的功能视图和网络拓扑结构图；

图2为控制平面示意图；

图3为应用平面示意图；

图4为控制站直接连接到IP分组数据网络时应用平面示意图；

图5为一种实际中多国私有网络存在时的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提出一种物联网通信网络系统，包括三类实体：网络控制器、应用服务器、以及控制站。此外，物联网通信网络系统中还包括终端，其是通过控制站与网络进行通信的移动收发器，终端还可能与附近其他终端进行点对点直接通信。三类实体中，网络控制器是负责基础设施控制和管理的逻辑实体，用于提供通信必需的网络相关控制功能。特别地，网络控制器将服务链接到网络的关键基础设施来建立端到端的虚拟化网络，用于为终端提供访问各种应用程序与服务的网络能力。应用服务器用于实现应用程序与服务的端到端配置自动化的逻辑实体，包括服务识别与认证、服务虚拟化/抽取、递送服务给网络控制器、服务供应商与终端间的映射/转化与协调、以及整个网络中服务需求的合规性检查与更新。应用服务器还包括一个供应服务的集中存储库即服务登记处SR(Service Registry)，用于为服务发现提供运行环境注册，其中包含有如何到达正在运行的服务的当前信息。此外，应用服务器的SR还负责服务虚拟化/抽取、服务映射/转化以及服务协调。控制站位于网络边缘，除了作为终端接入网络的无线接入点，还保留有部分中心功能的边缘调度，用于决断在单独管理的终端组内执行功能的最佳方式。控制站与其中央服务器副本进行通信，以实时执行集中管理功能。

请参考图1，其示出了本发明提出的以服务为中心的功能视图和网络拓扑结构，网络控制器与终端之间由为L1逻辑接口连接，应用服务器与终端之间由L2逻辑接口连接，终端与控制站之间以及终端与终端之间为物理空口，控制站与网络控制器、控制站与应用服务器、网络控制器与应用服务器之间为回程线路。多个服务供应商驻留在外部分组数据网络中。应用数据在终端的应用程序之间以及在终端的应用程序与服务供应商之间传递。

网络控制器和应用服务器两个实体的功能通过带有边缘节点即控制站的分布式结构经由两个独立的虚拟平面即控制平面和应用平面来执行。分布式结构支持网络统计数据监测，不仅可以查看整体网络拓扑也可以查看特定应用程序性能，用于计算和建立通信路径，并按照每个用户的每个服务将规则下放到边缘节点，或按照所需的应用程序流量粒度指导网络行为。

控制平面和应用平面的协议栈由应用层、网络层、数据链路层以及物理层四层构成，协议栈的四层结构中：层1或物理层通过在物理信道或空口上定义的协议处理数据的传输和接收；层2或数据链路层的功能包括数据分段、复用、确认、接入控制、链路拥塞解决，实现网络节点之间的数据传输；层3或网络层用于维护终端和网络之间的互连，包括资源管理、网络节点身份识别与认证以及移动性管理；层4或应用层产生的应用消息可直接或间接转发到数据链路层。其中，网络节点如控制站和终端均有其各自唯一的身份标识码，用于数据链路层的寻址。

请参考图2，网络控制器驻留在网络层，通过控制平面执行功能。网络控制器首先为特定应用程序或服务正确地配置所需的所有资源和基础设施组件。网络控制器中包括网络资源控制NRC(Network Resource Control)模块，用于执行资源控制功能，NRC至少负责终端的配置、供应、优化、补救以及更低层(数据链路层和物理层)的控制。

参与通信的所有站交换控制信息以交换真实数据。控制平面为终端告知网络控制器该控制器的能力，为网络控制器配置终端，以及为终端提供其状态、问题及性能信息提供必要的方式。换句话说，通信的最终目标是在通信设备或网络节点之间交换应用/服务数据，但为了实现这一点，需要共同配置的东西有很多。通常这些配置在通信时动态地改变以获得最佳配置，问题是通信双方如何就这些常见配置达成一致。为此，应用服务器的NRC用于选择和配置站点之间通信的无线链路，包括链路间的干扰协调，为无线链路网元的操作和控制定义一个通用的信息模型。两个NRC对等体通过L1接口在一个频段的空口上交换信息。

网络控制器还包括身份注册处IR(Identity Registry)，用于终端身份的识别和认证。身份注册处IR是使用网络的个人或组织的联合或集中机构处。此外，网络控制器还包括一个消息服务实体MS(Messaging Service)，用于移动性管理即追踪终端的位置信息。MS支持存储转发功能，用于实现基于位置信息的多播传送。通过MS将地理位置相关信息映射到目标区域，实现终端和服务供应商之间或者终端之间在特定区域以单播或广播形式交换消息。

请参考图3，当建立了特定服务的通信信道并由网络控制器在控制平面上监督时，应用服务器在与控制平面分离的应用平面上执行服务。应当理解的是，从应用层产生的应用消息可以直接或间接通过IP(Internet Protocol)协议转发到数据链路层。基于IP协议转发的问题在于IP协议开销相当大，比如IPv6分组数据包中包括128比特的源地址字段和128比特的目标地址字段，意味着在考虑其他协议开销之前，IP分组数据包的最小大小就达到256比特。对于以小流量和突发性强为特征的物联网应用消息，以及频谱资源有限的窄带系统来说，这是一个很大的负担。

为了提高通信效率，本发明提出的物联网通信网络系统中，应用服务器驻留在网络层，通过应用平面执行服务。应用服务器充当终端所在的内部网络和服务供应商驻留的外部分组数据网络之间的网关，执行应用虚拟化和标准协议适配功能，以便隐藏来自网络的IP分组数据网络的拓扑与复杂性，为终端和服务供应商提供一种交互方式。

具体地，应用服务器的SR维护一份服务供应商的列表，每个服务供应商均由一个唯一的服务身份号标识。对于出站流量，终端的SR客户端从应用层接收服务数据单元SDU(Service Data Unit)，SDU包含的数据为应用数据，SDU的报头中包含服务供应商的服务身份号和实例i(图3中用“服务身份号|i”表示)。这样，一个终端可以为不同的末端主机(endhosts)提供同一个服务，而不至于造成混淆。终端的SR客户端将SDU转化为L2a消息作为协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)，并传递到更低层通过空口传输。控制站的SR从终端的SR客户端接收到L2a消息后，将终端对应的身份标识码添加到消息的源地址字段中，将服务供应商的“服务身份号|i”保持在消息的目标地址字段，以转化为L2b消息。控制站将L2b消息中继到应用服务器，服务身份号被转化为相应服务供应商的IP地址作为目标地址，终端的身份标识码被映射到应用服务器的IP地址的端口号作为源IP地址，应用服务器将带有应用数据的IP数据包通过分组数据网络路由到目标IP地址。对于入站流量，应用服务器从服务供应商获取传送给自己的携带有服务数据的传入IP数据包，将IP数据包的目标地址字段中的IP地址的端口号映射回身份标识码，并通过网络将服务数据发送到身份标识码指示的终端中。

请参考图4，对于直接连接到IP网络的控制站，无须经过应用服务器，控制站的边缘SR直接将出站消息中继到服务供应商，或者直接从服务供应商中继入站消息。

请参考图5，在实际中，全球性的系统包含多个国家级别的网络系统，这些网络通常是私有网络。不过，每个国家的私有网络都必须通过标准接口，比如IR、MS、NRC和SR，连接到国际联合服务平台，并且能够通过标准接口为其覆盖范围内的网络节点提供连接服务。因而最终对于L1接口和L2接口的全球标准化是必须的。

Claims (9)

1.一种物联网通信网络系统，其特征在于：包括网络控制器、应用服务器以及控制站三类实体，具体地：

1)所述网络控制器是负责基础设施控制和管理的逻辑实体，用于提供通信必需的网络相关控制功能，包括将服务链接到网络的关键基础设施来建立端到端的虚拟化网络，为终端提供访问各种应用程序与服务的网络能力；

2)所述应用服务器是用于实现应用程序与服务的端到端配置自动化的逻辑实体；

3)所述控制站位于网络边缘，与中央服务器副本进行通信以执行实时的集中管理功能，除了作为终端接入网络的无线接入点，还用于决断在单独管理的终端组内执行功能的最佳方式；

所述物联网通信网络系统还包括终端，所述终端是通过控制站与网络进行通信的移动收发器，终端还可以与附近其他终端建立点对点直接通信；

所述网络控制器与终端之间由L1逻辑接口连接，应用服务器与终端之间由L2逻辑接口连接，终端与控制站之间以及终端之间为物理空口，控制站与网络控制器、控制站与应用服务器、网络控制器与应用服务器之间为回程线路；

所述应用服务器驻留在网络层，通过应用平面执行服务，包括充当终端所在的内部网络和服务供应商驻留的外部分组数据网络之间的网关，执行应用虚拟化和标准协议适配功能。

2.根据权利要求1所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述网络控制器和应用服务器两个实体的功能通过带有边缘节点即控制站的分布式结构经由两个独立的虚拟平面即控制平面和应用平面来执行，所述控制平面和应用平面的协议栈由应用层、网络层、数据链路层以及物理层四层构成，其中，

1)层1为物理层，通过在物理信道上定义的空口协议处理数据的传输与接收；

2)层2为数据链路层，用于实现网络节点之间的数据传输，包括数据分段、复用、确认、接入控制、链路拥塞解决；

3)层3为网络层，用于维护终端和网络之间的互连，包括资源管理、网络节点身份识别与认证以及移动性管理；

4)层4为应用层，生成应用数据，所述应用数据直接或间接地转发到数据链路层；

其中，2)和3)中所述网络节点至少包括控制站和终端，均各自有唯一的身份标识码，用于数据链路层的寻址。

3.根据权利要求1至2任一所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述网络控制器驻留在网络层，通过控制平面执行为特定应用程序或服务配置所需资源和基础设施组件等功能。

4.根据权利要求3所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述网络控制器包括网络资源控制模块NRC，用于负责终端的配置、供应、优化、补救以及协议栈中更低层的控制；具体地，通过所述NRC选择和配置网络节点之间通信的无线链路以及协调链路间的干扰；

两个NRC对等体通过L1接口在一个频段的空口上交换信息。

5.根据权利要求3所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述网络控制器还包括身份注册处IR，用于终端身份的识别和认证。

6.根据权利要求3所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述网络控制器还包括支持存储转发功能的消息服务实体MS，用于移动性管理如追踪和转发终端的位置信息；具体地，通过所述MS将地理位置相关信息映射到目标区域，实现终端和服务供应商之间或者终端之间在目标区域以单播或广播形式交换消息。

7.根据权利要求4所述的物联网通信网络系统，其特征在于，所述应用服务器包括供应服务的服务登记处SR，用于服务识别与认证、服务虚拟化/抽取、递送服务给网络控制器、服务供应商与终端间的映射/转化与协调、以及整个网络中服务需求的合规性检查与更新；

所述SR中还持有一份服务供应商列表，每个服务供应商由服务身份号进行标识。

8.根据权利要求7所述的物联网通信网络系统，其特征在于，对于终端的出站流量，包括以下步骤：

1)终端的SR客户端从应用层接收服务数据单元SDU，所述SDU包含的数据为应用数据，SDU的报头中包含服务供应商的服务身份号和实例i，所述终端的SR客户端将所述SDU转化为L2a消息作为协议数据单元PDU，并传递到更低层以通过空口传输；

2)控制站的SR从终端的SR客户端接收到所述L2a消息后，将终端对应的身份标识码添加到消息的源地址字段中，将服务供应商的服务身份号和实例i保持在消息的目标地址字段中，转化为L2b消息；

3)控制站将所述L2b消息中继到应用服务器，所述服务身份号被转化为相应服务供应商的IP地址作为目标IP地址，所述终端的身份标识码被映射到应用服务器的IP地址的端口号作为源IP地址，所述应用服务器将带有应用数据的IP数据包通过分组数据网络路由到目标IP地址；

对于终端的入站流量，应用服务器从服务供应商获取携带服务数据的IP数据包，将包含在IP数据包的目标地址字段中的IP地址的端口号映射回身份标识码，并通过网络将服务数据发送给身份标识码所指示的终端。

9.根据权利要求7所述的物联网通信网络系统，其特征在于，对于直接连接到IP网络的控制站，无须经过应用服务器，所述控制站的边缘SR直接将控制站的出站消息中继到服务供应商，或者直接从服务供应商中继控制站的入站消息。

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