问题20：为什么要在网络层中引入接入层？

很多文献将“网络层”叫做“网络传输层”或者“传输层”。理解网络层需要注意以下几个问题。

1.认识接入层、汇聚层与核心交换层

（1）网络层次结构模型研究方法的比较

讨论计算机网络层次结构模型有两种基本的方法。第一种方法是从OSI参考模型的角度，将计算机网络分成从物理层到应用层的七层结构。第二种方法是将为应用层计算机进程通信提供数据传输服务的部分叫做“传输网”或“承载网”。那么，互联的广域网、城域网、局域网与个人区域网，以及电信的移动通信网、电话交换网都属于传输网的范畴。第一种方法适合于网络理论和分层协议的研究，而第二种方法适用于网络应用系统设计与实现的研究。物联网研究的侧重点应该放在网络应用上，因此第二种抽象方法更适合于物联网层次结构模型与体系结构的研究。

物联网应用系统多种多样，有小范围的简单应用，有中等规模的协同感知应用，也有大规模的行业性应用。一个小型的物联网应用系统可以是一个文物和珠宝展览大厅的安保系统、一个智能家居系统、一幢大楼的监控系统或一个仓库的物流管理系统。中等规模的物联网应用系统可以是集装箱码头、保税区物流、城市智能交通系统、智能医疗保健系统。大规模的物联网应用系统可以是国际民用航空运输的物联网应用系统、海运物流应用系统，也可以是国家级的智能电网、智能环保系统。不同类型的物联网应用系统使用的传感器与RFID类型、传感器与RFID标签的接入方式、数据量与数据传输方式都会有很大差别。因此，研究物联网的层次结构时有必要借鉴互联网层次结构研究中成熟的模型。

网络应用程序运行在边缘的端系统，核心交换部分为应用程序进程通信提供服务。当复杂的互联网抽象为边缘部分与核心交换部分之后，网络应用系统设计工程师在设计一种新的网络应用时，他只需要考虑如何利用核心交换部分所能提供的服务，不必考虑核心交换部分的路由器、交换机等低层设备或通信协议软件的编程问题，从而将注意力集中到运行在多个端系统之上的应用程序体系结构的设计与应用软件编程上，这就使网络应用系统的设计开发过程变得更加容易、更加规范。这体现了网络分层结构的基本思想，也反映出网络技术的成熟。

（2）物联网接入层、汇聚层与核心交换层划分的必要性

在分析互联网传输网的结构时，人们引入了接入层、汇聚层与核心交换层的概念。接入层通过各种接入技术，连接终端用户设备；汇聚层聚合接入层的用户流量，实现数据路由、转发与交换；核心交换层为物联网提供一个高速、安全与保证服务质量的数据传输环境。汇聚层与核心交换层的网络通信设备与通信线路构成了传输网。在实际设计一个城域网、企业网、园区网或校园网时，设计人员可以根据网络规模的大小与功能需求，在网络结构设计中采用三层结构，或者是取它的一个子集，即只设计接入层与汇聚层，将来在网络规模扩大时再增加核心交换层的通信线路与网络设备。

在物联网的网络层引入接入层、汇聚层与核心交换层分层结构有两个好处：第一，由于物联网的网络规模、采用的传输技术差异很大，很多应用系统的传输网都会涉及IP网络与非IP网络的复杂异构网络互联，因此在网络层结构中引入了接入层、汇聚层与核心交换层的分层结构，可以根据系统的实际需要，在接入层、汇聚层和核心交换层选择不同的技术，降低网络层设计难度，提高系统的灵活性。第二，在物联网应用系统运行过程中，出现新的网络通信技术或新的应用需求时，只要相邻层之间接口条件不变，其中任何一层网络通信软件或硬件的变化都不会影响其他层的工作，提高了物联网传输系统的开放性与适应性。

2.接入层结构

物联网接入层相当于OSI参考模型中的物理层与数据链路层。RFID标签、传感器与接入层设备构成了物联网感知网络的基本单元。我们可以通过研究RFID标签、传感器基本单元来寻找物联网接入层的共性结构。

（1）接入层与RFID基本单元

图2-11给出了RFID基本单元的结构示意图。理解接入层与RFID基本单元结构的关系时需要注意以下几个问题。

第一，一个基本的RFID感知单元由一个RFID读写器与多个被读写的RFID标签组成。RFID标签则由RFID芯片、接收与发射电路及天线组成。

第二，RFID读写器由天线、接收与发射电路，以及中间件软件、网络接口组成。RFID读写器一端通过接收与发射电路、天线与RFID标签通信，另一端通过网络接口与汇聚层通信。

第三，从计算机网络理论角度来看，RFID接入层结构、工作原理与无线局域网相似，RFID芯片的数据与RFID读写器采取“一跳”的方式传输，只需要由物理层与数据链路层完成通信任务，也就是说接入层只需要涉及物理层与数据链路层，不存在网络拓扑控制与路由选择问题。接入层的物理层实现二进制比特数据的传输，数据链路层实现多点接入的控制与数据传输的差错控制。

（2）接入层与无线传感器网络基本单元

图2-12给出了无线传感器网络基本单元的结构示意图。

无线传感器节点是由感知层的传感器芯片、接入层的数据处理电路、数据发送接收电路与天线组成。多个无线传感器节点组成一个无线传感器网络。

无线传感器网络的特点主要表现在网络规模、自组织网络与拓扑动态变化三个方面。

1）无线传感器网络规模。无线传感器网络规模与应用系统类型相关。例如，如果将它应用于森林防火和环境监测，必须部署大量传感器以获取精确信息，节点数量可能达到成千上万个甚至更多。同时，这些节点必须分布在所有被检测的地理区域内。因此，网络规模受到节点的数量与分布的地理范围两个因素的影响。

2）无线传感器网络自组织的能力。一般情况下，无线传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也无法获知，传感器节点通常被放置在没有电力基础设施的地方。例如，通过飞机在面积广阔的边境线播撒大量传感器节点，或随意放置到人类不可到达的区域，甚至是危险的区域。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发感知数据的多跳无线网络系统。因此，无线传感器网络是一种典型的无线自组网。

3）无线传感器网络的拓扑重构能力。对传感器节点而言，最主要的限制是节点携带的电池能量有限。传感器节点作为一种微型嵌入式系统，节点的微处理器的计算能力比较弱，存储器容量比较小，但是需要完成感知数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求、节点控制等多种工作。在使用过程中，可能有部分节点因为能量耗尽或环境因素失效，这就必须增加一些新的节点以补充失效节点，传感器网络中的节点数量的动态增减带来网络拓扑结构的动态变化。这就要求无线传感器网络系统能适应这些变化，具有动态系统重构能力。

从计算机网络的角度看，无线传感器网络通过拓扑控制机制和网络协议，自动形成转发感知数据的多跳无线网络系统，以及为适应拓扑动态变化的重构能力，多数是在物理层与数据链路层实现的，因此接入层技术比较复杂。

（3）引入接入层的必要性

从以上对两种物联网基本的感知单元结构的比较中可以看出：由于物联网感知单元类型多、数量大、结构复杂，它采用的技术与常用的传输网技术有很大区别，因此必然要考虑异构网络互联技术。为了降低物联网传输网络设计的难度，有必要在网络层中引入一个子层—接入层。接入层在物理上将感知设备与网络传输设备隔离开，但是在逻辑上又能够实现感知设备与网络传输设备的无缝连接。

（4）接入层网络技术类型

接入层网络技术可以分为两类：无线接入与有线接入。无线接入技术主要有：近距离无线通信的IEEE 802.15.4协议、6LowPAN协议、蓝牙协议、ZigBee协议与移动通信网的WMMP协议。有线接入技术主要有：现场总线网接入、电力线接入、电视电缆与电话线接入。

引入接入层可以使物联网应用系统开发人员将采用不同技术的问题分开考虑，将复杂问题分而治之，同时提高物联网应用系统对不同接入技术的适应性与系统的可扩展性，这也符合计算机网络体系结构与层次设计的原则。