IPv6在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

標(biāo)簽：IETF IPv6

物聯(lián)網(wǎng)的概念和架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)概念最早于1999年由美國麻省理工學(xué)院提出。隨著技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí)——物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫連接，達(dá)到對物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策目的。

基于上述認(rèn)識(shí)可以將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分為三個(gè)層次，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括感知控制子層和通信延伸子層，感知控制子層實(shí)現(xiàn)對物理世界的智能感知識(shí)別、信息采集處理和自動(dòng)控制，通信延伸子層通過通信終端模塊直接或組成延伸網(wǎng)絡(luò)后將物理實(shí)體聯(lián)接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計(jì)算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)感知層IP技術(shù)路線的選擇

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層可以沿用現(xiàn)有的IP技術(shù)體系，采用IP技術(shù)來承載。而在感知層，從目前的技術(shù)發(fā)展來看，可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議;另一種是IETF和IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟倡導(dǎo)的將IP技術(shù)向下延伸應(yīng)用到感知延伸層。顯然，采用IP技術(shù)路線，將有助于實(shí)現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)部署和管理，而且無需協(xié)議轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層IP承載的無縫連接，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)廣泛基于 TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也能夠方便地移植，真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”。

將IPv6技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決的一些關(guān)鍵問題

在物聯(lián)網(wǎng)感知層采用IP技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源量來看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應(yīng)用的規(guī)模普及之后，地址的需求會(huì)迅速膨脹。而從目前可用的技術(shù)來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求，同時(shí)提供地址自動(dòng)配置功能和移動(dòng)性管理機(jī)制，便于端節(jié)點(diǎn)的部署和提供永久在線業(yè)務(wù)。但是由于感知層節(jié)點(diǎn)低功耗、低存儲(chǔ)容量、低運(yùn)算能力的特性，以及受限于MAC層技術(shù)(IEEE802.15.4)特性，不能直接將IPv6標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議直接架構(gòu)在 IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協(xié)議層和MAC層之間引入適配層來屏蔽兩者之間的差異。將IPv6技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決的一些關(guān)鍵問題，包括：

1) IPv6報(bào)文過大，頭部負(fù)載過重。必須采用分片技術(shù)將IPv6分組包適配到底層MAC幀中，并且為了提高傳送的效率，需要引入頭部壓縮策略解決頭部過重問題。

2)地址轉(zhuǎn)換。需要相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換機(jī)制來實(shí)現(xiàn)IPv6地址和IEEE802.15.4長、短MAC地址之間的轉(zhuǎn)換。

4)報(bào)文泛濫。必須調(diào)整IPv6的管理機(jī)制，以抑制IPv6網(wǎng)絡(luò)大量的網(wǎng)絡(luò)配置和管理報(bào)文，適應(yīng)802.15.4低速率網(wǎng)絡(luò)的需求。

5) 輕量化IPv6協(xié)議。應(yīng)針對IEEE802.15.4的特性確定保留或者改進(jìn)哪些IPv6協(xié)議棧功能，滿足嵌入式IPv6對功能、體積、功耗和成本等的嚴(yán)格要求。

6)路由機(jī)制。IPv6網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議主要是基于距離矢量和基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議。這兩類協(xié)議都需要周期性地交換信息來維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正確的路由表或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。而在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)中采用傳統(tǒng)的IPv6路由協(xié)議，由于節(jié)點(diǎn)從休眠到激活狀態(tài)的切換會(huì)造成拓?fù)渥兓容^頻繁，導(dǎo)致控制信息將占用大量的無線信道資源，增加了節(jié)點(diǎn)的能耗，從而降低網(wǎng)絡(luò)的生存周期。因此需要對IPv6路由機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其能夠在能量、存儲(chǔ)和帶寬等資源受限條件下，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、多路徑技術(shù)、能量節(jié)省機(jī)制等。

7)組播支持。IEEE802.15.4的MAC子層只支持單播和廣播，不支持組播。而IPv6組播是IPv6的一個(gè)重要特性，在鄰居發(fā)現(xiàn)和地址自動(dòng)配置等機(jī)制中，都需要鏈路層支持組播。所以，需要制定從IPv6層組播地址到MAC地址的映射機(jī)制，即在MAC層用單播或者廣播替代組播。

8)網(wǎng)絡(luò)配置和管理。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，而一些設(shè)備的分布地點(diǎn)又是人員所不能達(dá)到的，因此物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備應(yīng)具有一定的自動(dòng)配置功能，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有自愈能力，要求網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)能夠在很低的開銷下管理高度密集分布的設(shè)備。

IPv6技術(shù)是目前現(xiàn)實(shí)可行的下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)技術(shù)，上述關(guān)鍵問題的解決將推動(dòng)IPv6技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感知層的應(yīng)用，加快物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的部署。

應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，IETF主要有6LoWPAN、ROLL和Core工作組負(fù)責(zé)研究感知延伸層的IPv6應(yīng)用和低功耗路由相關(guān)協(xié)議。

6LoWPAN(IPv6 over Low Power WPAN)工作組的研究重點(diǎn)為適配層、路由、報(bào)頭壓縮、分片、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)，目前已制定了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)框架和適配層格式的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在重點(diǎn)關(guān)注的是報(bào)頭壓縮技術(shù)，以及針對感知層特點(diǎn)對IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。ROLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)主要討論低功耗網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議，制定了各個(gè)場景的路由需求以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的RPL(Routing Protocol for LLN)路由協(xié)議。CoRE(Constrained Restful Environment)工作組主要討論資源受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應(yīng)用層協(xié)議(Constrained Application Protocol, CoAP)。

此外，成立于2008年9月的IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也大力倡導(dǎo)將泛在網(wǎng)感知延伸層融合到IP技術(shù)體系中。IPSO聯(lián)盟的目標(biāo)是提供給用戶更多的有關(guān)智能物體和工業(yè)領(lǐng)域以及市場方面的信息。目前該聯(lián)盟已發(fā)布了4個(gè)相關(guān)的白皮書，包括IP技術(shù)應(yīng)用于智能物體、輕量級的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以及智能物體網(wǎng)絡(luò)安全介紹。

小結(jié)

在未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)將不再是被動(dòng)地滿足用戶的需求，而是要主動(dòng)感知用戶場景的變化，并進(jìn)行信息交互，為用戶提供個(gè)性化的服務(wù)。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，結(jié)合終端設(shè)備對地址的大量需求，以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和端到端的業(yè)務(wù)管理為出發(fā)點(diǎn)，考慮在相對封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能物體的泛在互連，同時(shí)帶動(dòng)整個(gè)IPv6產(chǎn)業(yè)的成熟，為下一代互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署IPv6技術(shù)奠定基礎(chǔ)。