IPv6在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

標簽：IETF IPv6

物聯(lián)網(wǎng)的概念和架構

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(zhù)技術(shù)和應用發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內涵不斷擴展，產(chǎn)生了新的認識——物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(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)行感知識別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，實(shí)現人與物、物與物信息交互和無(wú)縫連接，達到對物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策目的。

基于上述認識可以將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )架構劃分為三個(gè)層次，包括感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。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)現對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動(dòng)控制，通信延伸子層通過(guò)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 )層和應用層。網(wǎng)絡(luò )層主要實(shí)現信息的傳遞、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(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )。應用層包括應用基礎設施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應用。應用基礎設施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應用提供信息處理、計算等通用基礎服務(wù)設施、能力及資源調用接口，以此為基礎實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應用。

物聯(lián)網(wǎng)感知層IP技術(shù)路線(xiàn)的選擇

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

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

在物聯(lián)網(wǎng)感知層采用IP技術(shù)，要實(shí)現“一物一地址，萬(wàn)物皆在線(xiàn)”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源量來(lái)看，遠遠無(wú)法滿(mǎn)足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監控、汽車(chē)通信等應用的規模普及之后，地址的需求會(huì )迅速膨脹。而從目前可用的技術(shù)來(lái)看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿(mǎn)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)性管理機制，便于端節點(diǎn)的部署和提供永久在線(xiàn)業(yè)務(wù)。但是由于感知層節點(diǎn)低功耗、低存儲容量、低運算能力的特性，以及受限于MAC層技術(shù)(IEEE802.15.4)特性，不能直接將IPv6標準協(xié)議直接架構在 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(lái)屏蔽兩者之間的差異。將IPv6技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決的一些關(guān)鍵問(wèn)題，包括：

1) IPv6報文過(guò)大，頭部負載過(guò)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(guò)重問(wèn)題。

2)地址轉換。需要相應的地址轉換機制來(lái)實(shí)現IPv6地址和IEEE802.15.4長(cháng)、短MAC地址之間的轉換。

4)報文泛濫。必須調整IPv6的管理機制，以抑制IPv6網(wǎng)絡(luò )大量的網(wǎng)絡(luò )配置和管理報文，適應802.15.4低速率網(wǎng)絡(luò )的需求。

5) 輕量化IPv6協(xié)議。應針對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(mǎn)足嵌入式IPv6對功能、體積、功耗和成本等的嚴格要求。

6)路由機制。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(lèi)協(xié)議都需要周期性地交換信息來(lái)維護網(wǎng)絡(luò )正確的路由表或網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖。而在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò )中采用傳統的IPv6路由協(xié)議，由于節點(diǎn)從休眠到激活狀態(tài)的切換會(huì )造成拓撲變化比較頻繁，導致控制信息將占用大量的無(wú)線(xiàn)信道資源，增加了節點(diǎn)的能耗，從而降低網(wǎng)絡(luò )的生存周期。因此需要對IPv6路由機制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其能夠在能量、存儲和帶寬等資源受限條件下，盡可能地延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存周期，重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò )拓撲控制技術(shù)、數據融合技術(shù)、多路徑技術(shù)、能量節省機制等。

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)現和地址自動(dòng)配置等機制中，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 )規模大，而一些設備的分布地點(diǎn)又是人員所不能達到的，因此物聯(lián)網(wǎng)感知層的設備應具有一定的自動(dòng)配置功能，網(wǎng)絡(luò )應該具有自愈能力，要求網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)能夠在很低的開(kāi)銷(xiāo)下管理高度密集分布的設備。

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

應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6技術(shù)標準化現狀

目前，IETF主要有6LoWPAN、ROLL和Core工作組負責研究感知延伸層的IPv6應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準，現在重點(diǎn)關(guān)注的是報頭壓縮技術(shù)，以及針對感知層特點(diǎn)對IPv6鄰居發(fā)現協(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(chǎng)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(wèn)題，旨在制訂輕量級的應用層協(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)盟的目標是提供給用戶(hù)更多的有關(guān)智能物體和工業(yè)領(lǐng)域以及市場(chǎng)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(shū)，包括IP技術(shù)應用于智能物體、輕量級的操作系統、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò )標準以及智能物體網(wǎng)絡(luò )安全介紹。

小結

在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應用中，網(wǎng)絡(luò )將不再是被動(dòng)地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，而是要主動(dòng)感知用戶(hù)場(chǎng)景的變化，并進(jìn)行信息交互，為用戶(hù)提供個(gè)性化的服務(wù)。根據現階段技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，結合終端設備對地址的大量需求，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )結構和端到端的業(yè)務(wù)管理為出發(fā)點(diǎn)，考慮在相對封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應用IPv6技術(shù)，實(shí)現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)大規模部署IPv6技術(shù)奠定基礎。