物聯(lián)網(wǎng)與IPv6

摘要：本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)的基本情況，指出了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，最后分析IPv6在解決未來物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中扮演的重要角色和關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；IPv6；地址分配

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 (2012) 06-0112-01

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)，又稱泛在網(wǎng)、感知網(wǎng)，通過傳感技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界的信息互聯(lián)，使物物聯(lián)通。其概念包含了兩層含義：一、物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)和傳感器，從某種意義上我們可以將它視為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展；二、其用戶端可以包括現(xiàn)實(shí)世界中的任何物體和信息。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的概念涵蓋了從網(wǎng)絡(luò)到終端，從應(yīng)用到服務(wù)、從數(shù)據(jù)采集到智能控制等多方位的技術(shù)。

二、物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)的層次理論，我們把物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)劃分為三層，包括能夠全面感知物品信息的感知層、負(fù)責(zé)通信聯(lián)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和最終的應(yīng)用層。這三個(gè)層次為物聯(lián)網(wǎng)的全方位感知、可靠傳送、智能處理提供了重要保障。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層所需數(shù)據(jù)信息全部來源于感知層，這就要求感知層提供的信息必須全面、可靠，數(shù)據(jù)信息的采集和轉(zhuǎn)換目前主要利用傳感器及其互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別技術(shù)RFID、GPS短信、紅外感應(yīng)等作為執(zhí)行設(shè)備。

由于感知終端上的采集設(shè)備由不同的廠家提供，缺乏統(tǒng)一的協(xié)議，因此采集得到的數(shù)據(jù)也只適用于自家話桑麻，規(guī)范集成管理就成了天方夜譚，對(duì)應(yīng)用層的構(gòu)建提供了大大的障礙。造成這種局面的根本是網(wǎng)絡(luò)層通信標(biāo)準(zhǔn)的不一致，應(yīng)用程序的開發(fā)都是小作坊式的私營模式。節(jié)點(diǎn)之間的碼號(hào)尋址需求提到了最高層，從國際和國內(nèi)兩個(gè)方面看，IPv4地址不足已無論論述?；谶@方面的需求，物聯(lián)網(wǎng)和IPv6產(chǎn)生了廣泛的聯(lián)系。

三、物聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議的相關(guān)技術(shù)

（一）IPv6的擴(kuò)展編址技術(shù)

IPv6的誕生與IPv4的耗竭有直接關(guān)系。IPv6采用128bit地址長度，前64位用來表示該地址所屬的子網(wǎng)絡(luò)，稱為地址前綴，后64位用來在子網(wǎng)中標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)，稱為接口地址。這樣IPv6按照地址位數(shù)嚴(yán)格劃分地址，而不是像IPv4那樣用子網(wǎng)掩碼來區(qū)分子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)。同一子網(wǎng)下可以標(biāo)識(shí)264個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾乎可以不受限制地提供IP地址，解決IP地址耗盡危機(jī)。使每件物品都可以直接編址，從而確保了端到端連接的可能性。

128bit的地址長度提供了海量編址，那么接來下的問題就是如何高效率地分配這些海量地址？IPv6提供了無狀態(tài)地址分配的方案。這個(gè)方案中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)不參與地址的分配過程，終端設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中后，通過算法自動(dòng)生成接口地址，加上前綴地址（FE80），形成節(jié)點(diǎn)的本地鏈路地址，該地址只在相鄰地之間通信有效。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）機(jī)制引入IPv4的目的很明確，就是為了提高網(wǎng)絡(luò)區(qū)段和地址空間的重復(fù)使用率。這種機(jī)制無異于畫餅充饑，雖然暫時(shí)緩解了IPv4地址緊缺的問題，卻為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與應(yīng)用程序增加了處理地址轉(zhuǎn)換的負(fù)擔(dān)，并非解決問題的根本方法。這樣，網(wǎng)絡(luò)側(cè)無需保存節(jié)點(diǎn)的地址狀態(tài)，也不需要維護(hù)地址的更新周期，大大簡化了地址的分配過程，節(jié)省了資源。

（二）IPv6的報(bào)頭壓縮技術(shù)

IPv6為了更可靠、更安全地傳輸數(shù)據(jù)，雙管齊下，軟硬兼施。IPv6提供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于64KB的數(shù)據(jù)包容量，并簡化了報(bào)頭定長結(jié)構(gòu)，采用了較之以前更加合理的分段方式，這樣就能大大地提高路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的效率。不僅如此，輕裝的IPv6數(shù)據(jù)包封裝還可以在低消耗的同時(shí)傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而減少感知層的感知設(shè)備的數(shù)量，降低開銷和能耗。

我們簡要分析一下報(bào)頭壓縮技術(shù)，報(bào)頭占整個(gè)包長的很大一部分，而報(bào)頭里面又存在大量的重復(fù)信息。在使用IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，有很多信息域可以縮減甚至省略。不包含擴(kuò)展頭的IPv6報(bào)頭一共有40個(gè)字節(jié)，但是在網(wǎng)絡(luò)的感知層，IPv6報(bào)頭中的很多信息可以壓縮或者干脆省略，IPv6報(bào)頭中的各個(gè)信息域的壓縮方法如下：

（1）Version（4位）：版本號(hào)，取值為6，此項(xiàng)可以省略。

（2）Traffic Class（8位）：流類型，可以采用壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行壓縮。

（3）Flow label（20位）：流標(biāo)識(shí)，可以采用壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行壓縮。

（4）Payload Length（16位）：載荷長度，因?yàn)镮P頭長度可以通過MAC頭中的載荷長度字段計(jì)算得到，故可省略。

（5）Next Header（8位）：下一個(gè)頭，可以采用壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行壓縮。

（6）Hop Limit（8位）：跳極限，惟一的不可壓縮信息。

（7）Source Address（128位）：源地址，可以省略掉前綴或者IID。

（8）Destination Address（128位）：目標(biāo)地址，可以省略掉前綴或者IID。

對(duì)IPv6報(bào)頭進(jìn)行無狀態(tài)壓縮，可以采用6LowPan制定的LOWPAN_HC1和LOWPAN_IPHC算法。其中HC1算法用于使用本地鏈路地址（Link-local Address）的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的IPv6地址前綴固定（FE80：：/10），IID可以由MAC層的地址計(jì)算而來，但是這種算法不可用于LOWPAN網(wǎng)絡(luò)與Internet互訪的應(yīng)用，原因是無法有效壓縮全局的可路由地址和廣播地址。LOWPAN_IPHC算法的提出主要是為了解決這個(gè)問題，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LowPan進(jìn)行最后的修訂。

（三）IPv6的強(qiáng)制傳輸機(jī)制

作為安全聯(lián)網(wǎng)的長期方向，IPSec通過端對(duì)端的安全性來提供主動(dòng)的保護(hù)以防止VPN與互聯(lián)網(wǎng)的相互攻擊。IPSec在IPv4中為可選項(xiàng)，而在IPv6協(xié)議族中則是強(qiáng)制的一部分。IPv6內(nèi)置的安全擴(kuò)展包頭使網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸、加密解密變得更加容易。IPv6通過提供全球唯一地址與嵌入式安全，無論從宏觀還是圍觀的角度，都提供了安全服務(wù)的同時(shí)，同時(shí)又顧全了對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能。

IPv6安全機(jī)制加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)層對(duì)安全的責(zé)任，從網(wǎng)絡(luò)層保障物聯(lián)網(wǎng)通道的安全性，同時(shí)協(xié)議棧中的安全體系為VPN等安全應(yīng)用提高了互操作性。

四、結(jié)束語

目前由于物聯(lián)網(wǎng)沒有形成統(tǒng)一的感知標(biāo)準(zhǔn)，所以難以大規(guī)?；ネāP協(xié)議作為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，肩負(fù)著保障物聯(lián)網(wǎng)長期可持續(xù)發(fā)展的歷史使命，成為了物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研究和技術(shù)應(yīng)用的一種方向。IPv6的諸多特性表明，它將為未來物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用提供基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)的IPv6技術(shù)不斷地推陳出新、自我修補(bǔ)，期待著未來會(huì)有越來越多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用采用IPv6協(xié)議，從真正意義上實(shí)現(xiàn)世界的聯(lián)通。美國總統(tǒng)奧巴馬提出“物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)論”，溫家寶總理將“感知中國”的中心定在無錫，我們有理由相信，未來物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越互聯(lián)網(wǎng)。

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