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)通信技術中扮演的重要角色和關鍵技術。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；IPv6；地址分配

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 06-0112-01

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)，又稱泛在網(wǎng)、感知網(wǎng)，通過傳感技術將現(xiàn)實世界的信息互聯(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)的延伸和擴展；二、其用戶端可以包括現(xiàn)實世界中的任何物體和信息。整個物聯(lián)網(wǎng)的概念涵蓋了從網(wǎng)絡到終端，從應用到服務、從數(shù)據(jù)采集到智能控制等多方位的技術。

二、物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡環(huán)境

根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)的層次理論，我們把物聯(lián)網(wǎng)的架構劃分為三層，包括能夠全面感知物品信息的感知層、負責通信聯(lián)絡的網(wǎng)絡層和最終的應用層。這三個層次為物聯(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)絡層和應用層所需數(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)信息的采集和轉換目前主要利用傳感器及其互聯(lián)網(wǎng)絡、射頻識別技術RFID、GPS短信、紅外感應等作為執(zhí)行設備。

由于感知終端上的采集設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，對應用層的構建提供了大大的障礙。造成這種局面的根本是網(wǎng)絡層通信標準的不一致，應用程序的開發(fā)都是小作坊式的私營模式。節(jié)點之間的碼號尋址需求提到了最高層，從國際和國內兩個方面看，IPv4地址不足已無論論述?；谶@方面的需求，物聯(lián)網(wǎng)和IPv6產生了廣泛的聯(lián)系。

三、物聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議的相關技術

（一）IPv6的擴展編址技術

IPv6的誕生與IPv4的耗竭有直接關系。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，稱為地址前綴，后64位用來在子網(wǎng)中標識節(jié)點，稱為接口地址。這樣IPv6按照地址位數(shù)嚴格劃分地址，而不是像IPv4那樣用子網(wǎng)掩碼來區(qū)分子網(wǎng)號和主機號。同一子網(wǎng)下可以標識264個節(jié)點，幾乎可以不受限制地提供IP地址，解決IP地址耗盡危機。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。這個方案中，網(wǎng)絡側不參與地址的分配過程，終端設備連接到網(wǎng)絡中后，通過算法自動生成接口地址，加上前綴地址（FE80），形成節(jié)點的本地鏈路地址，該地址只在相鄰地之間通信有效。網(wǎng)絡地址轉換（NAT）機制引入IPv4的目的很明確，就是為了提高網(wǎng)絡區(qū)段和地址空間的重復使用率。這種機制無異于畫餅充饑，雖然暫時緩解了IPv4地址緊缺的問題，卻為網(wǎng)絡設備與應用程序增加了處理地址轉換的負擔，并非解決問題的根本方法。這樣，網(wǎng)絡側無需保存節(jié)點的地址狀態(tài)，也不需要維護地址的更新周期，大大簡化了地址的分配過程，節(jié)省了資源。

（二）IPv6的報頭壓縮技術

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提供了遠遠大于64KB的數(shù)據(jù)包容量，并簡化了報頭定長結構，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傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而減少感知層的感知設備的數(shù)量，降低開銷和能耗。

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

（1）Version（4位）：版本號，取值為6，此項可以省略。

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

（3）Flow label（20位）：流標識，可以采用壓縮編碼技術進行壓縮。

（4）Payload Length（16位）：載荷長度，因為IP頭長度可以通過MAC頭中的載荷長度字段計算得到，故可省略。

（5）Next Header（8位）：下一個頭，可以采用壓縮編碼技術進行壓縮。

（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）：目標地址，可以省略掉前綴或者IID。

對IPv6報頭進行無狀態(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，節(jié)點的IPv6地址前綴固定（FE80：：/10），IID可以由MAC層的地址計算而來，但是這種算法不可用于LOWPAN網(wǎng)絡與Internet互訪的應用，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問題，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LowPan進行最后的修訂。

（三）IPv6的強制傳輸機制

作為安全聯(lián)網(wǎng)的長期方向，IPSec通過端對端的安全性來提供主動的保護以防止VPN與互聯(lián)網(wǎng)的相互攻擊。IPSec在IPv4中為可選項，而在IPv6協(xié)議族中則是強制的一部分。IPv6內置的安全擴展包頭使網(wǎng)絡層的數(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，都提供了安全服務的同時，同時又顧全了對網(wǎng)絡性能。

IPv6安全機制加強了網(wǎng)絡層對安全的責任，從網(wǎng)絡層保障物聯(lián)網(wǎng)通道的安全性，同時協(xié)議棧中的安全體系為VPN等安全應用提高了互操作性。

四、結束語

目前由于物聯(lián)網(wǎng)沒有形成統(tǒng)一的感知標準，所以難以大規(guī)模互通。IP協(xié)議作為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一標準，肩負著保障物聯(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)標準研究和技術應用的一種方向。IPv6的諸多特性表明，它將為未來物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應用提供基礎。物聯(lián)網(wǎng)的IPv6技術不斷地推陳出新、自我修補，期待著未來會有越來越多的網(wǎng)絡應用采用IPv6協(xié)議，從真正意義上實現(xiàn)世界的聯(lián)通。美國總統(tǒng)奧巴馬提出“物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟促進論”，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)的產業(yè)規(guī)模將遠遠超越互聯(lián)網(wǎng)。

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