基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應用探索

周開宇

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京100035）

1 研究背景

近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展獲得了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和研究機構的高度關注，我國在“十二五”科技規(guī)劃中也對物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展給予了重視，并通過各類政策和項目積極推進物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。作為重要的信息化技術手段，物聯(lián)網(wǎng)技術當前的發(fā)展目標已經(jīng)脫離了簡單的傳感網(wǎng)和電子標簽范疇，整個世界都在期待借助物聯(lián)網(wǎng)技術構建智慧、高度信息化的地球。物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)物與物之間的信息互連，并支持基于互連實現(xiàn)智慧的調(diào)度和服務。據(jù)分析，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將帶動數(shù)萬億的市場。物聯(lián)網(wǎng)最基本的功能是提供“無所不在的連接和在線服務”，物聯(lián)網(wǎng)應用已經(jīng)覆蓋了廣泛的領域，包括在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、指揮調(diào)度、遠程維保等[1]。

作為一個新興的基于互聯(lián)網(wǎng)的技術產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務的過程中，業(yè)界已經(jīng)遇到了一些問題，最突出的表現(xiàn)為如下兩個方面。

首先，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展遇到了端到端服務的難題。物聯(lián)網(wǎng)提供的是在線服務，對于一個物聯(lián)網(wǎng)終端，應當能夠隨時從另一個終端訪問其所提供的信息。然而，由于當前互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用了以NAT（地址轉換或翻譯）技術組織的私有網(wǎng)絡，在實際使用中，無法實現(xiàn)在需要穿越NAT的場景中從一個終端訪問另一個終端。雖然STUN、uPNP、PCP等技術已經(jīng)被提出并較好地解決了上述問題[2]，但物聯(lián)網(wǎng)服務的實現(xiàn)成本、業(yè)務部署以及管理都因此變得更加復雜，用戶的體驗也變得較差。

其次，物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展帶來了比較嚴重的網(wǎng)絡容量沖擊。互聯(lián)網(wǎng)是基于人使用PC終端設計的，但物聯(lián)網(wǎng)技術使得在互聯(lián)網(wǎng)上可以連接各類智能物體，智能物體的數(shù)量是人的數(shù)量無法比擬的。其實，遠在物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展引起容量沖擊之前，隨著各類服務和終端的開展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)體驗到了容量限制，2011年2月ICANN已經(jīng)宣布IPv4地址耗盡[3]。

作為未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎技術，IPv6的商用和推廣將顯著改善物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展環(huán)境，促進更多符合用戶要求的創(chuàng)新應用產(chǎn)生。但作為一種顛覆性的基礎技術，IPv6應用涉及網(wǎng)絡、平臺、終端多個環(huán)節(jié)的改造升級，任何一個環(huán)節(jié)不能支持IPv6均將使得IPv6無法應用。考慮到IPv4的部署范圍及各部件改造的復雜過程，可以預見IPv4和IPv6還將并存很長一段時間，而隨著各方面力量的推動，這種雙網(wǎng)并存的過渡期已經(jīng)啟動。正是在這種環(huán)境下，本文將從應用角度探討對IPv4/IPv6過渡網(wǎng)絡環(huán)境的適應和準備，特別是從物聯(lián)網(wǎng)應用角度分析技術選擇和方案，并介紹相關應用探索。

2 技術分析

2.1 應用需求

在應用中，對利用IPv6技術構成挑戰(zhàn)的主要是IPv6的一體化部署要求，即前文提及的必須在網(wǎng)絡、平臺、終端中同時部署IPv6技術。為了解決在現(xiàn)有網(wǎng)絡中應用IPv6的技術難題，研究者們提出了很多過渡實施方案，以使得IPv6的實施能夠以漸進方式部署，逐步替換現(xiàn)有IPv4網(wǎng)絡，并最終完成IPv6升級。這些過渡技術大致可以分為3類：NAT技術、隧道技術、雙棧技術[4]。

對于應用而言，在IPv6過渡期間并不關心網(wǎng)絡內(nèi)部的變化，僅關心與應用相關的網(wǎng)絡界面變化后的應對措施。對于當前的物聯(lián)網(wǎng)應用，一般由物聯(lián)網(wǎng)終端（以下簡稱終端）、物聯(lián)網(wǎng)應用平臺（以下簡稱平臺）及物聯(lián)網(wǎng)應用客戶端（以下簡稱客戶端）3類實體構成。物聯(lián)網(wǎng)終端負責感知信息的采集，采用云計算模式的應用平臺進行分析和智能處理，應用客戶端向用戶呈現(xiàn)應用能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)應用需要考慮的是，平臺、終端和客戶端的網(wǎng)絡界面可能有一天會由IPv4改變?yōu)镮Pv6，在此種情況下，應用應采用何種技術方案。

應用在考慮所采用的過渡技術時，需要考慮的問題包括如下幾個方面。首先，為適應過渡而選擇的方案應該是易于實現(xiàn)的；其次，采用的方案應當能夠充分利用IPv6技術帶來的新的網(wǎng)絡優(yōu)勢；第三，采用的方案應當不需要過多不可確定的網(wǎng)絡配合，可以獨立實施；第四，應當避免過渡技術帶來的復雜管理要求，避免因過渡技術的引入構成新的故障點；最后，應當根據(jù)自身情況，盡量避免為引入過渡技術而進行過多的僅具備短期價值的改造投資，如僅在IPv4和IPv6網(wǎng)絡混雜情況下有效的工作量過多的技術方案。

2.2 技術選擇

NAT技術可以分為兩個基本類別：一類是IPv4私有地址到IPv4公有地址的地址轉換NAT技術（或稱為NAT44）；另一類是IPv4與IPv6地址之間的轉換技術，如NAT-PT、NAT64、IVI等。地址轉換技術基本不能作為一種為迎接IPv4/IPv6過渡而實現(xiàn)的實施方案，更多的是應用在地址受限的現(xiàn)實網(wǎng)絡中的部署方案，或者在部分區(qū)域網(wǎng)絡界面暫時未能升級到IPv6而實施的過渡措施。NAT技術僅能夠解決地址不足問題和已部署IPv6私網(wǎng)但公網(wǎng)未升級至IPv6時私網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)問題。NAT技術的應用本身會使得網(wǎng)絡結構復雜化，并影響應用對終端的管理控制能力。對應用而言，采用NAT基本無法得到能力提升，僅是條件限制下不得不采用的一種解決措施。

隧道技術是將一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報文封裝在另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報文中傳輸，是連接“孤島”的有效方法。隧道類型有很多種，包括6PE、6VPE、手工隧道、GRE、L2TP、6over4、4over6、6to4、ISATAP、Teredo等，不同類型的隧道技術可以用于不同的應用場景。隧道技術有一個較大的問題，需要兩端設備之間能夠良好互通，而實際上各廠商的產(chǎn)品在隧道方面的互通情況并不理想。對于自主部署的應用而言，互通性問題的影響在應用范圍內(nèi)尚可控，但在各個應用信息“孤島”間部署隧道的成本較高，隧道的維護增加了新的故障點。應用在選擇隧道技術時應當根據(jù)自身業(yè)務特征和“孤島”間網(wǎng)絡情況謹慎選擇，技術實現(xiàn)難度較大。

雙棧指從用戶側到網(wǎng)絡側同時支持IPv4協(xié)議棧和IPv6協(xié)議棧。雙棧技術是IPv6過渡的基礎，雖然本身不能解決地址短缺問題，但確實可以在投入比較低的基礎上實現(xiàn)對于IPv4到IPv6網(wǎng)絡環(huán)境轉變的支持。IPv6和IPv4技術當前在網(wǎng)絡識別、業(yè)務發(fā)現(xiàn)等方面已經(jīng)積累了完善的技術基礎，因此雙棧的實現(xiàn)對于應用服務的部署和管理帶來的困擾幾乎可以忽略。而隨著操作系統(tǒng)的成熟，當前大多主流操作系統(tǒng)已支持雙棧，應用支持雙棧所需要解決的主要問題僅在于自身系統(tǒng)設計。而在設計過程中也可以充分利用模塊化積累，充分降低部署雙棧的代價。

整體而言，對于物聯(lián)網(wǎng)類應用和大多數(shù)的其他應用，為迎接IPv6而在平臺、終端和客戶端等幾個層面采用雙棧技術，是一種簡便且低成本的IPv6應用部署方式。

2.3 應用方案

圖1示意了應用雙棧后的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構。應用雙棧后，需要物聯(lián)網(wǎng)應用的3類實體均在網(wǎng)絡界面之上實現(xiàn)IPv4和IPv6兩類協(xié)議棧。終端和客戶端根據(jù)自身所處的網(wǎng)絡環(huán)境選擇使用IPv4或IPv6協(xié)議棧，平臺必須同時激活IPv4和IPv6協(xié)議棧。實際應用中可能有如下幾種場景。

·終端IPv4、客戶端IPv4，應用對終端的管控和用戶的服務均通過IPv4技術實現(xiàn)。

·終端IPv4、客戶端IPv6，應用對用戶的服務已經(jīng)可以利用IPv6技術。

·終端IPv6、客戶端IPv4，應用對終端的信息收集及管控可以利用IPv6技術。

·終端IPv6、客戶端IPv6，應用可以全流程應用IPv6技術。

圖1 應用雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構

3 應用及效果

以上分析了應用在適應IPv4/IPv6過渡環(huán)境時的技術選擇，基于雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構被應用于智慧農(nóng)業(yè)服務中，完成了相關IPv6技術的改造。智慧農(nóng)業(yè)通過在大棚、溫室、倉儲、魚塘等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中部署光照、溫濕度等傳感器，噴淋、卷簾等控制器以及攝像設備，利用中國電信有線/無線網(wǎng)絡傳輸，使管理者可以隨時隨地利用3G手機或PC機查看和管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的遠程化、自動化、智能化[1]。近年來，中國電信憑借其在運營世界最大的CDMA網(wǎng)絡和寬帶網(wǎng)絡過程中豐富的技術積累，積極參與三農(nóng)領域的信息化建設，在農(nóng)業(yè)綜合信息服務、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理信息化等多個領域持續(xù)投入，取得了豐碩的成果。然而大量發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)類的物聯(lián)網(wǎng)服務對于IP地址存在大量需求，在IPv4環(huán)境下僅能通過NAT方式部署，業(yè)務的部署和管理均比較復雜，用戶接受度低，運營商本身對于業(yè)務規(guī)模推廣的資源支持也較弱。

針對智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務發(fā)展中的瓶頸問題，中國電信在湖南省農(nóng)業(yè)廳下屬的湖南省優(yōu)質果茶良種繁育場進行試點示范應用，建設了國內(nèi)首個基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應用。該應用充分利用IPv6技術的優(yōu)點，在傳感網(wǎng)側采用了基于IPv6的低功耗組網(wǎng)技術6LoWPAN，各種傳感和控制量通過6LoWPAN傳輸至支持雙棧的移動網(wǎng)絡網(wǎng)關設備，可以在具備IPv6環(huán)境的移動網(wǎng)絡中實現(xiàn)全IPv6的數(shù)據(jù)采集和遠程控制。在手機客戶端側，該應用也通過合作研發(fā)完成了數(shù)款具備雙棧能力的手機終端，并在手機終端上研發(fā)了雙棧手機客戶端，成功打通了智慧農(nóng)業(yè)應用基于雙棧的應用整體部署的各個環(huán)節(jié)。

雙棧技術在智慧農(nóng)業(yè)應用中的應用對于業(yè)務的推廣有良好的推動效果。在黑龍江佳木斯建三江前進、勝利、七星等多個農(nóng)場建立了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目基地，進行了“智能農(nóng)業(yè)大棚”應用試點，并在黑龍江859農(nóng)場完成“智能灌溉”應用試點。截至本文完成，中國電信依托其基于IPv6的智慧農(nóng)業(yè)應用服務已經(jīng)先后完成浙江“智能水產(chǎn)”、北京“天潤草莓園”、山東“智能蘑菇大棚”、陜西楊林“智慧農(nóng)業(yè)”等各類應用服務，實現(xiàn)了數(shù)千標準監(jiān)測點的服務和管理。

基于IPv6的智慧農(nóng)業(yè)應用服務不僅突破了既有網(wǎng)絡現(xiàn)狀對業(yè)務應用的束縛，該應用服務規(guī)模的成功發(fā)展也為社會帶來了大量增量財富。黑龍江農(nóng)墾的用戶反映，“通過（智能大棚）系統(tǒng)的實施，大大減少了農(nóng)業(yè)現(xiàn)場管理人員的投入，同時有效提升農(nóng)作物壯秧率5%～10%，水稻的畝產(chǎn)量增加6%左右”。浙江的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖客戶也表示，蟹/魚苗的活性、存活率和畝產(chǎn)量，與投入前相比提高了10%～15%。通過這些農(nóng)業(yè)信息化項目的實施，中國電信也拓展了農(nóng)業(yè)合作市場，2011年開始在黑龍江啟動商用智能大棚規(guī)模部署推廣，迄今已發(fā)展數(shù)千大棚。

1 江志峰,周開宇,封順天等.智慧農(nóng)業(yè)——信息通信技術引領綠色發(fā)展.北京：電子工業(yè)出版社，2012

2 魯敏芳,胡偉中,何建東.基于PCP的TCP NAT穿越的研究與實現(xiàn).西南大學學報:自然科學版,2009,30(11):131～136

3 孫瓊,解沖鋒.CP/SP向IPv6演進的研究與實踐.中國通信學會信息通信網(wǎng)絡技術委員會2011年年會論文集(上冊),2011

4 孫瓊,江志峰,陳運清.IPv4向IPv6過渡技術標準綜述.電信網(wǎng)技術,2010(6):25～30