物聯網中輕量級IPv6協議實現技術概述

劉 剛

（白城師范學院 計算機科學學院，吉林 白城 137000）

0 引言

物聯網是在無線傳感器網絡基礎上發展而形成的一種融合無線射頻識別（RFID）系統、傳統有線和無線互聯網、移動通信網絡以及其他通信技術的新興網絡［1-3］。將IPv6引入到物聯網中，能夠實現端到端的通信與控制、兼容多種物理層協議的功能，同時由于IPv6地址資源巨大，節點間無需網絡地址轉換即可進行通信，因此更加適合大規模高密度的物聯網網絡［4］。與傳統互聯網終端系統相比，物聯網終端節點具有低帶寬、低處理能力、小內存、低功耗的特點。因為處理能力、存儲能力、能量等方面的資源不足，所以要求運行在物聯網節點上的協議棧必須滿足占用資源較少、功能可重構、協議輕量化以及一定的安全需求。所以，將IPv6技術應用到無線傳感器網是當前物聯網研究的一個熱點，越來越多的研究機構投入物聯網輕量級TCP/IP協議棧的開發和實現，,這片領域研究前景相當廣闊。

1 物聯網中輕量級IPv6協議實現技術概述

為了滿足物聯網節點低能耗、協議精簡的需求，近年來研究人員對物聯網不斷深入地研究，已取得了一些重要的成果。

2000年12月份IEEE標準委員會正式批準并成立了802.15.4工作組，任務就是開發一個低數據率的WPAN標準[3]，它具有復雜度低、成本極少、功耗很小的特點，能在低成本的設備之間進行低數據率的傳輸。Zigbee聯盟[4]基于802.15.4MAC層協議提出了一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，擁有自己的無線電標準。

IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN工作組，著手制訂了基于IPv6的低速無線個域網標準，目的就是將IPv6引入以IEEE802.15.4作為底層標準的無線個域網中。目前，IETF的6LoWPAN工作組正計劃將IEEE802.15.4完善為支持IP通信連接，使其成為一類真正開放標準，最終完全實現與其它IP設備的互操作。2008年2月IETF成立了ROLL工作組。該工作組的目標是使得公共的、可互操作的第3層路由能夠穿越任何數量的基本鏈路層協議和物理媒體。

為了推動IP協議作為網絡互聯技術用于連接傳感器節點或者其它的智能物體以便于信息的傳輸，2008年9月，Cisco、SAP和Sun等25家業界領先的技術公司聯合成立了IPSO聯盟。IPSO聯盟則致力于補充IEEE和IETF兩個組織的工作，大力倡導將傳感器網絡融合到IP技術體系中。2010年3月IETF成立了CoRE工作組[6]，主要任務是研究資源受限物體的應用層協議，CoRE提供面向IP網絡資源受限資源的應用程序框架。目前，IETF組織中的LWIPBOF組也在研究這個問題，它的目標是基于受限網絡制定出一個統一的輕量級IP協議棧。

上述所有的研究成果為基于IPv6的物聯網協議簡化奠定了堅實的研究基礎。要滿足物聯網的整體需求，必須對傳統互聯網中的計算機的協議進行精簡。對物聯網中運行的現有互聯網協議進行簡化和修改，大多數的研究工作都遵循以下四個原則：

1）簡化協議交互過程，以減少沒有必要的協商、握手和驗證的環節；

2）簡化協議數據包中無用或冗余的字段，以減少總體報文大小，從而有效地提高荷載比；

3）對無關乎特殊嚴格順序的協議協商過程中產生的多個數據包，可以進行信息壓縮與聚合，使多個數據包的內容整合到少數報文中，或對數據包中的數據內容進行無損壓縮，而在接收端進行解析和還原，從而達到減少數據包的交互過程和提高有效載荷比的目的。

4）簡化的協議應不影響物聯網多協議網關進行協議翻譯的實現，即能較容易地實現物聯網節點和互聯網節點協議的互通。

文獻[5]中設計并實現了物聯網中輕量級的IPv6協議，為了保證每個物聯網節點至少擁有一個IP地址，并且加入了針對物聯網場景的路由協議，網絡層最大的改進是引入了6LoWPAN協議，當系統需要時，對報文進行分片和報頭壓縮等。

文獻[6]設計并實現的簡化的IPv6協議，簡化方案主要根據上述原則2和原則3對其進行輕量化。基本的思路是：省去IP版本號、流分類等冗余字段信息，同時進一步壓縮載荷內容。

文獻[7]著重闡述IPv6協議棧中幾個基本協議，在此基礎上，對協議棧進行裁剪，給出數據處理流程，并詳細介紹協議棧各模塊的實現細節。

2 總結

IPv6巨大的地址空間使得每個嵌入式設備都具有獨立的IP地址，IPv6技術的出現解決了上述地址資源缺乏問題，因此，在嵌入式設備上應用IPv6地址是順應時代發展需求的。針對物聯網節點資源受限的特點，很多研究文獻提出了物聯網中輕量級IPv6協議的設計和實現技術，這些技術對傳統互聯網中的IPv6及DHCPv6協議進行了簡化研究，使得簡化后的協議不僅未影響原有協議的功能，還具有高效、節能和占用資源少等特點，從而整體上提高了物聯網數據吞吐率。

［1］徐小濤，吳延林.無線個域網(WPAN)技術及其應用[Ml.北京:人民郵電出版社，2009，12-13.

［2］ZigBeeAllianee[EB/OL」.http://www.zigbee.org.

［3］IPSOAllianee[EB/OL].http://www.iPso－allianee.org.

［4］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社，2005，35-50.

［5］劉佳.精簡的IPv6協議棧在嵌入式系統中的應用與實現[D].昆明：昆明理工大學，2009.

［6］劉昕，胡光武，陳文龍，徐恪.面向物聯網的IPv6協議簡化[J].北京：清華大學學報,2012,v(52)5：22-26.

［7］王毅敏.精簡的IPv6協議棧在嵌入式系統中的應用與實現[D].成都：電子科技大學，2012.