物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化動態(tài)

      【核心提示：物聯(lián)網(wǎng)感知層匯聚了數(shù)量眾多的智能物體，支持IPv6協(xié)議的感知層網(wǎng)絡(luò)帶來了充足的碼號空間、良好的互通性以及便利的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)感知層IPv6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的動態(tài)，概括了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容以及應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r，主要介紹了IETF，IPSO，Zigbee，ISA-100組織的標(biāo)準(zhǔn)化動態(tài)。】 

     1  物聯(lián)網(wǎng)與IPv6

      物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）的概念最初在1999年由美國麻省理工學(xué)院的Auto-ID實(shí)驗(yàn)室提出，其構(gòu)想是通過RFID與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合來構(gòu)建一個(gè)追蹤貨物的全球系統(tǒng)。Internet of Things這個(gè)思路最初是非常具體的，但是其概念本身給人以很大的遐想空間，并且隨著集成電路技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，這個(gè)幼小的思想得到了越來越廣泛的關(guān)注，并且被各方賦予了新的內(nèi)涵和外延。2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）在其年度報(bào)告中對物聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)、市場、挑戰(zhàn)和未來構(gòu)想方面進(jìn)行了闡述。與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)的誕生地IETF自2006年開始也從技術(shù)層面展開了對物聯(lián)網(wǎng)的研究，制定了網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2010年3月，IRTF主席Aaron Falk在第77次會議上發(fā)起了IoT的興趣小組，計(jì)劃從研究層面推進(jìn)相關(guān)工作。

     物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以簡單地劃分為3個(gè)層次（感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層），分別為物聯(lián)網(wǎng)提供了一些重要的特性，即全面感知、可靠傳送、智能處理。物聯(lián)網(wǎng)的感知層要求能夠全面感知物理世界的各種信息，利用多種傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、二維碼、攝像頭、GPS、智能物體等來全面感知現(xiàn)實(shí)世界中的各種信息。物聯(lián)網(wǎng)的感知層節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量多、成本低、計(jì)算能力弱等特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)信息的源頭，如何更好地管理維護(hù)感知層網(wǎng)絡(luò)、促進(jìn)相關(guān)應(yīng)用開展一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重要問題之一。

      物聯(lián)網(wǎng)引起全世界的廣泛關(guān)注以來，終端數(shù)量持續(xù)上升，逐漸成為上百億終端的市場，給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營提出了兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。首先是碼號尋址需求，從國際和國內(nèi)兩個(gè)方面看，IPv4地址不足已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。一方面，截止到2010年3月，全球可分配的A類IPv4地址段只剩下22個(gè)，預(yù)計(jì)2012年亞洲地址管理分支機(jī)構(gòu)APNIC的IPv4地址池將耗盡，屆時(shí)國內(nèi)公司將無法再申請到IPv4地址；另一方面，我國已獲得的IPv4地址份額只占到全球的6.3%，勢必影響我國巨大潛在市場的發(fā)展。由此可見，IPv4地址尚不能滿足互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的地址需求，對于發(fā)展中的物聯(lián)網(wǎng)，特別是具有數(shù)量眾多的感知層節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識問題，這個(gè)問題更為明顯。其次，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展問題也凸顯出現(xiàn)，目前，感知終端上的數(shù)據(jù)格式多種多樣，難以統(tǒng)一管理運(yùn)營，新型業(yè)務(wù)難以落地。由于缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用程序的開發(fā)處于無章可循的狀態(tài)，且廣泛基于TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不容易移植。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議來支撐網(wǎng)絡(luò)向大規(guī)模泛在化發(fā)展，也需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)置來孵化各種新型的業(yè)務(wù)模式，真正實(shí)現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”。

      基于這兩個(gè)方面的需求，物聯(lián)網(wǎng)和IPv6產(chǎn)生了廣泛的聯(lián)系。IETF從一開始研究物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以來，就把IPv6作為惟一選擇，IETF相關(guān)工作組的工作都是在IPv6基礎(chǔ)上展開的，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟IPSO Alliance （IP Smart Object Alliance）也開始了IPv6產(chǎn)品化推廣的路線。最初不支持IP相關(guān)技術(shù)的Zigbee組織，也在其智能電網(wǎng)（Smart Energy）的最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中加入了對IPv6協(xié)議的支持。

      本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化動態(tài)，介紹了IPv6技術(shù)在IETF，IPSO，Zigbee，ISA-100多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的基本原理和工作進(jìn)展。

      2  IETF工作進(jìn)展

      IETF成立了3個(gè)工作組來進(jìn)行低功耗IPv6網(wǎng)絡(luò)方面的研究。6LowPan（IPv6 over Low-power and Lossy Networks）工作組主要討論如何把IPv6協(xié)議適配到IEEE 802.15.4 MAC層和PHY層協(xié)議棧上的工作。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，制訂了各個(gè)場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）工作組由6LowApp興趣小組發(fā)展而來，主要討論資源受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應(yīng)用層協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）。

       2.1  6LowPan工作組

       6LowPan工作組成立于2006年，屬于IETF互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。該工作組已完成兩個(gè)RFC：《在低功耗網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行IP6協(xié)議的假設(shè)、問題和目標(biāo)》（RFC4919，Informational）；《在IEEE802.15.4上傳輸IPv6報(bào)文》（RFC4944，Proposed Standard）。

       在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行IPv6協(xié)議的主要挑戰(zhàn)來自于兩個(gè)方面，一方面802.15.4物理層支持的最大幀長度是127字節(jié)，而IPv6的報(bào)頭就占據(jù)了40字節(jié)，再加上MAC層報(bào)頭，安全報(bào)頭、傳輸層報(bào)頭的長度，實(shí)際能夠給應(yīng)用層使用報(bào)文長度變得非常小。另一方面，IPv6協(xié)議（RFC2460）中規(guī)定的MTU值最小是1280字節(jié)，表明IP層最小只會把數(shù)據(jù)包分片到1280字節(jié)。如果鏈路層支持的MTU小于此值，則鏈路層需要自己負(fù)責(zé)分片和重組。所以，6LowPan工作組為IEEE 802.15.4設(shè)計(jì)了一個(gè)適配層，把IPv6數(shù)據(jù)包適配到IEEE 802.15.4規(guī)定的物理層和鏈路層之上，支持報(bào)文分片和重組，同時(shí)6LowPan規(guī)定了IPv6報(bào)頭的無狀態(tài)壓縮方法，減小IPv6協(xié)議帶來的負(fù)荷。6LowPan工作組的工作在低功耗節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧中的位置如下圖所示。

 

      6LowPan協(xié)議棧模型

      報(bào)頭壓縮的主要原理是通過壓縮編碼省略掉報(bào)頭中冗余的信息。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)感知層，IPv6報(bào)頭中的很多信息可以省略或者壓縮，IPv6報(bào)頭中的各個(gè)信息域的壓縮方法如下： 

      （1）版本號Version（4位）：取值為6，在運(yùn)行IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，此項(xiàng)可以省略。
　?。?）流類型Traffic Class（8位）：可以通過壓縮編碼壓縮。
　?。?）流標(biāo)識Flow label（20位）：可以通過壓縮編碼壓縮。
　　（4）載荷長度Payload Length（16位）：可以省略，因?yàn)镮P頭長度可以通過MAC頭中的載荷長度字段計(jì)算出來。
　　（5）下一個(gè)頭Next Header（8位）：可以通過壓縮編碼壓縮，假設(shè)下一個(gè)頭是UDP，ICMP，TCP或者擴(kuò)展頭的一種。
　?。?）跳極限Hop Limit（8位）：惟一不能進(jìn)行壓縮的信息。
　?。?）源地址Source Address（128位）：可以進(jìn)行壓縮，省略掉前綴或者IID。
　?。?）目標(biāo)地址Destination Address（128位）：可以進(jìn)行壓縮，省略掉前綴或者IID。