一物一地址 萬物皆在線：IPv6在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

       物聯(lián)網(wǎng)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出，隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵不斷擴展，產(chǎn)生了新的認識——物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫連接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的。
 
       基于上述認識可以將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分為三個層次，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括感知控制子層和通信延伸子層，感知控制子層實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，通信延伸子層通過通信終端模塊直接或組成延伸網(wǎng)絡(luò)后將物理實體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。

       在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層可以沿用現(xiàn)有的IP技術(shù)體系，采用IP技術(shù)來承載。而在感知層，從目前的技術(shù)發(fā)展來看，可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議；另一種是IETF和IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟倡導的將IP技術(shù)向下延伸應(yīng)用到感知延伸層。顯然，采用IP技術(shù)路線，將有助于實現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)部署和管理，而且無需協(xié)議轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層IP承載的無縫連接，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時廣泛基于TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也能夠方便地移植，真正實現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”。

       在物聯(lián)網(wǎng)感知層采用IP技術(shù)，要實現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應(yīng)用的規(guī)模普及之后，地址的需求會迅速增長。而從目前可用的技術(shù)來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求，同時提供地址自動配置功能和移動性管理機制，便于端節(jié)點的部署和提供永久在線業(yè)務(wù)。但是由于感知層節(jié)點低功耗、低存儲容量、低運算能力的特性，以及受限于MAC層技術(shù)（IEEE802.15.4）特性，不能直接將IPv6標準協(xié)議直接架構(gòu)在IEEE802.15.4MAC層之上，需要在IPv6協(xié)議層和MAC層之間引入適配層來消弭兩者之間的差異。將IPv6技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層需要解決一些關(guān)鍵問題，包括以下幾個方面。

       ——IPv6報文過大，頭部負載過重。必須采用分片技術(shù)將IPv6分組包適配到底層MAC幀中，并且為了提高傳送的效率，需要引入頭部壓縮策略解決頭部負載過重問題。

       ——地址轉(zhuǎn)換。需要相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換機制來實現(xiàn)IPv6地址和IEEE802.15.4長、短MAC地址之間的轉(zhuǎn)換。

        ——報文泛濫。必須調(diào)整IPv6的管理機制，以抑制IPv6網(wǎng)絡(luò)大量的網(wǎng)絡(luò)配置和管理報文，適應(yīng)802.15.4低速率網(wǎng)絡(luò)的需求。

       ——輕量化IPv6協(xié)議。應(yīng)針對IEEE802.15.4的特性確定保留或者改進哪些IPv6協(xié)議棧功能，滿足嵌入式IPv6對功能、體積、功耗和成本等的嚴格要求。

       ——路由機制。IPv6網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議主要是基于距離矢量和基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議。這兩類協(xié)議都需要周期性地交換信息來維護網(wǎng)絡(luò)正確的路由表或網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖。而在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)中采用傳統(tǒng)的IPv6路由協(xié)議，由于節(jié)點從休眠到激活狀態(tài)的切換會造成拓撲變化比較頻繁，導致控制信息將占用大量的無線信道資源，增加了節(jié)點的能耗，從而縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。因此需要對IPv6路由機制進行優(yōu)化改進，使其能夠在能量、存儲和帶寬等資源受限的條件下，盡可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，重點研究網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、多路徑技術(shù)、能量節(jié)省機制等。

       ——組播支持。IEEE802.15.4的MAC子層只支持單播和廣播，不支持組播。而IPv6組播是IPv6的一個重要特性，在鄰居發(fā)現(xiàn)和地址自動配置等機制中，都需要鏈路層支持組播。所以，需要制定從IPv6層組播地址到MAC地址的映射機制，即在MAC層用單播或者廣播替代組播。

       ——網(wǎng)絡(luò)配置和管理。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，而一些設(shè)備的分布地點又是人員所不能到達的，因此物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備應(yīng)具有一定的自動配置功能，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有自愈能力，要求網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)能夠在很低的開銷下管理高度密集分布的設(shè)備。

       IPv6技術(shù)是目前現(xiàn)實可行的下一代網(wǎng)絡(luò)演進技術(shù)，上述關(guān)鍵問題的解決將推動IPv6技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感知層的應(yīng)用，加快物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的部署。

       目前，IETF主要有6LoWPAN、ROLL和Core工作組負責研究感知延伸層的IPv6應(yīng)用和低功耗路由相關(guān)協(xié)議。

       6LoWPAN工作組的研究重點為適配層、路由、報頭壓縮、分片、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)，目前已制定了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)框架和適配層格式的標準，現(xiàn)在重點關(guān)注的是報頭壓縮技術(shù)，以及針對感知層特點對IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行優(yōu)化。ROLL主要討論低功耗網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議，制定了各個場景的路由需求以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的RPL路由協(xié)議。Core工作組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。

       此外，成立于2008年9月的IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也大力倡導將泛在網(wǎng)感知延伸層融合到IP技術(shù)體系中。IPSO聯(lián)盟的目標是提供給用戶更多的有關(guān)智能物體和工業(yè)領(lǐng)域以及市場方面的信息。目前該聯(lián)盟已發(fā)布了4個相關(guān)的白皮書，包括IP技術(shù)應(yīng)用于智能物體、輕量級的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)標準以及智能物體網(wǎng)絡(luò)安全介紹。

       在未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)將不再是被動地滿足用戶的需求，而是要主動感知用戶場景的變化，并進行信息交互，為用戶提供個性化的服務(wù)。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，結(jié)合終端設(shè)備對地址的大量需求，以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和端到端的業(yè)務(wù)管理為出發(fā)點，考慮在相對封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6技術(shù)，實現(xiàn)智能物體的泛在互聯(lián)，同時帶動整個IPv6產(chǎn)業(yè)的成熟，為下一代互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署IPv6技術(shù)奠定基礎(chǔ)。