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IPV6在物联网中的应用

物联网的概念和架构

物联网(Internet of Things)概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出。随着技术和应用发展,物联网内涵不断扩展,产生了新的认识——物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸,它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别,通过网络传输互联,进行计算、处理和知识挖掘,实现人与物、物与物信息交互和无缝连接,达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。

基于上述认识可以将物联网网络架构划分为三个层次,包括感知层、网络层和应用层。感知层包括感知控制子层和通信延伸子层,感知控制子层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制,通信延伸子层通过通信终端模块直接或组成延伸网络后将物理实体联接到网络层和应用层。网络层主要实现信息的传递、路由和控制,包括接入网和核心网,网络层可依托公众电信网和互联网,也可以依托行业专用通信网络。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口,以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

物联网感知层IP技术路线的选择

物联网体系架构中,网络层可以沿用现有的IP技术体系,采用IP技术来承载。而在感知层,从目前的技术发展来看,可以采用两种不同的技术路线,一种是非IP技术,如ZigBee产业联盟开发的ZigBee协议;另一种是IETF和IPSO产业联盟倡导的将IP技术向下延伸应用到感知延伸层。显然,采用IP技术路线,将有助于实现端到端的业务部署和管理,而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接,简化网络结构,同时广泛基于TCP/IP协议栈开发的互联网应用也能够方便地移植,真正实现“无处不在的网络、无所不能的业务”。

将IPv6技术应用于物联网感知层需要解决的一些关键问题

在物联网感知层采用IP技术,要实现“一物一地址,万物皆在线”,将需要大量的IP地址资源,就目前可用的IPv4地址资源量来看,远远无法满足感知智能终端的联网需求,特别是在智能家电、视频监控、汽车通信等应用的规模普及之后,地址的需求会迅速膨胀。而从目前可用的技术来看,只有IPv6能够提供足够的地址资源,满足端到端的通信和管理需求,同时提供地址自动配置功能和移动性管理机制,便于端节点的部署和提供永久在线业务。但是由于感知层节点低功耗、低存储容量、低运算能力的特性,以及受限于MAC层技术(IEEE802.15.4)特性,不能直接将IPv6标准协议直接架构在IEEE802.15.4MAC层之上,需要在IPv6协议层和MAC层之间引入适配层来屏蔽两者之间的差异。将IPv6技术应用于物联网感知层需要解决的一些关键问题,包括:

1) IPv6报文过大,头部负载过重。必须采用分片技术将IPv6分组包适配到底层MAC帧中,并且为了提高传送的效率,需要引入头部压缩策略解决头部过重问题。

2)地址转换。需要相应的地址转换机制来实现IPv6地址和IEEE802.15.4长、短MAC地址之间的转换。

4)报文泛滥。必须调整IPv6的管理机制,以抑制IPv6网络大量的网络配置和管理报文,适应802.15.4低速率网络的需求。

5) 轻量化IPv6协议。应针对IEEE802.15.4的特性确定保留或者改进哪些IPv6协议栈功能,满足嵌入式IPv6对功能、体积、功耗和成本等的严格要求。

6)路由机制。IPv6网络使用的路由协议主要是基于距离矢量和基于链路状态的路由协议。这两类协议都需要周期性地交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。而在资源受限的物联网感知层网络中采用传统的IPv6路由协议,由于节点从休眠到激活状态的切换会造成拓扑变化比较频繁,导致控制信息将占用大量的无线信道资源,增加了节点的能耗,从而降低网络的生存周期。因此需要对IPv6路由机制进行优化改进,使其能够在能量、存储和带宽等资源受限条件下,尽可能地延长网络的生存周期,重点研究网络拓扑控制技术、数据融合技术、多路径技术、能量节省机制等。

7)组播支持。IEEE802.15.4的MAC子层只支持单播和广播,不支持组播。而IPv6组播是IPv6的一个重要特性,在邻居发现和地址自动配置等机制中,都需要链路层支持组播。所以,需要制定从IPv6层组播地址到MAC地址的映射机制,即在MAC层用单播或者广播替代组播。

8)网络配置和管理。由于网络规模大,而一些设备的分布地点又是人员所不能达到的,因此物联网感知层的设备应具有一定的自动配置功能,网络应该具有自愈能力,要求网络管理技术能够在很低的开销下管理高度密集分布的设备。

IPv6技术是目前现实可行的下一代网络演进技术,上述关键问题的解决将推动IPv6技术在物联网感知层的应用,加快物联网业务应用的部署。

应用于物联网感知层的IPv6技术标准化现状

目前,IETF主要有6LoWPAN、ROLL和Core工作组负责研究感知延伸层的IPv6应用和低功耗路由相关协议。

6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN)工作组的研究重点为适配层、路由、报头压缩、分片、网络接入和网络管理等技术,目前已制定了6LoWPAN网络框架和适配层格式的标准,现在重点关注的是报头压缩技术,以及针对感知层特点对IPv6邻居发现协议进行优化。ROLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)主要讨论低功耗网络中的路由协议,制定了各个场景的路由需求以及传感器网络的RPL(Routing Protocol for LLN)路由协议。CoRE(Constrained Restful Environment)工作组主要讨论资源受限网络环境下的信息读取操控问题,旨在制订轻量级的应用层协议(Constrained Application Protocol, CoAP)。

此外,成立于2008年9月的IPSO产业联盟,也大力倡导将泛在网感知延伸层融合到IP技术体系中。IPSO联盟的目标是提供给用户更多的有关智能物体和工业领域以及市场方面的信息。目前该联盟已发布了4个相关的白皮书,包括IP技术应用于智能物体、轻量级的操作系统、6LoWPAN网络标准以及智能物体网络安全介绍。

小结

在未来物联网应用中,网络将不再是被动地满足用户的需求,而是要主动感知用户场景的变化,并进行信息交互,为用户提供个性化的服务。根据现阶段技术和业务的发展情况,结合终端设备对地址的大量需求,以简化网络结构和端到端的业务管理为出发点,考虑在相对封闭的物联网中应用IPv6技术,实现智能物体的泛在互连,同时带动整个IPv6产业的成熟,为下一代互联网大规模部署IPv6技术奠定基础。

张恒升,工业和信息化部电信研究院工程师,从事IP网络相关技术研究,主要研究方向包括承载网技术、IPv6技术、物联网、音频编解码技术等。


(责任编辑:ioter)

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