基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shù)的發(fā)展獲得了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，我國在“十二五”科技規(guī)劃中也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給予了重視，并通過各類政策和項(xiàng)目積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。作為重要的信息化技術(shù)手段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)脫離了簡單的傳感網(wǎng)和電子標(biāo)簽范疇，整個(gè)世界都在期待借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智慧、高度信息化的地球。物聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息互連，并支持基于互連實(shí)現(xiàn)智慧的調(diào)度和服務(wù)。據(jù)分析，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將帶動(dòng)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(wù)”，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了廣泛的領(lǐng)域，包括在線監(jiān)測、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程維保等[1]。

作為一個(gè)新興的基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)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(gè)方面。

首先，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展遇到了端到端服務(wù)的難題。物聯(lián)網(wǎng)提供的是在線服務(wù)，對(duì)于一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端，應(yīng)當(dāng)能夠隨時(shí)從另一個(gè)終端訪問其所提供的信息。然而，由于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用了以NAT（地址轉(zhuǎn)換或翻譯）技術(shù)組織的私有網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際使用中，無法實(shí)現(xiàn)在需要穿越NAT的場景中從一個(gè)終端訪問另一個(gè)終端。雖然STUN、uPNP、PCP等技術(shù)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(wù)的實(shí)現(xiàn)成本、業(yè)務(wù)部署以及管理都因此變得更加復(fù)雜，用戶的體驗(yàn)也變得較差。

其次，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展帶來了比較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)容量沖擊?；ヂ?lián)網(wǎng)是基于人使用PC終端設(shè)計(jì)的，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shí)，遠(yuǎn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展引起容量沖擊之前，隨著各類服務(wù)和終端的開展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)體驗(yàn)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(chǔ)技術(shù)，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(jìn)更多符合用戶要求的創(chuàng)新應(yīng)用產(chǎn)生。但作為一種顛覆性的基礎(chǔ)技術(shù)，IPv6應(yīng)用涉及網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、終端多個(gè)環(huán)節(jié)的改造升級(jí)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)不能支持IPv6均將使得IPv6無法應(yīng)用。考慮到IPv4的部署范圍及各部件改造的復(fù)雜過程，可以預(yù)見IPv4和IPv6還將并存很長一段時(shí)間，而隨著各方面力量的推動(dòng)，這種雙網(wǎng)并存的過渡期已經(jīng)啟動(dòng)。正是在這種環(huán)境下，本文將從應(yīng)用角度探討對(duì)IPv4/IPv6過渡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)和準(zhǔn)備，特別是從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用角度分析技術(shù)選擇和方案，并介紹相關(guān)應(yīng)用探索。

2 技術(shù)分析

2.1 應(yīng)用需求

在應(yīng)用中，對(duì)利用IPv6技術(shù)構(gòu)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(luò)、平臺(tái)、終端中同時(shí)部署IPv6技術(shù)。為了解決在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用IPv6的技術(shù)難題，研究者們提出了很多過渡實(shí)施方案，以使得IPv6的實(shí)施能夠以漸進(jìn)方式部署，逐步替換現(xiàn)有IPv4網(wǎng)絡(luò)，并最終完成IPv6升級(jí)。這些過渡技術(shù)大致可以分為3類：NAT技術(shù)、隧道技術(shù)、雙棧技術(shù)[4]。

對(duì)于應(yīng)用而言，在IPv6過渡期間并不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的變化，僅關(guān)心與應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)界面變化后的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，一般由物聯(lián)網(wǎng)終端（以下簡稱終端）、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)（以下簡稱平臺(tái)）及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用客戶端（以下簡稱客戶端）3類實(shí)體構(gòu)成。物聯(lián)網(wǎng)終端負(fù)責(zé)感知信息的采集，采用云計(jì)算模式的應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行分析和智能處理，應(yīng)用客戶端向用戶呈現(xiàn)應(yīng)用能力。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要考慮的是，平臺(tái)、終端和客戶端的網(wǎng)絡(luò)界面可能有一天會(huì)由IPv4改變?yōu)镮Pv6，在此種情況下，應(yīng)用應(yīng)采用何種技術(shù)方案。

應(yīng)用在考慮所采用的過渡技術(shù)時(shí)，需要考慮的問題包括如下幾個(gè)方面。首先，為適應(yīng)過渡而選擇的方案應(yīng)該是易于實(shí)現(xiàn)的；其次，采用的方案應(yīng)當(dāng)能夠充分利用IPv6技術(shù)帶來的新的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢；第三，采用的方案應(yīng)當(dāng)不需要過多不可確定的網(wǎng)絡(luò)配合，可以獨(dú)立實(shí)施；第四，應(yīng)當(dāng)避免過渡技術(shù)帶來的復(fù)雜管理要求，避免因過渡技術(shù)的引入構(gòu)成新的故障點(diǎn)；最后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身情況，盡量避免為引入過渡技術(shù)而進(jìn)行過多的僅具備短期價(jià)值的改造投資，如僅在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)混雜情況下有效的工作量過多的技術(shù)方案。

2.2 技術(shù)選擇

NAT技術(shù)可以分為兩個(gè)基本類別：一類是IPv4私有地址到IPv4公有地址的地址轉(zhuǎn)換NAT技術(shù)（或稱為NAT44）；另一類是IPv4與IPv6地址之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)，如NAT-PT、NAT64、IVI等。地址轉(zhuǎn)換技術(shù)基本不能作為一種為迎接IPv4/IPv6過渡而實(shí)現(xiàn)的實(shí)施方案，更多的是應(yīng)用在地址受限的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的部署方案，或者在部分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)界面暫時(shí)未能升級(jí)到IPv6而實(shí)施的過渡措施。NAT技術(shù)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(jí)至IPv6時(shí)私網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)問題。NAT技術(shù)的應(yīng)用本身會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并影響應(yīng)用對(duì)終端的管理控制能力。對(duì)應(yīng)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(shù)是將一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文封裝在另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)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(shù)可以用于不同的應(yīng)用場景。隧道技術(shù)有一個(gè)較大的問題，需要兩端設(shè)備之間能夠良好互通，而實(shí)際上各廠商的產(chǎn)品在隧道方面的互通情況并不理想。對(duì)于自主部署的應(yīng)用而言，互通性問題的影響在應(yīng)用范圍內(nèi)尚可控，但在各個(gè)應(yīng)用信息“孤島”間部署隧道的成本較高，隧道的維護(hù)增加了新的故障點(diǎn)。應(yīng)用在選擇隧道技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)特征和“孤島”間網(wǎng)絡(luò)情況謹(jǐn)慎選擇，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大。

雙棧指從用戶側(cè)到網(wǎng)絡(luò)側(cè)同時(shí)支持IPv4協(xié)議棧和IPv6協(xié)議棧。雙棧技術(shù)是IPv6過渡的基礎(chǔ)，雖然本身不能解決地址短缺問題，但確實(shí)可以在投入比較低的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)于IPv4到IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境轉(zhuǎn)變的支持。IPv6和IPv4技術(shù)當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等方面已經(jīng)積累了完善的技術(shù)基礎(chǔ)，因此雙棧的實(shí)現(xiàn)對(duì)于應(yīng)用服務(wù)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(dāng)前大多主流操作系統(tǒng)已支持雙棧，應(yīng)用支持雙棧所需要解決的主要問題僅在于自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而在設(shè)計(jì)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(jià)。

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

2.3 應(yīng)用方案

圖1示意了應(yīng)用雙棧后的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)。應(yīng)用雙棧后，需要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的3類實(shí)體均在網(wǎng)絡(luò)界面之上實(shí)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(luò)環(huán)境選擇使用IPv4或IPv6協(xié)議棧，平臺(tái)必須同時(shí)激活I(lǐng)Pv4和IPv6協(xié)議棧。實(shí)際應(yīng)用中可能有如下幾種場景。

·終端IPv4、客戶端IPv4，應(yīng)用對(duì)終端的管控和用戶的服務(wù)均通過IPv4技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

·終端IPv4、客戶端IPv6，應(yīng)用對(duì)用戶的服務(wù)已經(jīng)可以利用IPv6技術(shù)。

·終端IPv6、客戶端IPv4，應(yīng)用對(duì)終端的信息收集及管控可以利用IPv6技術(shù)。

·終端IPv6、客戶端IPv6，應(yīng)用可以全流程應(yīng)用IPv6技術(shù)。

圖1 應(yīng)用雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)

3 應(yīng)用及效果

以上分析了應(yīng)用在適應(yīng)IPv4/IPv6過渡環(huán)境時(shí)的技術(shù)選擇，基于雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)被應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)服務(wù)中，完成了相關(guān)IPv6技術(shù)的改造。智慧農(nóng)業(yè)通過在大棚、溫室、倉儲(chǔ)、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(shè)備，利用中國電信有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，使管理者可以隨時(shí)隨地利用3G手機(jī)或PC機(jī)查看和管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化、智能化[1]。近年來，中國電信憑借其在運(yùn)營世界最大的CDMA網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)過程中豐富的技術(shù)積累，積極參與三農(nóng)領(lǐng)域的信息化建設(shè)，在農(nóng)業(yè)綜合信息服務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理信息化等多個(gè)領(lǐng)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(wù)對(duì)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(wù)的部署和管理均比較復(fù)雜，用戶接受度低，運(yùn)營商本身對(duì)于業(yè)務(wù)規(guī)模推廣的資源支持也較弱。

針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)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(zhì)果茶良種繁育場進(jìn)行試點(diǎn)示范應(yīng)用，建設(shè)了國內(nèi)首個(gè)基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該應(yīng)用充分利用IPv6技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在傳感網(wǎng)側(cè)采用了基于IPv6的低功耗組網(wǎng)技術(shù)6LoWPAN，各種傳感和控制量通過6LoWPAN傳輸至支持雙棧的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以在具備IPv6環(huán)境的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)Pv6的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制。在手機(jī)客戶端側(cè)，該應(yīng)用也通過合作研發(fā)完成了數(shù)款具備雙棧能力的手機(jī)終端，并在手機(jī)終端上研發(fā)了雙棧手機(jī)客戶端，成功打通了智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用基于雙棧的應(yīng)用整體部署的各個(gè)環(huán)節(jié)。

雙棧技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用對(duì)于業(yè)務(wù)的推廣有良好的推動(dòng)效果。在黑龍江佳木斯建三江前進(jìn)、勝利、七星等多個(gè)農(nóng)場建立了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目基地，進(jìn)行了“智能農(nóng)業(yè)大棚”應(yīng)用試點(diǎn)，并在黑龍江859農(nóng)場完成“智能灌溉”應(yīng)用試點(diǎn)。截至本文完成，中國電信依托其基于IPv6的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用服務(wù)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(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)千標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)的服務(wù)和管理。

基于IPv6的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用服務(wù)不僅突破了既有網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的束縛，該應(yīng)用服務(wù)規(guī)模的成功發(fā)展也為社會(huì)帶來了大量增量財(cái)富。黑龍江農(nóng)墾的用戶反映，“通過（智能大棚）系統(tǒng)的實(shí)施，大大減少了農(nóng)業(yè)現(xiàn)場管理人員的投入，同時(shí)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(xiàng)目的實(shí)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(dòng)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(shù)引領(lǐng)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(shí)現(xiàn).西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,30(11):131～136

3 孫瓊,解沖鋒.CP/SP向IPv6演進(jìn)的研究與實(shí)踐.中國通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)2011年年會(huì)論文集(上冊),2011

4 孫瓊,江志峰,陳運(yùn)清.IPv4向IPv6過渡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜述.電信網(wǎng)技術(shù),2010(6):25～30