芻議IPv6在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

張 燦

（廣東省電子商務(wù)技師學(xué)院計算機(jī)系 廣東 510663）

1 物聯(lián)網(wǎng)的定義及技術(shù)架構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

所謂物聯(lián)網(wǎng)，簡稱IOT（全稱為Internet of things），在中國普遍叫它傳感網(wǎng)或者泛在網(wǎng)。其實物聯(lián)網(wǎng)就是將各種不同的信息傳感設(shè)備（即“物物相連”但也并非單純的“物物相連”）通過互聯(lián)網(wǎng)這個媒介與各種實物進(jìn)行有效結(jié)合所

編織而成的一個巨型的全新網(wǎng)絡(luò)。他包含的意思有兩層：首先，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，他只是互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行延展后的產(chǎn)物；其次，它的用戶端不再只有個人，而是涵蓋任何形式的物品，所以他的終端可能非常復(fù)雜，也可能很簡單，但是它的功能非常單一并且無法加載哪些比較復(fù)雜的處理算法?，F(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)的定義包括從終端到網(wǎng)絡(luò)、從應(yīng)用到服務(wù)、從處理數(shù)據(jù)采集到智能控制等各個方面，所以它擁有非常繁雜的技術(shù)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

一般來講，人們往往喜歡將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)分成三層，他們分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其中感知層主要是由不同類型的傳感器通過特定的連接方式所組成，然后控制者可以通過網(wǎng)絡(luò)工具實現(xiàn)對各種物的信息的識別，因此也有很多人將感知層叫做傳感器網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層有一些相似之處，但也有不同的地方。它們的相似之處是：他們都是把低層傳來的信息通過網(wǎng)絡(luò)這個媒介向外進(jìn)行發(fā)送。二者不同之處是：物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層所傳遞的物的信息是從傳感器傳來的，而互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層中傳遞的則是數(shù)據(jù)包信息。而所謂的應(yīng)用層，則是一個能夠提供人與物交互的接口以及交互的平臺，從網(wǎng)絡(luò)層傳來的“物的信息”人是無法直接識別的，而是通過應(yīng)用層，將這些機(jī)器設(shè)備的“物的信息”進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為人能夠識別的信息，只有這樣，人菜可以實施對物聯(lián)網(wǎng)中的各個物體進(jìn)行操作與管理。當(dāng)然了，這必須與具體產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來，才能淋漓盡致地體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)的巨大價值?，F(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)在機(jī)場安保工作、下水道管線狀態(tài)的監(jiān)控等案例中得到了成功使用。

2 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)二者之間的關(guān)系

上面也提到，這二者之間既有不同之處也密不可分。主要體現(xiàn)在：首先，物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的，物聯(lián)網(wǎng)只有立足于互聯(lián)網(wǎng)，才能更好地發(fā)展，因為物聯(lián)網(wǎng)也是需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搭建的，如果為了發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)而對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新的搭建，不僅需要浪費(fèi)大量的人力和時間，還會浪費(fèi)大量現(xiàn)有的資源。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)中的第一層是由許多傳感器共同組成的“傳感器網(wǎng)絡(luò)”，這個方面與互聯(lián)網(wǎng)中包含大量的終端是極其相似的，因此我們完全可以借鑒這些終端收集處理信息的方法以及相關(guān)的技術(shù)，這樣能夠節(jié)省大量的人力和財力資源；然后，傳感器所收集到的信息在傳輸?shù)倪^程中必須經(jīng)過好像互聯(lián)網(wǎng)的路由、數(shù)據(jù)重組等環(huán)節(jié)。鑒于此，我們完全能夠以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)和依托，再利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)配上與之對應(yīng)的針對性技術(shù)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的成功傳遞。這樣做會比專門研究物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸要簡單方便的多；最后，我們能借鑒互聯(lián)網(wǎng)對傳輸質(zhì)量控制的技巧，但也不能生搬硬套，例如：一臺基于物聯(lián)網(wǎng)的手術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和完整性方面比互聯(lián)網(wǎng)的要求要高出很多，因此，物聯(lián)網(wǎng)自身發(fā)展必須具備特有的技術(shù)。

3 目前物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)困境

物聯(lián)網(wǎng)從提出概念到起步發(fā)展到目前為止還不到兩年，在這兩年中，對于物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了不錯的成果，從起初的定義不明確到提出現(xiàn)在的完整定義，衍生出許多具有實際意義的理論與方法，在實踐上也得到了一定程度的運(yùn)用，但還僅僅局限于某些特定的領(lǐng)域，并未得到全球化的普及。雖然如此，但是不可否定的是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前正處于一個飛速發(fā)展的時期，已經(jīng)引起了各國政府及研究機(jī)構(gòu)的特別關(guān)注。如果物聯(lián)網(wǎng)中的哪些關(guān)鍵性技術(shù)得不到解決，勢必會造成物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度緩慢。下面將介紹當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中所面臨的瓶頸問題—節(jié)點問題。

3.1 節(jié)點連接問題

物聯(lián)網(wǎng)廣泛的應(yīng)用范圍以及巨大的節(jié)點規(guī)模既帶來了巨大商機(jī)，與此同時也帶來了技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)。第一，物聯(lián)網(wǎng)是由規(guī)模龐大的節(jié)點連接而成，目前來說，無論是采用自組織方式，或者是采用公眾網(wǎng)連接方式，這些節(jié)點之間的通信很容易出現(xiàn)尋址方面的問題。現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的尋址系統(tǒng)一般采用的有兩種方式，第一種是采用基于 E.164（也叫做 "E.164號碼映射"或“電話號碼映射”，是使用 E.164地址和動態(tài)授權(quán)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)（DDDS）和域名系統(tǒng)（DNS）將電話系統(tǒng)與因特網(wǎng)統(tǒng)一的一組協(xié)議。）電話號碼編址的尋址方式，但目前為止絕大部分物聯(lián)網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議還是TCP/IP協(xié)議（TCP/IP是一個協(xié)議族，是因為TCP/IP協(xié)議包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等許多協(xié)議，這些協(xié)議一起稱為TCP/IP協(xié)議。），這樣一來，電話號碼編址的方式必然需要轉(zhuǎn)換電話號碼與IP的地址，這勢必會提高在技術(shù)方面的難度，還大大的增加了技術(shù)成本。除此之外，因為E.164 編址體系本身的地址空間不大，根本就不能滿足規(guī)模巨大的節(jié)點的地址需求；另一種是直接采用IPv4地址的尋址體系來尋找物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點地址，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，IPv4的地址已經(jīng)越來越少，以當(dāng)前的地址消耗速度來看，IPv4地址空間已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)地址的海量需求了。

3.2 現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的移動能力不夠也造成了物聯(lián)網(wǎng)移動能力差

其實這是一個歷史遺留問題，為什么這么說呢？因為IPv4協(xié)議在設(shè)計之初并未充分考慮到節(jié)點移動性所造成的路由問題，意思就是說當(dāng)一個節(jié)點脫離了原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并不能保證這個節(jié)點訪問的可達(dá)性。由于IP網(wǎng)絡(luò)路由自身的聚合特征，它在網(wǎng)絡(luò)路由器中的所有路由條目全部都是按子網(wǎng)匯聚在一起的，所以當(dāng)節(jié)點離開原有網(wǎng)絡(luò)之后，其原來的IP地址隨之也會離開該子網(wǎng)，而節(jié)點移動至目的子網(wǎng)位置以后，網(wǎng)絡(luò)路由器路由表中并不能顯示該節(jié)點的相關(guān)路由信息，這樣一來會直接造成外部節(jié)點不能找到移動后的節(jié)點位置。正因如此，必須要通過特殊機(jī)制來支持節(jié)點的移動能力，根據(jù)多次研究后，發(fā)現(xiàn)在IPv4中IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組，負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和推動。）提出了 M IPv4（也叫移動 IP）的機(jī)制可以做到這一點。但有一個弊端就是，這樣的機(jī)制對于量比較少的節(jié)點的移動，引起的網(wǎng)絡(luò)資源損耗比較少，而對于節(jié)點比較多的移動，尤其是物聯(lián)網(wǎng)中特別的節(jié)點群移動以及層移動，會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源瞬間就會被消耗殆盡，這樣會直接造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量尚存一些亟待解決的問題

目前 IPv4網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn) QoS（英文名叫 Quality of Service）（它的含義是指服務(wù)質(zhì)量，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)。）的有兩種技術(shù)，第一種是采用資源預(yù)留的方式，這是應(yīng)用RSVP等協(xié)議保存一定的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源，并且在數(shù)據(jù)包傳送當(dāng)中確保其傳輸?shù)馁|(zhì)量的上乘；第二種是采用Diffserv技術(shù)（也叫區(qū)分服務(wù)）（它是IETF工作組為了克服Inter-Serv的可擴(kuò)展性差在1998年提出的另一個服務(wù)模型，目的是制定一個可擴(kuò)展性相對較強(qiáng)的方法來保證IP的服務(wù)質(zhì)量。），由IP包自身攜帶優(yōu)先級標(biāo)記，然后再通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以這些優(yōu)先級標(biāo)記為基礎(chǔ)來反應(yīng)出包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先方法。目前在 IPv4網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)質(zhì)量是從流的類型出發(fā)來進(jìn)行劃分的，使用Diffserv來保證端到端的服務(wù)質(zhì)量，例如：我們所熟知的視頻業(yè)務(wù)當(dāng)中是有低丟包、時延以及抖動等要求的，就給它分配較高的服務(wù)質(zhì)量等級；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對丟包、時延、抖動不敏感，這時候如果分配較低等級的服務(wù)質(zhì)量，這只是考慮了業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)方面的質(zhì)量需求，而并未考慮到業(yè)務(wù)的應(yīng)用方面的質(zhì)量需求。鑒于此，物聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)質(zhì)量保障必須結(jié)合具體的應(yīng)用情況，特殊情況進(jìn)行特殊對待。

3.4 需要重新考慮物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的安全性和可靠性

因為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點往往會受成本制約很多都是建立在簡單硬件基礎(chǔ)上的，這樣是無法處理較為復(fù)雜的應(yīng)用層加密算法，而且單節(jié)點的可靠性也很低，因為節(jié)點的可靠性主要還是要以多節(jié)點冗余來作為保證。所以，想要靠傳統(tǒng)的應(yīng)用層加密技術(shù)或者網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)已經(jīng)無法達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的需求了。

4 IPv6 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案

4.1 IPv6地址技術(shù)

在地址技術(shù)上，IPv6較之過去已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，它由128位2進(jìn)制組成，其龐大的地址空間是不言而喻的，這不僅解決了互聯(lián)網(wǎng)地址極度缺乏的問題，同時也為物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展帶來了深遠(yuǎn)的影響，經(jīng)過計算可以得知，IPv6 地址技術(shù)包含185億億個地址，這完全可以保證物聯(lián)網(wǎng)對龐大地址的需求，除此之外，由于地址足夠多，已經(jīng)不需要使用傳統(tǒng)的NAT進(jìn)行轉(zhuǎn)換了，這可以讓網(wǎng)絡(luò)把更多的資源全部用在數(shù)據(jù)傳輸上而不是之前的轉(zhuǎn)換地址上既節(jié)省了大量的時間，也節(jié)省了精力。與此同時128bit的IPv6的地址由兩部分組成，即地址前綴和接口地址。這與IPv4 地址劃分不同之處在于：IPv6地址的劃分是嚴(yán)格遵循地址的位數(shù)來進(jìn)行的，而不是采用IPv4中的子網(wǎng)掩碼來對網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號進(jìn)行區(qū)分的。其中，IPv6地址的前 64位被稱作地址前綴，地址前綴是用來表示該地址是屬于哪個子網(wǎng)絡(luò)的。而地址的后64位被稱作接口地址，接口地址用于子網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點標(biāo)識的。通常情況下，我們在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用當(dāng)中都是使用IPv6地址中的接口地址對節(jié)點進(jìn)行標(biāo)識的。另外，IPv6為了解決海量地址分配的問題所采用的是無狀態(tài)地址分配的解決方案。其基本指導(dǎo)思想是網(wǎng)絡(luò)側(cè)不對IPv6地址進(jìn)行管理，包括節(jié)點應(yīng)用何種地址、地址有多長的有效期，且不參與地址的分配過程。當(dāng)節(jié)點設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)后，將會自動選擇接口地址，并配以FE80（IPv6地址的分類）的前綴地址，以此來作為節(jié)點的本地鏈路地址（本地鏈路地址只在節(jié)點與鄰居之間的通信中才有效）。在生成本地鏈路地址以后，節(jié)點會進(jìn)行DAD（也叫做地址沖突檢測），目的是檢測該接口地址是否已經(jīng)被鄰居節(jié)點使用，如果發(fā)現(xiàn)有地址沖突的情況，無狀態(tài)地址分配過程必須得立馬終止，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為手工配置IPv6地址。如果顯示檢測定時器已經(jīng)超時卻仍然沒有發(fā)現(xiàn)地址之間發(fā)生沖突，則表明該接口地址能夠利用，還有一點需要提起的是，由于IPv6全新的地址架構(gòu)無需再去構(gòu)建專門的DHCP服務(wù)器（動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，它是一個局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用UDP協(xié)議工作，主要有兩個用途：給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商自動分配IP地址，給用戶或者內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員作為對所有計算機(jī)作中央管理的手段。），因為對于如此龐大的地址分配，并沒有這樣高性能的服務(wù)器，于是，IPv6中對地址采取的是一種叫做無狀態(tài)地址的分配方式。通俗的講，就是將設(shè)備接到網(wǎng)絡(luò)以后，使用網(wǎng)絡(luò)的自動配置功能獲取一個唯一的地址，這樣一來既能大幅簡化分配過程，很大程度上減少了網(wǎng)絡(luò)資源的消耗，還能大大提高主網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

4.2 IPv6的移動性技術(shù)

IPv6協(xié)議設(shè)計的初期已經(jīng)充分考慮了對移動性的支持。IPv6特別針對移動IPv4網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的三角路由問題，相應(yīng)的提出了解決方案。第一點，IPv6從終端角度提出了IP地址對于如何緩沖進(jìn)行了綁定。也就是IPv6協(xié)議棧在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前必須經(jīng)過查詢IPv6數(shù)據(jù)包目的地址來對其進(jìn)行綁定，若其中存在綁定的地址有轉(zhuǎn)交情況，則可以直接使用這個轉(zhuǎn)交地址當(dāng)做數(shù)據(jù)包的最終目標(biāo)地址，通過這種形式發(fā)送出的數(shù)據(jù)會直接轉(zhuǎn)發(fā)至移動節(jié)點自身。第二點，M IPv6引入了節(jié)點移動探測的特殊方法，通俗一點講就是將某一特定區(qū)域的接入路由器進(jìn)行路由器接口的前綴通告，如果移動節(jié)點發(fā)現(xiàn)路由器前綴通告突然發(fā)生了改變，那么就說明節(jié)點已經(jīng)移動到新的接入?yún)^(qū)域。并且可以根據(jù)移動節(jié)點獲得的通告生成新的轉(zhuǎn)交地址。除此之外，傳感器在M IPv6的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行群切換的過程中，只需向家鄉(xiāng)代理注冊即可，之后的通信則完全由傳感器和數(shù)據(jù)采集的設(shè)備之間發(fā)生接觸，這樣便可以大大降低網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。由此可見，在大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，尤其是移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，它是一項非常實用的技術(shù)。

4.3 IPv6的服務(wù)質(zhì)量技術(shù)

IPv6在保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面也起到至關(guān)重要的作用，它在數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中已經(jīng)對流量類別字段以及流標(biāo)簽字段進(jìn)行了概念的確定。其中流量類別字段有8位，與IPv4的服務(wù)類型字段功能一模一樣，這可以用于標(biāo)識報文的業(yè)務(wù)類別。而流標(biāo)簽字段有20位，它主要對屬于同一業(yè)務(wù)流的包進(jìn)行標(biāo)識。這樣做的好處在于可以非常方便的對有相同QoS要求的流進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的處理。與IPv4相比，由于IPv6的流標(biāo)簽有20 bit，因此它能夠?qū)Υ罅抗?jié)點的數(shù)據(jù)流進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)然IPv6 的QoS 特性在目前為止還有待進(jìn)一步的完善，這是因為我們平常使用的流標(biāo)簽位于IPv6包頭，所以極易被模仿和偽造，因此經(jīng)常發(fā)生服務(wù)盜用現(xiàn)象。針對這一情況，在IPv6中必須要開發(fā)出相應(yīng)的認(rèn)證加密系統(tǒng)對其進(jìn)行有效保護(hù)。

4.4 IPv6的安全性技術(shù)與可靠性技術(shù)

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中節(jié)點連接的方式并不簡單，節(jié)點可以通過有線方式連接到網(wǎng)絡(luò)，也可以通過無線方式連接到網(wǎng)絡(luò)，所以節(jié)點的安全保障是一個大問題。如果使用的是IPv4技術(shù)，黑客能夠通過在網(wǎng)絡(luò)中掃描主機(jī)IPv4地址來獲取節(jié)點的位置，并很容易就能夠查找出漏洞。但是在IPv6當(dāng)中，由于同一個子網(wǎng)支持的節(jié)點數(shù)量極大（前面已經(jīng)描述過），黑客如果通過掃描的方式則很難找到主機(jī)。與此同時，由于IP 地址是分段進(jìn)行設(shè)計的，它已經(jīng)分離了用戶信息與網(wǎng)絡(luò)信息之間的銜接，這不僅在網(wǎng)絡(luò)中可以實時監(jiān)控黑客行為，還大大的方便了用戶在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行實時定位，從而充分地發(fā)揮出了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控能力。

5 結(jié)束語

綜上所述，IPv6具有很多適合物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的各種特性，相比之前的IPv4在技術(shù)上已經(jīng)有了很大的飛躍。但目前仍然存在一些技術(shù)問題亟需解決，例如，無狀態(tài)地址分配中的安全性問題，移動 IPv6 中的綁定緩沖如何保障其安全問題，以及流標(biāo)簽如何進(jìn)行安全防護(hù)和全球任播技術(shù)的研究問題等等。雖然 IPv6 還有許多的細(xì)節(jié)技術(shù)方面需要不斷的完善，但從它的整體應(yīng)用來看，使用IPv6具有最大的兩個好處：一是能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的海量地址需求；二是能保障物聯(lián)網(wǎng)對節(jié)點移動性、節(jié)點冗余、基于流等的服務(wù)質(zhì)量的上乘，基于這兩點IPv6在未來是很有希望成為物聯(lián)網(wǎng)取代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一項關(guān)鍵性的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

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