IPv6在霧計(jì)算中的應(yīng)用探討

楊艷輝 張曉鵬

摘要：隨著大量智能終端開(kāi)始接入網(wǎng)絡(luò)，帶來(lái)了計(jì)算上和數(shù)據(jù)傳輸上的指數(shù)級(jí)需求增長(zhǎng)，為解決這種矛盾，會(huì)在邊緣實(shí)時(shí)處理采集和輸入的大量數(shù)據(jù)。霧計(jì)算技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，大力推進(jìn)基于IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)，可以使我國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的承載能力和服務(wù)水平有顯著的提升，加速與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的融入與互通，現(xiàn)階段探討的在霧計(jì)算中應(yīng)用IPv6技術(shù)，為霧計(jì)算提供了廣闊的發(fā)展空間，保障霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：IPv6;霧計(jì)算;物聯(lián)網(wǎng);6LowPAN

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）17-0047-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract：Fog computing makes a large number of devices connected to the Internet， which will lead to an exponential increase in the demand for computing transmission， and a large number of data will be processed in real time at the edge. Fog computing technology is still at the stage of development， technology and standards are not yet mature. Vigorously developing the next generation Internet based on IPv6 will help to significantly enhance the carrying capacity and service level of the Internet in China and better integrate into the Internet. The application of IPv6 technology in fog computing discussed at this stage provides a broad space for the development of fog computing and guarantees the development of fog computing network.

Key words： IPv6; Fog Computing; Internet of Things; 6LowPAN

過(guò)去的幾十年里，IPv4作為全球互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)展到極致，無(wú)類域間路由（CIDR）、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等，但2011年2月IANA還是宣布已經(jīng)沒(méi)有IPv4地址可供分配了，IPv4最終要面臨地址耗盡等無(wú)法逾越的問(wèn)題，IPv6能夠提供海量IP地址，是公認(rèn)的下一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。大力推進(jìn)基于IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)，可以使我國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的承載能力和服務(wù)水平有顯著的提升，加速與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的融入與互通，有力支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，爭(zhēng)取在國(guó)際未來(lái)發(fā)展中取得主導(dǎo)地位。

2017年11月26日，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動(dòng)計(jì)劃》，加快推進(jìn)基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模部署。目標(biāo)用5到10年時(shí)間，形成下一代互聯(lián)網(wǎng)自主技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，建成全球最大規(guī)模的IPv6商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合應(yīng)用，成為全球下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要主導(dǎo)力量[1]。

霧計(jì)算是在云計(jì)算的基礎(chǔ)上引申而來(lái)，CISCO公司基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最早提出霧計(jì)算的概念，主旨思想是在云端和終端之間引入中間霧層，重點(diǎn)部署計(jì)算、存儲(chǔ)等設(shè)備。主要為一些較小的區(qū)域提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)[2]。針對(duì)這個(gè)概念，CISCO公司提出了IOx框架，讓用戶可以自行在該框架上開(kāi)發(fā)部署應(yīng)用[2]。在CISCO公司提出的概念上，HP實(shí)驗(yàn)室更為明確的定義了霧計(jì)算：“霧計(jì)算是由大量異構(gòu)普遍存在的無(wú)線（有時(shí)為無(wú)線自組織）分布式設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作在無(wú)第三方干預(yù)的情況下共同完成計(jì)算和存儲(chǔ)任務(wù)的場(chǎng)景。這些任務(wù)可能是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)等基本功能的，也可能是關(guān)于具體應(yīng)用的。用戶可以通過(guò)有償租用這些分布式設(shè)備來(lái)獲取這樣的服務(wù)[3]”。2015年11月19日，Cisco聯(lián)合ARM、Dell、Intel、Microsoft和普林斯頓大學(xué)成立了“開(kāi)放霧聯(lián)盟（OpenFog）”，旨在制定霧計(jì)算相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)變革[4]。

1 霧計(jì)算的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

霧計(jì)算系統(tǒng)被定義為是由多個(gè)相互獨(dú)立的霧節(jié)點(diǎn)（Fog Node）組成的系統(tǒng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)從物理或邏輯上可包含多個(gè)計(jì)算位置，既包括應(yīng)用服務(wù)的計(jì)算環(huán)境，還包括代表各種身份角色的資源中心、管理與控制中心[5]。霧計(jì)算具有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1.1 低延時(shí)計(jì)算

云計(jì)算中心處于Internet的遠(yuǎn)端，將會(huì)帶來(lái)較長(zhǎng)的傳播時(shí)延，對(duì)于一些對(duì)延遲敏感的應(yīng)用程序（如視頻流、在線游戲、AR等），用戶體驗(yàn)是極差的。其次，對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景支持不足，特別是對(duì)于高速移動(dòng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，司機(jī)對(duì)于路況、交通流等的感知都必須是快速且實(shí)時(shí)的。霧計(jì)算不需要云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，霧節(jié)點(diǎn)的處理結(jié)果幾乎可以實(shí)時(shí)反饋到用戶，有效地進(jìn)行低時(shí)延計(jì)算。

1.2 本地化計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)距離我們已經(jīng)越來(lái)越近，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都在隨時(shí)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，霧計(jì)算通過(guò)消除用于分析的云的往返行程來(lái)加速對(duì)事件的認(rèn)識(shí)和響應(yīng)，由此也就避免了通過(guò)從核心網(wǎng)絡(luò)卸載千兆字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)流量而增加昂貴的帶寬需求，只將必要消息發(fā)送給云它在本地分析敏感數(shù)據(jù)，而不需要將其發(fā)送到云端進(jìn)行分析，通過(guò)在本地處理選定的數(shù)據(jù)來(lái)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。其次，云計(jì)算無(wú)法滿足地理位置分布相關(guān)的感知環(huán)境的實(shí)時(shí)要求，如大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)，要求傳感節(jié)點(diǎn)定時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)更新自身的信息。

1.3 安全可靠計(jì)算

云計(jì)算的安全性和隱私性不容樂(lè)觀，在用戶和云計(jì)算中心之間需要經(jīng)過(guò)多跳的網(wǎng)絡(luò)傳輸，越深的網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性就越難保證。霧計(jì)算通過(guò)在本地分析數(shù)據(jù)來(lái)保護(hù)敏感的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

2 IPv6的主要特性

2.1 IPv6編址技術(shù)

IPv6與IPv4最大的不同之處是IPv6對(duì)IP地址字段進(jìn)行了極大的擴(kuò)充。由IPv4的32位地址擴(kuò)充為IPv6的128位，可以提供最多2的128次方個(gè)地址，一個(gè)完整的IPv6地址分為三個(gè)部分，分別是全局路由前綴、子網(wǎng)id和接口id，這種結(jié)構(gòu)可以使一個(gè)節(jié)點(diǎn)在保留同樣的接口id的同時(shí)，獨(dú)立接入網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)接口id區(qū)分節(jié)點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)前綴區(qū)分網(wǎng)絡(luò)，充分滿足萬(wàn)物互聯(lián)的海量設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。

2.2 幀格式

IPv6報(bào)頭是由六個(gè)固定字段和兩個(gè)地址字段構(gòu)成，長(zhǎng)度固定為40個(gè)字節(jié)，其中The Next Header指明了當(dāng)前報(bào)頭之后還有那些擴(kuò)展報(bào)頭，其中值得一提的是，IPv6將報(bào)頭認(rèn)證和安全信息封裝作為擴(kuò)展報(bào)頭置于基本協(xié)議之中，在協(xié)議上為互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證和加密提供了保證。

2.3 ICMPv6

在IPv6中，重新定義了ICMPv6，并且分配了擴(kuò)展報(bào)頭代碼58，與原有的ICMP協(xié)議不再兼容，功能大大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了原來(lái)的ICMP、ARP和IGMP等協(xié)議的功能，并具有差錯(cuò)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)診斷、鄰結(jié)點(diǎn)探測(cè)、替代ARP進(jìn)行地址解析、前綴重新編址、路徑MTU探測(cè)、路由器重定向、無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置，以及替代IGMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)多播組成員管理等功能，地址解析放在ICMP層中，這使得其與ARP相比，松偶合性更好，支持使用標(biāo)準(zhǔn)的IP認(rèn)證等安全協(xié)議。

ICMPv6報(bào)文可分為差錯(cuò)報(bào)告報(bào)文和信息報(bào)文兩類，差錯(cuò)報(bào)告報(bào)文主要用于返回錯(cuò)誤信息，與原有的ICMP報(bào)文類似，但只保留了目的不可達(dá)、分組過(guò)大、超時(shí)和參數(shù)錯(cuò)誤四種差錯(cuò)報(bào)告，信息報(bào)文則相對(duì)種類豐富得多，已經(jīng)定義了十多種信息報(bào)文。

3 IPv6在霧計(jì)算中的應(yīng)用

3.1滿足大規(guī)模節(jié)點(diǎn)接入

隨著大量智能終端開(kāi)始接入網(wǎng)絡(luò)，帶來(lái)了計(jì)算上和數(shù)據(jù)傳輸上的指數(shù)級(jí)需求增長(zhǎng)，為解決這種矛盾，會(huì)在邊緣實(shí)時(shí)處理采集和輸入的大量數(shù)據(jù)。在IDC公布的《中國(guó)制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)預(yù)測(cè)2016-2020年》中提到，2018年將會(huì)有40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與存儲(chǔ)，傳統(tǒng)的中心化、集中式的云服務(wù)架構(gòu)將無(wú)法交付邊緣計(jì)算的需求，響應(yīng)慢、服務(wù)中斷、安全無(wú)法保障等問(wèn)題會(huì)接踵而至。

報(bào)告同時(shí)也預(yù)言萬(wàn)物互聯(lián)的智能化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，保守估計(jì)2020年全球?qū)⒂谐^(guò)500億的終端和2120億的傳感器，其中我國(guó)約占全球數(shù)量的7%左右，大約有35億的終端，150億的傳感器，如此大的節(jié)點(diǎn)規(guī)模遠(yuǎn)超現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，而且很多的應(yīng)用要求設(shè)備具有端到端的通信能力，IPv6巨大的地址空間可以滿足大規(guī)模節(jié)點(diǎn)接入的需求。

3.2 實(shí)現(xiàn)地址自動(dòng)配置

IPv6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，可以自動(dòng)配置節(jié)點(diǎn)自己的IPv6地址，節(jié)點(diǎn)可以采用不依賴狀態(tài)或外部分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)IPv6地址自動(dòng)配置，也可以采用依賴一個(gè)外部地址分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)IPv6地址自動(dòng)配置，還可以先使用無(wú)狀態(tài)方法，再使用一個(gè)外部地址分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)IPv6地址自動(dòng)配置。在大多數(shù)情況下，不可能對(duì)霧節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)配置用戶界面，這個(gè)特性對(duì)霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，非常具有吸引力。

3.3 6LowPAN

為制定基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IETF組織在2004年底正式成立了IPv6 overLR-WPAN（簡(jiǎn)稱6LowPan）工作組，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)[6]。6LowPAN的制定推動(dòng)了無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，利于傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)端到端服務(wù)能力，涉及IoT、5G、自動(dòng)駕駛、人工智能等一攬子技術(shù)的發(fā)展，在霧計(jì)算中應(yīng)用IPv6技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)障礙已經(jīng)掃除，現(xiàn)在欠缺的是對(duì)技術(shù)部署的先進(jìn)性和前瞻性問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)IPv6在霧計(jì)算中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單探討，IPv6最終代替IPv4是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，霧計(jì)算技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，現(xiàn)階段探討的在霧計(jì)算中應(yīng)用IPv6技術(shù)，為霧計(jì)算提供了廣闊的發(fā)展空間，保障霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，在今后新的應(yīng)用出現(xiàn)時(shí)，可以避免針對(duì)IPv6的升級(jí)，IPv6的地址自動(dòng)配置特點(diǎn)對(duì)促進(jìn)霧計(jì)算發(fā)展也非常有益。

參考文獻(xiàn)：

[1] http：//www.gov.cn/zhengce/2017-11/26/content_5242389.htm

[2] BONOMI F. Connected vehicles， the internet of things， and fog computing[C]//The Eighth ACM International Workshop on Vehicular Inter-Networking （VANET）， 2011： 13-15.

[3] Vaquero L M ， Rodero-Merino L . Finding your Way in the Fog[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2014， 44（5）：27-32.

[4] https：//www.cnblogs.com/bakari/p/8371580.html

[5] 楊志和. 物聯(lián)網(wǎng)的邊界計(jì)算模型：霧計(jì)算[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2014（12）：65-67.

[6] https：//tools.ietf.org/html/rfc4944

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