物联网与IPv6

摘要：本文介绍了物联网的基本情况，指出了物联网通信技术发展的瓶颈问题，最后分析IPv6在解决未来物联网通信技术中扮演的重要角色和关键技术。

关键词：物联网；IPv6；地址分配

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 06-0112-01

一、引言

物联网，又称泛在网、感知网，通过传感技术将现实世界的信息互联，使物物联通。其概念包含了两层含义：一、物联网的核心和基础是互联网和传感器，从某种意义上我们可以将它视为互联网的延伸和扩展；二、其用户端可以包括现实世界中的任何物体和信息。整个物联网的概念涵盖了从网络到终端，从应用到服务、从数据采集到智能控制等多方位的技术。

二、物联网的网络环境

根据互联网的层次理论，我们把物联网的架构划分为三层，包括能够全面感知物品信息的感知层、负责通信联络的网络层和最终的应用层。这三个层次为物联网的全方位感知、可靠传送、智能处理提供了重要保障。网络层和应用层所需数据信息全部来源于感知层，这就要求感知层提供的信息必须全面、可靠，数据信息的采集和转换目前主要利用传感器及其互联网络、射频识别技术RFID、GPS短信、红外感应等作为执行设备。

由于感知终端上的采集设备由不同的厂家提供，缺乏统一的协议，因此采集得到的数据也只适用于自家话桑麻，规范集成管理就成了天方夜谭，对应用层的构建提供了大大的障碍。造成这种局面的根本是网络层通信标准的不一致，应用程序的开发都是小作坊式的私营模式。节点之间的码号寻址需求提到了最高层，从国际和国内两个方面看，IPv4地址不足已无论论述。基于这方面的需求，物联网和IPv6产生了广泛的联系。

三、物联网IPv6协议的相关技术

（一）IPv6的扩展编址技术

IPv6的诞生与IPv4的耗竭有直接关系。IPv6采用128bit地址长度，前64位用来表示该地址所属的子网络，称为地址前缀，后64位用来在子网中标识节点，称为接口地址。这样IPv6按照地址位数严格划分地址，而不是像IPv4那样用子网掩码来区分子网号和主机号。同一子网下可以标识264个节点，几乎可以不受限制地提供IP地址，解决IP地址耗尽危机。使每件物品都可以直接编址，从而确保了端到端连接的可能性。

128bit的地址长度提供了海量编址，那么接来下的问题就是如何高效率地分配这些海量地址？IPv6提供了无状态地址分配的方案。这个方案中，网络侧不参与地址的分配过程，终端设备连接到网络中后，通过算法自动生成接口地址，加上前缀地址（FE80），形成节点的本地链路地址，该地址只在相邻地之间通信有效。网络地址转换（NAT）机制引入IPv4的目的很明确，就是为了提高网络区段和地址空间的重复使用率。这种机制无异于画饼充饥，虽然暂时缓解了IPv4地址紧缺的问题，却为网络设备与应用程序增加了处理地址转换的负担，并非解决问题的根本方法。这样，网络侧无需保存节点的地址状态，也不需要维护地址的更新周期，大大简化了地址的分配过程，节省了资源。

（二）IPv6的报头压缩技术

IPv6为了更可靠、更安全地传输数据，双管齐下，软硬兼施。IPv6提供了远远大于64KB的数据包容量，并简化了报头定长结构，采用了较之以前更加合理的分段方式，这样就能大大地提高路由器转发数据的效率。不仅如此，轻装的IPv6数据包封装还可以在低消耗的同时传输更多的数据，从而减少感知层的感知设备的数量，降低开销和能耗。

我们简要分析一下报头压缩技术，报头占整个包长的很大一部分，而报头里面又存在大量的重复信息。在使用IPv6协议的网络中，有很多信息域可以缩减甚至省略。不包含扩展头的IPv6报头一共有40个字节，但是在网络的感知层，IPv6报头中的很多信息可以压缩或者干脆省略，IPv6报头中的各个信息域的压缩方法如下：

（1）Version（4位）：版本号，取值为6，此项可以省略。

（2）Traffic Class（8位）：流类型，可以采用压缩编码技术进行压缩。

（3）Flow label（20位）：流标识，可以采用压缩编码技术进行压缩。

（4）Payload Length（16位）：载荷长度，因为IP头长度可以通过MAC头中的载荷长度字段计算得到，故可省略。

（5）Next Header（8位）：下一个头，可以采用压缩编码技术进行压缩。

（6）Hop Limit（8位）：跳极限，惟一的不可压缩信息。

（7）Source Address（128位）：源地址，可以省略掉前缀或者IID。

（8）Destination Address（128位）：目标地址，可以省略掉前缀或者IID。

对IPv6报头进行无状态压缩，可以采用6LowPan制定的LOWPAN_HC1和LOWPAN_IPHC算法。其中HC1算法用于使用本地链路地址（Link-local Address）的网络，节点的IPv6地址前缀固定（FE80：：/10），IID可以由MAC层的地址计算而来，但是这种算法不可用于LOWPAN网络与Internet互访的应用，原因是无法有效压缩全局的可路由地址和广播地址。LOWPAN_IPHC算法的提出主要是为了解决这个问题，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LowPan进行最后的修订。

（三）IPv6的强制传输机制

作为安全联网的长期方向，IPSec通过端对端的安全性来提供主动的保护以防止VPN与互联网的相互攻击。IPSec在IPv4中为可选项，而在IPv6协议族中则是强制的一部分。IPv6内置的安全扩展包头使网络层的数据传输、加密解密变得更加容易。IPv6通过提供全球唯一地址与嵌入式安全，无论从宏观还是围观的角度，都提供了安全服务的同时，同时又顾全了对网络性能。

IPv6安全机制加强了网络层对安全的责任，从网络层保障物联网通道的安全性，同时协议栈中的安全体系为VPN等安全应用提高了互操作性。

四、结束语

目前由于物联网没有形成统一的感知标准，所以难以大规模互通。IP协议作为互联网的统一标准，肩负着保障物联网长期可持续发展的历史使命，成为了物联网标准研究和技术应用的一种方向。IPv6的诸多特性表明，它将为未来物联网的大规模应用提供基础。物联网的IPv6技术不断地推陈出新、自我修补，期待着未来会有越来越多的网络应用采用IPv6协议，从真正意义上实现世界的联通。美国总统奥巴马提出“物联网经济促进论”，总理将“感知中国”的中心定在无锡，我们有理由相信，未来物联网的产业规模将远远超越互联网。

参考文献：

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[2]梅方权.智慧地球与感知中国-物联网的发展分析[J].农业网络信息,2009,12

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[4]Martin Peter Michael.Architectural Solutions for Mobile RFID Services for the Internet of Things,2008