IPv6對IPv4的取代：企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設中IP協(xié)議的定位

許金葉 薛悅陽

【摘 要】 物聯(lián)網(wǎng)建設需要把數(shù)以億計的物件“互聯(lián)互通”并且“相互作用”，在網(wǎng)絡地址唯一性前提下，當前IPv4地址資源呈現(xiàn)明顯不足?；谶@個背景，文章主要介紹企業(yè)在建設物聯(lián)網(wǎng)過程中應該如何選擇IP協(xié)議的相關問題，特別是分析IPv6對IPv4取代的必然性以及企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設中應用IPv6應該注意的問題。

【關鍵詞】 IP協(xié)議； IPv6； IPv4

物聯(lián)網(wǎng)的本質是網(wǎng)絡間交互作用，但是，互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)交互作用的前提條件。由于物理世界中物件數(shù)量難以計數(shù)，物的形態(tài)與性質又是千變萬化、千差萬別，如何通過網(wǎng)絡把這些千奇百怪的物件不但能夠聯(lián)系起來，保持各自的性質與狀態(tài)，而且將來能夠在網(wǎng)絡智能控制下交互作用，這就是物聯(lián)網(wǎng)建設中必須考慮與建設的標準問題。但是，隨著近30年互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開始受到網(wǎng)絡IP地址的限制。有資料顯示全球IPv4地址可能在很短時間內即將消耗殆盡，地址空間的不足必將影響互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。網(wǎng)絡IP地址不足，嚴重地制約了我國及其他國家互聯(lián)網(wǎng)的應用和發(fā)展。

基于這個背景，論文主要介紹企業(yè)在建設物聯(lián)網(wǎng)過程中應該如何選擇IP協(xié)議的相關問題，特別是IPv6對IPv4取代的必然性以及企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設中應用IPv6應該注意的問題。

一、因特網(wǎng)協(xié)議IP（Internet Protocol，IP）的發(fā)展歷程

互聯(lián)網(wǎng)建設的終極目標是：網(wǎng)絡是中立和無控制的，任何人都沒有決定權；網(wǎng)絡的應用是無關的，網(wǎng)絡的任務就是如何更好地傳輸數(shù)據(jù)報。因此，要建立一個可以無縫鏈接到其他網(wǎng)絡的系統(tǒng)和如何設計一個面向未來的網(wǎng)絡，就需要一個大家都接受的網(wǎng)絡協(xié)議。這個協(xié)議就叫因特網(wǎng)協(xié)議，也叫IP協(xié)議產(chǎn)生的前提條件，也是IP協(xié)議的重要作用。

IP協(xié)議最早形成于美國國防部高級研究項目局資助的工程所開發(fā)的協(xié)議（叫1822協(xié)議），在1970年為網(wǎng)絡控制協(xié)議（Network Control Protocol，NCP）所取代，NCP協(xié)議的目的是通過接口消息處理機（Interface Message Processor，IMP），現(xiàn)在也稱為智能物件的路由器，把網(wǎng)絡上的各個站點聯(lián)起來。Vint Cerf和Robert Kahn后來設計網(wǎng)絡傳輸控制協(xié)議TCP（Transport Control Protocol，TCP）來取代網(wǎng)絡控制協(xié)議NCP，由于兩者沒有分開，就統(tǒng)稱TCP/IP。在因特網(wǎng)協(xié)議（也叫IP協(xié)議）里，使用最為廣泛的兩個協(xié)議是傳輸協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（User Datagram Protocol，UDP）。傳輸協(xié)議位于IP協(xié)議之上，為應用提供一種無須直接與IP層交互的通信機制。應用程序并不直接使用IP，而是通過傳輸協(xié)議相互通信。由于下層IP網(wǎng)絡盡最大可能傳遞數(shù)據(jù)報，但無法保證數(shù)據(jù)報一定可以到達目的地，也無法保證數(shù)據(jù)報的交付順序和發(fā)送時的順序相同，因此，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP在IP層之上提供了一個附加層來解決前面的問題。IP使用地址標識因特網(wǎng)中的主機，UDP使用端口標識主機的每一個進程。端口是一個16bit的數(shù)值，用來區(qū)分每個端點不同的發(fā)送者和接收者。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP提供一種盡力而為的傳送服務。

IPv4（TCP第4版）是在1982年設計，廣泛并成功地部署到全世界大量公用網(wǎng)絡和私有網(wǎng)絡中的數(shù)以億計的主機和路由器上。IPv6（TCP第6版）的發(fā)展是從1992年開始的，由IETF設計的下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，目的是取代現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第四版（IPV4）。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，IPv6的標準體系已經(jīng)基本完善，在這個過程中，IPv6逐步優(yōu)化了協(xié)議體系結構，為業(yè)務發(fā)展創(chuàng)造了機會。

隨著物聯(lián)網(wǎng)建設的發(fā)展，許多客觀世界中的物要通過智能物件經(jīng)過網(wǎng)絡聯(lián)系并能夠交互起來。這就需要IP協(xié)議能夠唯一識別并有效地把智能物件聯(lián)系起來。因此，一下子擴充了的網(wǎng)絡地址及其網(wǎng)絡操作發(fā)展中互通性、可擴展性、架構的穩(wěn)定性和普遍性受到人們的重視。

二、IPv6對IPv4取代：物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然

IPv4協(xié)議已經(jīng)使用了30多年，不可否認，IPv4在因特網(wǎng)的發(fā)展進程中起到了舉足輕重的作用。甚至今天的因特網(wǎng)中絕大多數(shù)仍是使用IPv4協(xié)議。但是，隨著計算機及路由器的迅速發(fā)展，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，IPv4的弊端日益明顯，IP6取代IP4成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必需，具體如下：

（一）IPv6對IPv4的取代能夠解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中網(wǎng)絡地址的不足

當前，IPv4地址資源有限。從理論上講，編址1 600萬個網(wǎng)絡、大約43億個電腦可以聯(lián)到Internet上。但采用A、B、C三類編址方式后，可用的網(wǎng)絡地址和主機地址的數(shù)目大打折扣，以致目前的IP地址近乎枯竭。最近美國ARIN發(fā)布報告，A類地址已分配完；62%B類地址已分配；37%C類地址已分配，IPv4的地址空間將面臨耗盡的危險。IPv6產(chǎn)生的初衷主要是針對IPv4地址短缺問題，即從IPv4的32bit地址，擴展到了IPv6的128bit地址，充分解決了地址匱乏問題。同時，IPv6網(wǎng)絡中一個接口可以有一個或多個IPV6地址（包括單傳波地址、任播地址和多播地址），這也進一步增加了地址應用的擴展性。

（二）IPv6對IPv4的取代能夠解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中互通性、可擴展性、架構的穩(wěn)定性和普遍性的需要

1.IPv6取代IPv4，更能夠適應物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸控制的發(fā)展

網(wǎng)絡能夠互聯(lián)互通是網(wǎng)絡在任何數(shù)據(jù)改善之前，兩個端口之間必須建立一個鏈接。鏈接由端點的IP地址和TCP端口之間唯一確定。TCP在盡力而為的IP層之上提供一個可靠的字節(jié)流來傳輸服務，它通過緩沖數(shù)據(jù)并結合主動確認和重傳機制，實現(xiàn)傳輸可靠性；同時，TCP還提供包括建立和拆除鏈接的可靠方式?？傊琓CP以更大的報頭和更為復雜的傳輸層協(xié)議的邏輯為代價降低了應用的復雜程度。

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，智能物件有芯片內存低、信息吞吐量低等特點。同時，用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的UDP協(xié)議存在兩個缺點：UDP不為傳輸過程中丟失的數(shù)據(jù)報提供任何恢復機制，丟失的數(shù)據(jù)報由應用來恢復；同時，UDP不為應用提供任何機制來將數(shù)據(jù)割成大小適合網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊。因此，必須計算出適合網(wǎng)絡傳送的分組數(shù)據(jù)大小，并相應地調整數(shù)據(jù)報。而這些功能TCP不但提供傳輸可靠性，還提供了一種自適應分組傳送報文大小的機制。這些功能就要求TCP的地址能夠把數(shù)量巨大的智能物件按唯一的身份聯(lián)系起來。因此，IPv6取代IPv4，更能夠適應物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸控制的發(fā)展。

2.IPv6取代IPv4更能夠適應物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中互通性、可擴展性、架構的穩(wěn)定性和普遍性的需要

隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息技術的發(fā)展，雖然智能物件具有一定的智能，但是，它們畢竟是沒有智慧的物體，不能夠像人那樣熟悉直接操作網(wǎng)絡。因此，相對人來說，智能物件對物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡協(xié)議有更多的特殊要求，比如：可擴展性、互通性、架構穩(wěn)定性和普遍性等。

智能物件對IP協(xié)議的可擴展性需求是指IP協(xié)議能夠內在支持智能物件的發(fā)展而具有可持續(xù)開發(fā)的機制；智能物件對IP協(xié)議的互通性需求是指IP協(xié)議能夠支持智能物件之間以及智能物件和網(wǎng)絡基礎設施之間可持續(xù)的互通性，這就要求IP協(xié)議提供網(wǎng)絡、應用和協(xié)議在網(wǎng)絡中不同鏈路層內和層間的互通性；智能物件對IP協(xié)議的架構穩(wěn)定性和普遍性的需求是指雖然IP協(xié)議的可擴展很重要，但是IP協(xié)議的架構穩(wěn)定性和普遍性對智能物件在生命周期內具有重要意義。

總之，IPv4近20年的空前成功，已經(jīng)證明了IPv4協(xié)議設計的基本思想、構架是值得肯定的。IPv6并不是一個全新的網(wǎng)絡協(xié)議標準，沒有完全推翻IPv4的所有思路和結構，它總結IPv4近20年來運營所獲得的豐富經(jīng)驗和教訓，繼承IPv4協(xié)議運行的主要優(yōu)點，最后進行了大幅修改和功能擴充。例如：針對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要，除了具有龐大的地址空間外，IPv6對IPv4功能上進行了發(fā)展，簡易靈活的頭部格式、網(wǎng)絡資源可進行預分配、更高的安全性、支持即插即用和移動性。由于這些特性技術含量較高，這里不進行具體介紹。智能物件由于自身的特殊性對物聯(lián)網(wǎng)的IP協(xié)議具有特殊的要求，新一代的IPv6能夠為物聯(lián)網(wǎng)的應用和服務提供可橫跨多種通信技術的互通、可擴展、穩(wěn)定和普遍的網(wǎng)絡架構協(xié)議，為互聯(lián)網(wǎng)換上一個簡捷、高效的引擎，這樣不僅可以解決IPv4目前的地址短缺難題，而且可以使物聯(lián)網(wǎng)擺脫日益復雜、難以管理和控制的局面，變得更加穩(wěn)定、可靠、高效和安全。

三、企業(yè)應用IPv6應該注意的主要問題

隨著3G通訊業(yè)務、智能手機等多種個人智能終端、超高速家庭網(wǎng)絡的發(fā)展，針對網(wǎng)絡地址不足等問題，我國已經(jīng)起動IPv6取代IPv4的工程。這對物聯(lián)網(wǎng)建設具有重要的現(xiàn)實意義。但是，正如每一個新生事物一樣，IPv6也有其不足的地方，企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)建設中應用IPv6除了進行詳盡的規(guī)劃與設計外，還應該主要注意過渡性問題與安全問題。

（一）過渡性問題

雖然IPv4有上述缺陷以及IPv6協(xié)議標準的成熟具有取代IPv4位置的必然趨勢，但是，這種取代的過程必然會經(jīng)歷一個相對漫長的過程。同時，盡管IETF在設計IPv6的時候已經(jīng)充分考慮了和IPv4的兼容性，但是這兩個版本不是完全兼容的。因此，企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)建設中必須考慮由IPv4向IPv6過渡的問題。首先是處理好IPv4向IPv6遷移時應該考慮的地方：Ipv4與Ipv6的主機必須可互操作；Ipv6主機和路由器的使用必須簡單，逐漸地分布普及到整個Internet，不能有太多的相互依賴性；網(wǎng)絡管理員和最終用戶必須認為這種遷移容易理解和執(zhí)行。其次是注意過渡技術的選擇，即雙協(xié)議棧技術、隧道技術和網(wǎng)絡地址轉換技術。

（二）安全性問題

引入IPv6出現(xiàn)的安全問題主要來源于兩方面：一方面是由于IPv6本身的缺陷所引發(fā)的安全問題；另一方面是由于IPv6的過渡技術引發(fā)的安全問題。由IPv6本身的缺陷引發(fā)的安全問題有：IPv6現(xiàn)在遇到的安全威脅主要包括地址掃描、非法訪問、分片、路由協(xié)議的認證、蠕蟲攻擊、對ICMPv6的攻擊、對鄰居發(fā)現(xiàn)的攻擊以及對無狀態(tài)地址自動配置的攻擊等；過渡技術引發(fā)的問題有：雙棧技術的安全問題、隧道技術的安全問題、地址翻譯技術的安全問題等。

四、結論與啟示

物聯(lián)網(wǎng)建設需要把數(shù)以億計的物件“互聯(lián)互通”并且“相互作用”，企業(yè)在建設物聯(lián)網(wǎng)過程中應該選擇IPv6對IPv4取代的IP協(xié)議的標準是：不僅要有充足的地址資源，更需要IPv6能夠在網(wǎng)絡操作發(fā)展中有更好的互通性、可擴展性、架構的穩(wěn)定性和普遍性。

IPv6對IPv4是一個不能夠相互兼容的IP協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)建設從IPv4向IPv6遷移產(chǎn)生不少的過渡困難。這給大家的啟示便是能夠有統(tǒng)一的標準，不僅是技術標準，也包括管理標準。如果說IPv4向IPv6遷移中技術問題比重較大的話，那么，基于物聯(lián)網(wǎng)會計云計算建設中就會克服更多的需要統(tǒng)一的管理標準。如：當前，由于沒有統(tǒng)一的云計算標準，Google、Amazon、微軟、IBM等公司紛紛推出自己的云計算平臺和云計算的實務標準。這就導致了不同廠商的服務出現(xiàn)兼容性問題。如何通過溝通協(xié)作，把這些實務標準變成統(tǒng)一標準需要大家共同努力。

【參考文獻】

[1] Jean-Philippe Vasseur， Adam Dunkels.基于IP的物聯(lián)網(wǎng)架構、技術與應用[M].人民郵電出版社，2011.