IPv6技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

賈美英

（太原生態(tài)工程學(xué)校，山西 太原 030025）

一、物聯(lián)網(wǎng)概念及技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)，簡(jiǎn)言之就是物與物相互連而形成的網(wǎng)絡(luò)，但又不是單純的物物相連，它除了各種實(shí)物之外，還有為實(shí)時(shí)采集這些實(shí)物的狀態(tài)和信息的各種傳感器，這些傳感器與物相互聯(lián)結(jié)在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合而形成一個(gè)巨大的全新的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要的作用是要實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息傳遞，使人可以通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、控制和管理這些物。

歷史的研究中習(xí)慣將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)分為三層：分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要是由各種不同的傳感器所組成，以能夠使控制者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別各種物的信息，所以感知層也可稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層有相似之處，但又不同。相似之處在于，二者都是要將低層傳來(lái)的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，不同之處在于，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層所傳遞的信息是從傳感器傳來(lái)的各種物的信號(hào)，不同于互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層中傳遞的是數(shù)據(jù)包信息。應(yīng)用層則提供了一個(gè)人與物交互的接口與平臺(tái)，人不能夠直接識(shí)別網(wǎng)絡(luò)層傳來(lái)的物的信息，通過(guò)應(yīng)用層，可將這些機(jī)器的物的信息轉(zhuǎn)化成人可以識(shí)別和理解的信息，這樣，人就得以操作和管理物聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)物件。當(dāng)然，這需要與具體產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，才能完美地體現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)的作用與價(jià)值。如已有的機(jī)場(chǎng)安保工作、下水道管線狀態(tài)的監(jiān)控等成功案例。

筆者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)是不同的，但其內(nèi)在又存在密不可分的聯(lián)系，所以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的研究與分析。下面，筆者將對(duì)這二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，以找出發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的可行之路。

二、物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

首先，物聯(lián)網(wǎng)只有立足于互聯(lián)網(wǎng)，才能較好較快地發(fā)展，因?yàn)槿绻麨榱税l(fā)展物聯(lián)網(wǎng)而重新進(jìn)行專門的網(wǎng)絡(luò)搭建，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還會(huì)浪費(fèi)現(xiàn)有的資源。我們知道，物聯(lián)網(wǎng)中的第一個(gè)層次是由大量傳感器組成的“傳感器網(wǎng)絡(luò)”，這一點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)中具有大量的終端是非常類似的，我們對(duì)這些終端收集處理信息的方法與技術(shù)完全可以借鑒，這可以省掉大量的人力與財(cái)力。

其次，傳感器所收集到的信息在傳輸時(shí)也要經(jīng)過(guò)類似互聯(lián)網(wǎng)的路由、數(shù)據(jù)重組、糾錯(cuò)等相似的環(huán)節(jié)。我們完全可以以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上輔以相應(yīng)的針對(duì)性技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳遞，這樣比單獨(dú)研究物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸要有效多。

最后，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量問(wèn)題。我們可以借鑒互聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳輸質(zhì)量控制的方法，但又必須有所改變，如一臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)的手術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、完整性等要求要高得多，所以，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)自身特有的技術(shù)是必不可少的。

三、物聯(lián)網(wǎng)的困境

物聯(lián)網(wǎng)從提出概念到起步發(fā)展走過(guò)了一段年頭，在這個(gè)過(guò)程中，研究取得了很多的成果，從開(kāi)始的不明確到現(xiàn)在完整定義的提出，發(fā)展出很多具有實(shí)際意義的理論與想法，在實(shí)踐上也取得了一些成果，但這些成果還只是局限于一些特定的領(lǐng)域，離最終的全球互聯(lián)的普及還為時(shí)尚早。當(dāng)然，不能否定的是物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在正處于一個(gè)高速發(fā)展的黃金時(shí)期，從各國(guó)政府及研究機(jī)構(gòu)對(duì)其的重視當(dāng)中可見(jiàn)一斑。物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展對(duì)技術(shù)的需求與起步階段技術(shù)的不成熟、不完善形成了鮮明的對(duì)立，如果這些關(guān)鍵性技術(shù)不解決，必然會(huì)導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展停滯不前。以下是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中所面臨的一些關(guān)鍵性問(wèn)題:

1.地址分配與規(guī)劃

在物聯(lián)網(wǎng)中，為了能夠準(zhǔn)確收集物的信息，必然要部署大量的傳感器，如收集溫度的、感知壓力的、識(shí)別大小和形狀的等等。它的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出網(wǎng)絡(luò)中物的數(shù)量，這樣一群數(shù)量龐大的傳感器，要識(shí)別哪些信息是哪一個(gè)傳感器傳來(lái)的，同時(shí)也為了要對(duì)這些傳感器進(jìn)行控制、管理等行為，必然要為這些傳感器分配一個(gè)地址，這個(gè)地址的需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象，而以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的IPv4地址體系，其地址空間已嚴(yán)重不足，趨于飽和，互聯(lián)網(wǎng)本身對(duì)地址的需求已快不能滿足，要應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)地址的海量需求是根本不可能的，所以，必須要找到妥善的辦法首先把這個(gè)問(wèn)題解決了，否則物聯(lián)網(wǎng)就不可能進(jìn)行大規(guī)模的發(fā)展。

2.物聯(lián)網(wǎng)路由

在互聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)與終端固然數(shù)量眾多，每一時(shí)刻所發(fā)生的數(shù)據(jù)量也極其龐大，但經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，目前互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸路由問(wèn)題還不成其致命傷，而且當(dāng)中的很多經(jīng)驗(yàn)都可以在物聯(lián)網(wǎng)路由中使用。但有一點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)路由所特有的問(wèn)題，那就是大量節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，如一列高速運(yùn)行的地鐵，為了監(jiān)控其狀態(tài)，它所布設(shè)的結(jié)點(diǎn)數(shù)量要比現(xiàn)在所知的互聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)群的移動(dòng)規(guī)模要大得多，而互聯(lián)網(wǎng)在誕生之初對(duì)移動(dòng)性的支持就幾乎沒(méi)有考慮，雖然現(xiàn)在由于手機(jī)、移動(dòng)電腦之類的移動(dòng)設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求而引起網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，但設(shè)計(jì)之初的硬傷是不可能從根本上解決節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題的，尤其是物聯(lián)網(wǎng)中這種由大量節(jié)點(diǎn)所組成的節(jié)點(diǎn)群和節(jié)點(diǎn)層的移動(dòng)。如果照搬套用現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，很快就會(huì)使網(wǎng)絡(luò)陷入徹底的癱瘓狀態(tài)。所以，在這點(diǎn)上一定要有新的技術(shù)支持，否則物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展就會(huì)局限在某些特定的區(qū)域。

3.服務(wù)質(zhì)量

在服務(wù)質(zhì)量方面，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所必須解決的一個(gè)難題，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)雖然以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，也可以沿用很多互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，但它必竟不同于互聯(lián)網(wǎng)，有其自身所特有的特點(diǎn)與需求，對(duì)于這些特定的需求，只有發(fā)展新的技術(shù)去解決，才能使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有強(qiáng)大的生命力，從而在更廣闊的空間發(fā)展。

基于以上分析，筆者認(rèn)為要使物聯(lián)網(wǎng)可以快速地發(fā)展，就應(yīng)該在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)特有的技術(shù)，最終可能使物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展出自己的特色，形成自身獨(dú)特的領(lǐng)域，為我們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。

我們知道，因?yàn)镮Pv4本身的不足，導(dǎo)致現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展受到了前所未有的挑戰(zhàn)與限制。為了從根本上解決IPv4所不能解決的問(wèn)題，世界上各國(guó)科學(xué)家早在多年前就開(kāi)始著手研究新一代的地址技術(shù)IPv6，現(xiàn)在研究已取得了很多項(xiàng)突破性進(jìn)展，也從理論開(kāi)始走向?qū)嶋H。從分析IPv6可以看出，IPv6技術(shù)所帶來(lái)的不僅是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)，很多方面也能很好地解決目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的各項(xiàng)難題，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造良好的網(wǎng)絡(luò)通信條件和能力拓展。下面將對(duì)IPv6當(dāng)中的一些關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行解析。

四、IPv6對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性支持

1.IPv6地址技術(shù)的革命

在地址技術(shù)上，IPv6可以說(shuō)是天翻地覆的變化，它由128位2進(jìn)制組成，其地址空間的龐大可以說(shuō)是近乎無(wú)限的，不僅解決了互聯(lián)網(wǎng)地址匱乏的困境，也給物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了決定性的影響，這185億億個(gè)地址足以滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)地址的龐大需求，不僅如此，因?yàn)榈刂纷銐颍俨挥貌捎脗鹘y(tǒng)的NAT轉(zhuǎn)換，這使得網(wǎng)絡(luò)可以把更多的資源用于數(shù)據(jù)傳輸而不是轉(zhuǎn)換地址。

另外，由于IPv6全新的地址架構(gòu)既不能也不需再去架設(shè)專門的DHCP服務(wù)器，因?yàn)閷?duì)于這么龐大的地址分配，很難有這樣高性能的服務(wù)器，因此，IPv6中對(duì)地址分配采取一種全新的地址分配方式，稱之為無(wú)狀態(tài)地址分配。簡(jiǎn)言之，就是設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)中后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置功能獲得一個(gè)唯一的地址，這樣可以簡(jiǎn)化分配過(guò)程，降低網(wǎng)絡(luò)資源的消耗，提高主網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

2.IPv6移動(dòng)技術(shù)的革新

傳統(tǒng)的IPv4對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的支持采用一種稱之為MIPv4的方法，對(duì)于較少節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)還可以勉強(qiáng)應(yīng)付，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中大量節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)將會(huì)顯得力不從心，尤其是三角路由問(wèn)題，將會(huì)很快讓網(wǎng)絡(luò)陷入死鎖之中。在MIPv6中，采取一種全自動(dòng)的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)情況時(shí)，通過(guò)接入路由器所公布的接入地址，可以快速生成新的設(shè)備地址，設(shè)備也可以不與網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，只需向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行一次注冊(cè)即可，這樣網(wǎng)絡(luò)的通信能力將大幅提升。所以，MIPv6對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。

3.IPv6服務(wù)質(zhì)量的提升

未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然會(huì)呈現(xiàn)多樣化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，不同的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了不同的服務(wù)質(zhì)量要求。而在物聯(lián)網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)眾多，這些節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程中常常會(huì)有短時(shí)間內(nèi)大量數(shù)據(jù)突然產(chǎn)生并發(fā)送的情況，所以應(yīng)當(dāng)做到對(duì)服務(wù)質(zhì)量的精細(xì)化控制，這方面可以考慮動(dòng)態(tài)提高應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)。

互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)在，也越來(lái)越多地要求高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，所以IPv6中增強(qiáng)了Qos服務(wù)，而這一點(diǎn)上也正好可以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性、優(yōu)先級(jí)等服務(wù)質(zhì)量需求。另外，因傳感器的作用不同，在數(shù)據(jù)傳輸上也有不同的特點(diǎn)，根據(jù)這一點(diǎn)，還可以實(shí)行差異化服務(wù)，合理分配網(wǎng)絡(luò)帶寬。

IPv6中不能不提到的就是流標(biāo)簽技術(shù)，它采用20位2進(jìn)制進(jìn)行描述，并采用特定的編碼方法，這個(gè)流標(biāo)簽可以被通信結(jié)點(diǎn)識(shí)別，采用這種技術(shù)還可以將同一業(yè)務(wù)流的包都具有相同的流標(biāo)簽，這樣就可以通過(guò)流標(biāo)簽來(lái)調(diào)整流的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，最終可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)服務(wù)質(zhì)量的不同要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行不同服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的分配。

IPv6具有的很多特性都適合物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，就整體而言，使用IPv6不僅能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的地址需求，而且還能滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、節(jié)點(diǎn)冗余、基于流的服務(wù)質(zhì)量保障的需求，很有希望成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。