[解读]物联网时代IPv6协议技术

物联网时代 走进下一代IP协议
——IPv6技术全解读

    据悉今年第二季度，工信部将联合包括三大运营商、中兴、华为、大唐电信、清华大学、西安电子科技大学、工信部电信研究院在内的多家企业和科研院所一同展开28项IPv6标准的制定和修订。其中涉及IPv6地址的分配、管理、运营商网络构架等核心技术，以及IPv4向IPv6过渡等关键工程。由工信部、市场需求、企业协助等各方力量对于IPv6协议的一步步推进，由IPv4过渡到IPv6已经成为了必然趋势。　

    近年来，我们一直采用第二代互联网IPv4技术，地址总量在40亿左右。随着整个互联网的飞速发展，尤其是移动互联网的兴起，使得IPv4地址资源呈现枯竭态势。为了更好的解决  IP地址分配的问题，下一代的互联网IPv6技术应运而生。IPv6的启用将彻底解决互联网IP地址不足的问题。由此，由IPv6技术的运用所带来的海量IP地址，使得今后的用户与IP唯一绑定起来，从而让网络实名制下的互联网身份证/VIeID得以实现。简单的说，就是每个人对应一个IP地址，IP地址不再有共用的形式。

    IPv6技术的上线，不仅仅影响于互联网，同时也是对移动互联网、3G、物联网等强烈冲击。海量的IP地址甚至可以用来确定其他的硬件设备，如家用电器、传感器、远程照相机、汽车等。同时，IPv6技术运用到物联网当中，使得物联网内的每一个物品都被赋予了一个IPv6地址，可以实现对于物品的实时追踪和溯源。

    从IPv4时代向IPv6时代过渡。3G、移动互联网、云计算、物联网发展迅猛，IPv6地址技术的标准统一，将会很好的满足科技潮流的发展。而IPv6技术究竟是一个怎样的新型IP地址技术?它又能够给互联网带来哪些技术优势?

什么是IPv6?

    提到IPv6就不得不先提到现在中国正广泛使用过IPv4。IPv4，是互联网协议（InternetProtocol，IP）的第四版，也是第一个被广泛使用，构成现今互联网技术的基石的协议。1981年JonPostel在RFC791中定义了IP，IPv4可以运行在各种各样的底层网络上，比如端对端的串行数据链路(PPP协议和SLIP协议)，卫星链路等等。IPv4是一种无连接的协议，操作在使用分组交换的链路层（如以太网）上。此协议会尽最大努力交付分组，意即它不保证任何分组均能送达目的地，也不保证所有分组均按照正确的顺序无重复地到达，由上层的传输协议（如传输控制协议）处理。

    “IPv6是InternetProtocolVersion6的缩写，其中InternetProtocol译为“互联网协议”。IPv6是IETF（互联网工程任务组，InternetEngineeringTaskForce）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。形象的说IPv4与IPv6的关系就是“沧海之一粟”。如果IPv4是“一粟”的话，那么IPv6便是“沧海”。因为IPv6能提供的IP地址远远超过了IPv4。

    IPv6的IP地址域为128比特，拥有2128巨大的地址空间。理论上这一规模能够对地球表面的每一平方米提供6.6×10^23个网络地址。和IPv4相同，因地址分层运用，实际可用的总数要小得多。但保守的估计每平方米也有1600个IP地址。IPv6的目标是：通过10^12个网络连接10^15台计算机。采用IPv6地址后，不仅每个人拥有一个IP地址，就连未来的电话、冰箱等每一台信息家电设备都能分到一个IP地址。

IPv6的技术优势

    IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题，除此之外，IPv6还采用分级地址模式、高效IP包头、主机地址自动配置、服务质量、内置认证和加密等许多新技术。IPv6带来的巨大的地址空间和端到端通信特性为互联网的发展创造了良好的网络通信条件和能力拓展，具体表现为以下几个方面：
    （1）扩展的编址丰富互联需求　　
    IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供IP地址，解决IP地址耗尽危机，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。

    （2）自动配置便于即插即用
    随着移动互联网络上语音、视频、数据等服务的发展，对即插即用自动配置和地址重新编号的需求已经变得日益重要。IPv6的内置地址自动配置功能使大量IP物联网终端不用任何手动配置就可以轻松发现网络，并获得新的、全球唯一的IPv6地址。这使利用因特网的物联网设备实现了即插即用。    （3）简化的报头格式
    提供高效的传输由于IPv6的数据包远远超过64K字节，应用程序可以利用最大传输单元，获得更快、更可靠的数据传输。同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，更方便与采用硬件来实现转发，使路由器加快数据包处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量。

    （4）强制的安全机制
    保障端到端的传输安全在IPv4中IPSec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端到端、网络到网络的通信加密、验证实施变得更加容易。通过提供全球唯一地址与嵌入式安全，IPv6能够在提供诸如访问控制、机密性与数据完整性等端到端安全服务的同时，减少对网络性能的影响。

    （5）增强的移动IP支持满足物联网
    移动应用物物间的互联，除了任意时间还需要能在任何地点进行互联，包含移动终端在网间切换时能不必脱离其现有连接即可自由移动，这是一种日益重要的网络功能。与IPv4不同的是，IPv6的移动性是使用内置自动配置获取转交地址，因而无需外地代理。此外，这种内联机制使通信节点能够与移动节点直接通信，从而避免了在IPv4中所要求的三角路由选择的额外系统开销。其结果是，在IPv6中，移动IP结构的效率大为提高。

    增强的QoS服务保证传输服务质量IPv6报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和QoS保障。属于同一传输流，且需要特别处理或需要服务质量的数据包，可以通过流标签标记。增强的QoS服务一方面能满足物联网应用中的实时性、优先级等服务质量需求，另外还可以根据传感器数据传输需求特点，实行差异化服务，合理分配网络带宽。

IPv6技术发展规划

    我国IPv6推进将分三步走。
    1、2011-2013年为试商用阶段：启动网络和平台支持IPv6的改造，确定网络及业务过渡方案、现网商业化试点，基本具备引入IPv6业务的网络条件；
    2、2014-2015年为规模商用阶段：IPv4/IPv6网络和业务共存，网络和平台规模改造，业务逐步迁 移，新型应用和用户规模持续扩大；
    3、2016-2020年为全面商用阶段：新型应用占据主导，IPv4网络和业务平台逐步退出。

IPv6物联网应用前景

    作为下一代网络协议，IPv6凭借着丰富的地址资源以及支持动态路由机制等优势，能够满足物联网对通信网络在地址、网络自组织以及扩展性等诸多方面的要求。然而，在物联网中应用IPv6，并不能简单地“拿来就用”，而是需要进行一次适配。

    IPv6不能够直接应用到传感器设备中，而是需要对IPv6协议栈和路由机制进行相应的精简，以满足对网络低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。由于IPv6协议栈过于庞大复杂，并不匹配物联网中互联对象，尤其是智能小物体的特点，因此虽然IPv6可为每一个传感器分配一个独立的IP地址，但传感器网需要和外网之间进行一次转换，起到IP地址压缩和简化翻译的功能。　

    目前，相关标准化组织已开始积极推动精简IPv6协议栈的工作。例如，IETF已成立了6LowPAN和RoLL两个工作组进行相关技术标准的研究工作。相比较传统方式，能支持更大的节点组网，但对传感器节点功耗、存储、处理器能力要求更高，因而成本要更高。另外，目前基于IEEE802.15.4的网络射频芯片还有待进一步的开发来支持精简IPv6协议栈。
总体上，物联网应用IPv6可按照“三步走”策略来实施。首先，承载网支持IPv6；其次，智能终端、网关逐步应用IPV6；最后，智能小物体(传感器节点)逐步应用IPv6。

IPv6物联网应用方案

    在多种IPv6应用中，物联网应用覆盖了智慧农业、智能环保、智能建筑、智能交通等广泛领域，提供“无所不在的连接和在线服务”，包括在线监测、定位追溯、报警联动、指挥调度、远程维保等服务。IPv6的商用和推广将显著改善物联网的发展环境，促进更多符合用户要求的创新应用产生。智慧农业
    中国电信在湖南省农业厅下属的湖南省优质果茶良种繁育场进行试点示范应用，建设了国内基于IPv6的典型物联网应用。该应用充分利用IPv6技术的优点，在传感网侧采用了基于IPv6的低功耗组网技术6LowPAN，各种传感和控制量通过6LowPAN网络传输至支持双栈的移动网络网关设备，可以在具备IPv6环境的移动网络中实现全IPv6的数据采集和远程控制。在手机客户端侧，该应用也通过合作研发完成了数款具备双栈能力的手机终端，并在手机终端上研发了双栈手机客户端，成功打通了智慧农业应用基于双栈的应用整体部署的各个环节。截至目前，中国电信依托其基于IPv6的智慧农业应用服务已经先后完成浙江“智能水产”、北京“天润草莓园”、山东“智能蘑菇大棚”、陕西杨林“智慧农业”等各类应用服务，实现了数千标准监测点的服务和管理。

IDC温湿度监控
    中国移动利用轻量级IPv6技术进行IDC机房温湿度监控，覆盖3000平方米机房面积，取得较好效果。物联网对于IP地址消耗量大，非常适合应用IPv6。但物联网的传感器功能相对简单，处理能力低，而IPv6包头较大、耗用资源多。网关由于计算能力有限，需要对IP协议栈进行剪裁，现有产品对IP协议栈的剪裁方式多种多样，导致严重互通问题。从这点出发，中国移动认为需要制定统一的轻量级协议标准予以规范，从而实现物联网的规模发展，因此力推轻量级IPv6传感器应用。据悉，产业界采用轻量级协议标准已经开发了部分产品，并在中国移动现网进行了部署和试验，经验证技术可行。

智能大棚
    智能大棚，综合利用IPv6、无线传感网、IEEE1888等技术，通过实时传感采集和历史数据存储功能，可摸索出农作物生长对温、湿、光、土壤的需求规律，提供精准的科研实验数据；通过智能分析与联动控制功能，及时精确地满足农作物生长对环境各项指标要求，达到高幅增产的目的；通过光照和温度的智能分析和精确干预，使农作物完全遵循人工调节等高效、实用的农业生产效果。目前，该技术已经在黑龙江农垦总局、湖南农科院、北京草莓园和花卉基地、海南良种培育基地、陕西杨林农业示范区部署。

楼宇节能
    在中关村软件园信息楼和IDC机房等区域，中关村软件园联合相关企业一起利用基于IPv6的节能系统，包括灯光照明、LED照明控制系统、公共场所视频监控系统、传感器（人感、温度湿度、光照安防）以及可视化集中控制监测系统，采用对IDC机房空调、电力系统进行改造（智能化电表）等方式，实现远程智能楼宇节能，验证了IPv6应用于楼宇节能的技术可行性。经测试发现，楼宇引进IPv6技术，通过对能耗设备、环境调节系统、人员监测系统，进行远程控制、可视化操作等方式，可有效将楼宇内的能耗大幅度降低。