IPv6和物联网

1 前言

采用ＩＰ协议的互联网技术被广泛的部署和应用到各行各业，取得了巨大的成功。通过ＩＰ网络架构连接的设备已达数十亿，在许多方面已经证明了该架构具有高度的灵活性和扩展性。２０１１年２月，国际互联网数字分配机构ＩＡＮＡ宣告ＩＰｖ４地址池最终告罄[１]，互联网开始进入ＩＰｖ６时代。作为ＩＰｖ４协议的升级版本，ＩＰｖ６以其巨大的网络承载能力，安全高效的网络传输，更大的创新空间吸引着越来越多地目光，也成为下一代互联网的代表技术，成为各行业信息化基础架构。

不仅在互联网领域，在其它传统的行业和领域（如智慧农业、智慧建筑、智慧能源和智能电网等方面），基于ＩＰｖ６的通信基础架构也在被广泛应用。升级传统封闭的专属通信网络，取而代之的是成熟、开放、安全并兼容大量接入方式的新型网络架构和协议。大批的国内外企业和研究机构参与其中，积极推动基于ＩＰｖ６基础架构的各项标准和应用示范。如国外的Ｃｉｓｃｏ，ＳＡＰ和Ｓｕｎ等公司发起成立了ＩＰＳＯ联盟[２]，致力于推动ＩＰｖ６技术在智能物联网上的应用。ＩＰｖ６和物联网已经成为ＩＥＴＦ，ＩＥＥＥ和ＩＴＵ等国际标准化组织热议的方向。

2 ＩＰｖ６概述

2.1 ＩＰｖ６和ＩＰｖ４的区别

人和人说话交流需要一定的语言体系和语法规则，机器和机器之间通信也需要遵守协议和规范。ＩＰｖ４协议即国际互联网协议的第４版，它是第一个被广泛使用，构成现今互联网技术的基石的协议。但是在互联网设计之初，互联网的设计者们并没有预见到有如今大规模的应用，因此ＩＰｖ４协议在可扩展性，功能性和安全性上还有很多内在的问题。因此国际互联网协议第六版ＩＰｖ６被提出作为ＩＰｖ４的升级版本，为互联网朝更大更快更好的方向发展。因此ＩＰｖ６从设计之初就作为了下一代互联网的基础通信协议。

如图１所示，ＩＰｖ４和ＩＰｖ６从协议上来看只是ＩＰ报文头定义的区别，ＩＰｖ６报头固定长度而且字段定义比ＩＰｖ４报文更加简洁。ＩＰｖ６报文头取消了一些字段，比如ＩＤ，ｆｌａｇｓ，ｆｌａｇ　ｏｆｆｓｅｔ和ｈｅａｄｅｒ　ｃｈｅｃｋｓｕｍ。一些字段改变了长度和名称，如把表示服务类型的ＴＯＳ字段换成了流类型和标签字段ｔｒａｆｆｉｃ　ｃｌａｓｓ和ｆｌｏｗ－ｌａｂｅｌ。而ＩＰｖ６和ＩＰｖ４最明显的改进在于增加了地址的空间，由ＩＰｖ４的３２位地址格式变成了ＩＰｖ６的１２８位地址格式，即由２１２８个ＩＰ地址。作为ＩＰｖ６协议最突出的优势之一，ＩＰｖ６地址空间到底有多大了，形象的说，ＩＰｖ４地址数量还不够全球人分，但是ＩＰｖ６协议几乎能给地球上每一粒沙子分配ＩＰ地址。

ＩＰｖ６协议除了具备更大的地址空间和简洁的报文头，还具有很多相对ＩＰｖ４网络体系结构的升级和更新。比如移动协议ＩＰｖ６版本ＭＩＰｖ６相对ＭＩＰｖ４就有了很大的更新，减少了三角路由提高了网络传输效率；在网络接入方面ＩＰｖ６的自动地址配置的功能大大降低了海量网络设备地址管理和维护的成本；而在安全方面，ＩＰｖ６默认内置的ＩＰｓｅｃ保证了网络数据传输的安全和身份的认证，为下一代互联网的安全体系提供了基础。

从更广义的意义来说，ＩＰｖ６是下一代互联网创新应用和标准协议的基础，代表了未来互联网技术发展的方向。一些应用于智能建筑、智慧能源和绿色节能的应用都需要运行ＩＰｖ６协议的网络设备来支持。许多国际标准化组织和下一代互联网研究机构已经默认把ＩＰｖ６作为下一代互联网新规范和新协议开发设计的必选项。比如一些支持新型无线传感网络的的链路层协议和路由协议都是基于ＩＰｖ６协议，而不考虑ＩＰｖ４版本。所以从某种角度来说ＩＰｖ６已经成为下一代互联网的ＤＮＡ，影响着每个新应用和新的网络协议。

2.2 ＩＰｖ４向ＩＰｖ６网络的过渡

ＩＰｖ４向ＩＰｖ６网络过渡问题研究已经有十多年的历史，互联网标准化组织ＩＥＴＦ讨论并制定了一系列的ＩＰｖ４／ＩＰｖ６过渡和共存的方案和标准，用以实现ＩＰｖ４和ＩＰｖ６网络之间的共存和互通。过渡共存的方案大致可以归结为三类，即双协议栈、隧道技术以及协议翻译技术。

双协议栈：顾名思义指的是网络设备同时支持ＩＰｖ４协议栈和ＩＰｖ６协议栈的过渡方案，一张网同时跑两套协议，互不干涉和影响。而隧道技术是用来解决ＩＰｖ４－ＩＰｖ６共存网络中的穿越问题，即ＩＰｖ６网络通过ＩＰｖ４传输网进行通信或者ＩＰｖ４网络通过ＩＰｖ６传输网通信。协议翻译技术是为了让已有的ＩＰｖ４用户和服务能够与与新的ＩＰｖ６用户和服务的互联互通。这三类过渡技术基本涵盖了所有的ＩＰｖ４/ＩＰｖ６的过渡场景（如图２所示）。

从国际上来说ＩＰｖ４向ＩＰｖ６网络过渡已经成熟，各种方案和过渡场景都得到了深入的研究。从国内来讲，由于我国对ＩＰ地址需求急迫，较早投入在ＩＰｖ６的下一代互联网基础理论研究和过渡关键技术研发上。一些关键设备产业化，技术试验，应用示范，安全保障标准制定和人才培养等方面也都取得了阶段性的进展。因此在我国互联网由ＩＰｖ４向ＩＰｖ６的过渡可谓是“万事俱备，只欠东风”。

2.3 ＩＰｖ６在中国的发展

大家都知道，由于ＩＰｖ４地址分配不均，美国人均有２５个ＩＰ地址，而我国人均只有０．６个地址，因此中国与其它西方发达国家相比，更渴望能用上ＩＰｖ６，更希望相关产业能蓬勃发展。这些年，我国的ＩＰｖ６产业链确实得到了长足的发展，总结有三个方面的内容：政府有预见性的政策引导，产业实体积极的产业创新以及团结活跃的产业联盟。

首先从政府政策引导方面，早在２００３年就由工信部、科技部、发改委、教育部等八个部委联合发起了第一个ＩＰｖ６战略项目：中国下一代互联网示范工程（ＣＮＧＩ项目）。该项目的主要目的是搭建以ＩＰｖ６为核心的下一代互联网的试验平台。以此项目的启动为标志，我国的ＩＰｖ６进入了实质性发展阶段。如今的ＣＮＧＩ网络以简称全球最大的ＩＰｖ６试范网络，成为产、学、研、用相结合的平台及中外合作开发的开放平台，也有力地促进了中国运营企业在ＩＰｖ６网络的发展，奠定了中国在世界范围内ＩＰｖ６领域的地位，积累了一定的运营经验。就在２０１１年ＩＰｖ４地址告罄之时，国务院在当年的常务会议上就吹响了加快研究和部署发展我国下一代互联网产业的号角，给ＩＰｖ６产业发展注入了一剂强心针。

其次在ＩＰｖ６产业创新研发方面，我国拥有多项具有自主知识产权的专利和标准。比如清华大学在ＩＥＴＦ的ｓｏｆｔｗｉｒｅ这一个工作组就获得了４项ＲＦＣ的成绩。天地互连公司、中国电信、清华大学等单位主导完成了利用ＩＰｖ６和物联网技术服务节能减排的国际标准ＩＥＥＥ　１８８８，得到了全球产业界的积极响应。

最后在产业联盟方面，由于看到ＩＰｖ６和下一代互联网的蓬勃发展方向，早在２００５年，由北京市优质企业和科研院所发起成立的“中关村下一代互联网产业联盟”（以下简称“联盟”），就针对ＩＰｖ６和下一代互联网产业发展趋势，提前进行布局。截止２０１１年１２月，联盟成员已达１０２家，基本涵盖了国内外下一代互联网产业链的主流厂商，包括移动、电信等运营商，清华、电信科学院等高校和研究院，还有华为、联想、中兴等设备提供商，还有百度、腾讯、ＣＮＮＩＣ、天地互连等集成商和服务提供商，以及Ｃｉｓｃｏ，Ｉｎｔｅｌ，Ｇｏｏｇｌｅ，东芝等国际互联网知名企业。在联盟的组织下，成员成功部署北京奥运会、上海世博会、深圳大运会、长沙物联网农业大棚等ＩＰｖ６重大示范应用；联盟成员承担了５０％以上的国家下一代互联网领域的重大项目；联盟成员建成全球最大的ＩＰｖ６下一代互联网测试认证与服务中心；联盟理事长代表产业担任国家下一代互联网产业规划专家等。

3 ＩＰｖ６助力物联网

3.1 物联网的需求

如果说互联网是通过网络路由器和终端电脑将人连在一起，那么物联网就是“物物相连的互联网”。然而，真的要把物和物连接起来，并且能够识别和定位让它们，除了需要特殊的设备（如传感器），还需要要给它们每个都贴上一个标签，给每个智能物件一个ＩＰ地址。这样用户不仅可以通过网络访问和控制这些物件，这些联网的物件还能自动的感知环境的信息，智能的做出判断，如检测到环境的湿度、温度、核辐射、振动、红外线等，为气象监测，环境污染提供有力的数据和预警情报。基于智能物件（Ｓｍａｒｔ　Ｏｂｊｅｃｔ）的物联网被视为基于ＩＰｖ６的下一代互联网的关键应用，这种结合信息化工具、联网的传感器大量应用于智慧城市，绿色小区、智慧家庭、智慧能源以及智能电网等多个方面。

然而基于海量智能物件的物联网有其自身的需求和发展瓶颈。中国电信集团认为物联网最大瓶颈是ＩＰ地址缺乏，而来自一份工信部电信研究院的技术报告指出：未来５年，我国ＩＰ需求量为３４５亿，其中在移动互联网为１０亿，物联网预计需求量为１００亿，固定互联网为５亿，而按照ＩＰ地址３３％的利用率推算，我国未来ＩＰ需求量为３４５亿。所以，ＩＰｖ６一直被国际多个研究和标准组织（如ＩＥＴＦ、ＩＥＥＥ、ＩＰＳＯ等）视为未来发展物联网的唯一方向。

以智能楼宇为例，对ＩＰｖ６的需求主要体现在以下几个方面：首先是大量的智能终端需要ＩＰ地址，这个需求同时体现在公共设施和智能家居上。在公共设施上，众多智能化的监控感知设备互通互联，包括在建筑安防方面的摄像监控、门禁、一卡通等设备，在绿色节能方面的空调暖通、给排水、电梯、照明、供配电、能耗计量等设备，都需要点到点的信息交互和控制，这些设备都需要ＩＰ地址。在智能家居中的每一台智能家电（包括空调、冰箱、照明、电热水器、家庭影音中心等）的接入和能源使用监控都需要可靠的通信网络支持，要充分发挥智能控制以提高智能家居的用户体验，就需要给它们各自分配独立的ＩＰ地址，所以对ＩＰ地址的需求量更大。其次，除了地址空间的优势外，ＩＰｖ６还能为物联网的创新应用提供点到点的直接通信，减少了中间设备的影响，提供更高效的进行数据传输。而这在ＩＰｖ４环境下只能用ＮＡＴ地址复用的方式来支持，影响了点到点通信的效率。同时ＩＰｖ６的还提高了网络的整体吞吐量、大大改善了服务质量（ＱｏＳ）、增强了网络安全性、更加便捷和人性化，为“物联网”的发展提供有力的保障。

除了ＩＰｖ６协议本身的特性，越来越多的适用于智能物件的物联网协议已经采用ＩＰｖ６作为基础。如在网络寻址和路由方面，由智能物件组成的低功耗有损网络（ＬＬＮ）将采用压缩ＩＰｖ６头格式的６ＬｏＷＰＡＮ协议[３]和ＩＰｖ６　ＲＰＬ的路由协议[４]。而现在大部分国际标准化组织对新型ＩＰ网络协议的开发只有ＩＰｖ６版本，不考虑ＩＰｖ４.在上层应用协议方面，基于ＩＰｖ６的ＣｏＡＰ协议[５]和上层控制协议ＩＥＥＥ　１８８８等，给物联网数据传输带来更好的信息实时性，服务质量可靠的数据传输和安全认证。因此，从各个角度都说明物联网的发展已经离不开ＩＰｖ６，ＩＰｖ６必将促进物联网向着更便捷、更安全的方向发展。

3.2 物联网中的ＩＰｖ６技术

在物联网中的ＩＰｖ６技术应用也十分广泛，主要体现在以下几个方面。

（１）６ＬｏＷＰＡＮ

６ＬｏＷＰａｎ[３]是在ＩＥＴＦ指导下针对ＩＰｖ６应用在无线传感网的相关技术标准。与之对应的６ＬｏＷＰａｎ工作组主要的工作是讨论和制定ＩＰｖ６应用在８０２．１５．４下的相关国际标准。６ＬｏＷＰａｎ认为无线传感网络是由符合无线传感标准的设备组成的，具有低速率、低功耗、低成本等特点。根据相关标准，６ＬｏＷＰＡＮ网络具有以下特点：传输报文小；支持ＩＥＥＥ　１６比特短ＭＡＣ地址和６４比特扩展ＭＡＣ地址；传输带宽窄；网络拓扑结构为网状或星型；设备功耗低；设备成本低；设备数量大；设备位置不确定或不易到达；设备可靠性差；设备可能长时间处于睡眠状态。６ＬｏＷＰＡＮ有以下技术特点：

1）ＩＰ连通性

６ＬｏＷＰＡＮ网络需要大量的网络地址，同时网络设备能够自动配置地址，并与其它ＩＰ网络实现互通。

2）拓扑结构

ＬｏＷＰＡＮ网络能够支持各种网络拓扑，包括网状和星型拓扑。无论是多跳路由的网状拓扑还是星型拓扑，其中的部分节点设备要具有包转发能力，并与采用其它技术的网络实现无缝整合。因此，优先考虑使用ＩＰ协议。

3）包长

由于８０２．１５．４帧长的限制，６ＬｏＷＰＡＮ网络要求减少过多的报文分片和重组，要求控制/协议报文能够在一个独立的８０２．１５．４格式的帧上承载。

4）配置和管理

由于６ＬｏＷＰＡＮ网络设备数量多、性能有限且位置可能不易到达，因此要求协议配置要简单，易于启动，并具有自我诊断能力。网络管理要尽可能低的成本，且具有管理大量设备的能力。

5）业务发现

６ＬｏＷＰＡＮ网络具有简单的业务发现能力，可发现、控制和维护设备提供的业务。

6）安全

６ＬｏＷＰＡＮ网络需要一个全面的安全解决方案，而不仅仅是ＩＥＥＥ８０２．１５．４中要求的ＡＥＳ技术。根据ＩＥＥＥ８０２．１５．４中提出的网络特性，现有的协议均无法完全满足６ＬｏＷＰＡＮ的需求。ＩＰｖ６协议在地址空间、自动配置、互通能力等多个方面具有优势，可以通过对ＩＰｖ６进行适配和包头压缩，实现在ＩＥＥＥ８０２．１５．４网络上传输。

（２）ＲＰＬ的低功耗路由

无线传感网络一种低功耗，高损耗网络（Ｌｏｗ　ａｎｄ　Ｌｏｓｓｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ），在该网络条件下，局域网络内和路由之间的互联都受到很多的限制。无线传感网络的路由，要求能够适应高损耗、低速率、低可靠性的网络条件，并在处理能力、内存大小和能量消耗（通常为电池供电）都受限的条件下，正常的进行路由的工作，这是设计低功耗网络下的路由协议的主要基础。ＲＰＬ[４]是ＩＥＴＦ　ＲｏＬＬ工作组制定的适用于低功耗网络中ＩＰｖ６路由协议标准，基本网络RPL初始化步骤如图3所示，基本网络RPL初始化步骤如图3所示。下面是低功耗网络下的ＲＰＬ路由协议主要要求符合以下相关的技术指标：

1）支持低功耗节点到中央节点之间的多点到点通信；
2）支持中央节点到低功耗节点之间的点到多点通信；
3）支持低功耗节点之间的点到点通信；
4）支持动态路由调整；
5）支持多中央节点设计；
6）支持冗余链路。

为了制订出适合低功耗网络的路由协议，首先需要对现有的传感器网络的路由协议进行综合分析，对相关协议的特点以及不足进行统计和分析，同时对比传统协议，列出主要问题。其次是研究路由协议中路径选择的定量指标。ＲＰＬ主要应包含两个方面的定量指标，一方面是节点选择指标，包括节点状态、节点能量、节点跳数（Ｈｏｐ　Ｃｏｕｎｔ）；另一方面是链路指标，包括链路吞吐率、链路延迟、链路可靠性、ＥＴＸ、链路着色（区分不同流类型）等。为了辅助动态路由，节点还可以设计目标函数（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）来指定如何利用这些定量指标来选择路径。

在以上路由需求、链路选择定量指标等工作的基础上，参考国际标准工作的进展，ＲＰＬ准备支持３种类型的数据通信模型，包括低功耗节点到主控设备的多点到点的通信，主控设备到多个低功耗节点的点到多点通信，以及低功耗节点之间点到点的通信。完成一个距离向量路由协议的设计与实现，初步考虑节点通过交换距离向量构造一个有向无环图（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　Ａｃｙｃｌｉｃ　Ｇｒａｐｈ，ＤＡＧ）。ＤＡＧ可以有效防止路由环路问题，ＤＡＧ的根节点通过广播路由限制条件来过滤掉网络中的一些不满足条件的节点，然后节点通过路由度量选择最优的路径。相关标准会在优化算法和ＤＡＧ的生成速度上形成技术创新。

（３）基于ＣｏＡＰ的ＩＰｖ６应用协议设计

２０１０年３月，ＣｏＲＥ（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ＲＥＳＴｆｕｌ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）工作组正式成立，ＣｏＲＥ起源于６ｌｏｗａｐｐ爱好组（ＢＯＦ），主要讨论受限节点上的应用层协议。随着讨论的逐渐深入，ＩＥＴＦ技术专家把工作组的内容界定在为受限节点制定相关的ＲＥＳＴ形式的协议上。ＣｏＡＰ[５]（Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）是ＣｏＲＥ工作组提出的针对资源受限的无线传感器网络而设计的 Wｅｂ传输协议标准。考虑到底层网络是基于６ＬｏＷＰＡＮ的情况，ＣｏＡＰ一方面要适应与高丢包率、高故障率和低吞吐率，另一方面还要符合业界和传统互联网上相关网络服务（Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）的要求，并能够与相关传统互联网上的相关应用进行应用层的互连互通。

ＣｏＡＰ采取ＲＥＳＴ的方式进行无线传感器网路下的ＩＰｖ６应用协议开发，主要考虑为ＲＥＳＴ（Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎａｌ　Ｓｔａｔｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ）是指表述性状态转换架构，是互联网资源访问协议的一般性设计风格。ＲＥＳＴ提出了一些设计概念和准则：网络上的所有对象都被抽象想象为资源；每个资源对应一个惟一的资源标识；通过通用的连接器接口；对资源的各种操作不会改变资源标识；对资源的所有操作是无状态的。ＨＴＴＰ协议就是一个典型的符合ＲＥＳＴ准则的协议。在资源受限的传感器网络中，ＨＴＴＰ过于复杂，成本过高，因此也需要设计一种符合ＲＥＳＴ准则的协议。

ＲＥＳＴ以及符合ＲＥＳＴ风格的ＨＴＴＰ协议通过多年在互联网上的应用实践，已经被证明为是一种可以被规模化使用的方案，且符合无线传感器网路中资源众多、无状态等特性。同时，通过ＩＰｖ６在无线传感器网络中的应用，传感器端子被赋予端到端可达性，任意ＩＰｖ６网络上的节点都可以发起到任意传感器端子的通信，也能够充分发挥ＲＥＳＴ作为轻量级Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅ的实现优势。ＣｏＡＰ基本的设计思路为：在应用了ＩＰｖ６应用层ＲＥＳＴ协议之后，互联网上的服务就能够直接通过该协议或者通过ＨＴＴＰ与该协议之间的网关来进行资源读取、修改、删除等操作。图4为ＣｏＡＰ协议在传感器、网关、互联网服务器上的呈现，以及该协议通过网关与ＨＴＴＰ协议进行转换的方式。

4 结束语

过去三十年，基于ＩＰｖ４协议的互联网以其独特的扩展性和灵活性被广泛的部署和应用在各行各业，取得了巨大的成功。然而随着地址的耗尽和协议具有固有的缺陷，ＩＰｖ４已经难以承载互联网的高速发展，互联网将迈入下一个阶段，即以ＩＰｖ６协议为基础的下一代互联网。

我们无疑已经站在一个新的历史开端，将目睹ＩＰｖ６的新型协议扩展到数十亿的设备上。在智慧城市、智能建筑和智慧家居网络上部署的智能仪表、传感器设备和支持绿色节能的设备都将插上ＩＰｖ６的翅膀，变得更加人性化和智能化。我国物联网企业也将紧跟国际物联网发展的方向，加快国内互联网产业升级的步伐，积极参与国内外产业合作和标准化工作。希望我国信息化建设能够依靠ＩＰｖ６的基础架构协议和物联网的新型应用，引导全球下一代互联网的发展。