刍议IPv6在物联网中的应用

张 灿

（广东省电子商务技师学院计算机系 广东 510663）

1 物联网的定义及技术架构

1.1 物联网的定义

所谓物联网，简称IOT（全称为Internet of things），在中国普遍叫它传感网或者泛在网。其实物联网就是将各种不同的信息传感设备（即“物物相连”但也并非单纯的“物物相连”）通过互联网这个媒介与各种实物进行有效结合所

编织而成的一个巨型的全新网络。他包含的意思有两层：首先，物联网的核心和基础仍然是互联网，他只是互联网进行延展后的产物；其次，它的用户端不再只有个人，而是涵盖任何形式的物品，所以他的终端可能非常复杂，也可能很简单，但是它的功能非常单一并且无法加载哪些比较复杂的处理算法。现代化的物联网的定义包括从终端到网络、从应用到服务、从处理数据采集到智能控制等各个方面，所以它拥有非常繁杂的技术。

1.2 物联网的技术架构

一般来讲，人们往往喜欢将物联网技术架构分成三层，他们分别为感知层、网络层以及应用层。其中感知层主要是由不同类型的传感器通过特定的连接方式所组成，然后控制者可以通过网络工具实现对各种物的信息的识别，因此也有很多人将感知层叫做传感器网络。值得注意的是，物联网的网络层与互联网的网络层有一些相似之处，但也有不同的地方。它们的相似之处是：他们都是把低层传来的信息通过网络这个媒介向外进行发送。二者不同之处是：物联网的网络层所传递的物的信息是从传感器传来的，而互联网在网络层中传递的则是数据包信息。而所谓的应用层，则是一个能够提供人与物交互的接口以及交互的平台，从网络层传来的“物的信息”人是无法直接识别的，而是通过应用层，将这些机器设备的“物的信息”进行转化，使其成为人能够识别的信息，只有这样，人菜可以实施对物联网中的各个物体进行操作与管理。当然了，这必须与具体产业结合起来，才能淋漓尽致地体现出物联网的巨大价值。现如今，物联网在机场安保工作、下水道管线状态的监控等案例中得到了成功使用。

2 物联网与互联网二者之间的关系

上面也提到，这二者之间既有不同之处也密不可分。主要体现在：首先，物联网是建立在互联网基础之上的，物联网只有立足于互联网，才能更好地发展，因为物联网也是需要进行网络搭建的，如果为了发展物联网而对网络进行重新的搭建，不仅需要浪费大量的人力和时间，还会浪费大量现有的资源。众所周知，物联网中的第一层是由许多传感器共同组成的“传感器网络”，这个方面与互联网中包含大量的终端是极其相似的，因此我们完全可以借鉴这些终端收集处理信息的方法以及相关的技术，这样能够节省大量的人力和财力资源；然后，传感器所收集到的信息在传输的过程中必须经过好像互联网的路由、数据重组等环节。鉴于此，我们完全能够以互联网为基础和依托，再利用现有的数据传输技术配上与之对应的针对性技术，从而实现物联网数据的成功传递。这样做会比专门研究物联网的网络层数据传输要简单方便的多；最后，我们能借鉴互联网对传输质量控制的技巧，但也不能生搬硬套，例如：一台基于物联网的手术在数据传输的实时性和完整性方面比互联网的要求要高出很多，因此，物联网自身发展必须具备特有的技术。

3 目前物联网的网络困境

物联网从提出概念到起步发展到目前为止还不到两年，在这两年中，对于物联网的相关研究已经取得了不错的成果，从起初的定义不明确到提出现在的完整定义，衍生出许多具有实际意义的理论与方法，在实践上也得到了一定程度的运用，但还仅仅局限于某些特定的领域，并未得到全球化的普及。虽然如此，但是不可否定的是物联网当前正处于一个飞速发展的时期，已经引起了各国政府及研究机构的特别关注。如果物联网中的哪些关键性技术得不到解决，势必会造成物联网的发展速度缓慢。下面将介绍当前物联网发展中所面临的瓶颈问题—节点问题。

3.1 节点连接问题

物联网广泛的应用范围以及巨大的节点规模既带来了巨大商机，与此同时也带来了技术上的巨大挑战。第一，物联网是由规模庞大的节点连接而成，目前来说，无论是采用自组织方式，或者是采用公众网连接方式，这些节点之间的通信很容易出现寻址方面的问题。现在物联网的寻址系统一般采用的有两种方式，第一种是采用基于 E.164（也叫做 "E.164号码映射"或“电话号码映射”，是使用 E.164地址和动态授权发现系统（DDDS）和域名系统（DNS）将电话系统与因特网统一的一组协议。）电话号码编址的寻址方式，但目前为止绝大部分物联网采用的网络通信协议还是TCP/IP协议（TCP/IP是一个协议族，是因为TCP/IP协议包括TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP、TFTP等许多协议，这些协议一起称为TCP/IP协议。），这样一来，电话号码编址的方式必然需要转换电话号码与IP的地址，这势必会提高在技术方面的难度，还大大的增加了技术成本。除此之外，因为E.164 编址体系本身的地址空间不大，根本就不能满足规模巨大的节点的地址需求；另一种是直接采用IPv4地址的寻址体系来寻找物联网节点地址，随着互联网技术的高速发展，IPv4的地址已经越来越少，以当前的地址消耗速度来看，IPv4地址空间已经无法满足物联网对网络地址的海量需求了。

3.2 现在互联网的移动能力不够也造成了物联网移动能力差

其实这是一个历史遗留问题，为什么这么说呢？因为IPv4协议在设计之初并未充分考虑到节点移动性所造成的路由问题，意思就是说当一个节点脱离了原有的网络系统，并不能保证这个节点访问的可达性。由于IP网络路由自身的聚合特征，它在网络路由器中的所有路由条目全部都是按子网汇聚在一起的，所以当节点离开原有网络之后，其原来的IP地址随之也会离开该子网，而节点移动至目的子网位置以后，网络路由器路由表中并不能显示该节点的相关路由信息，这样一来会直接造成外部节点不能找到移动后的节点位置。正因如此，必须要通过特殊机制来支持节点的移动能力，根据多次研究后，发现在IPv4中IETF（互联网工程任务组，负责互联网标准的开发和推动。）提出了 M IPv4（也叫移动 IP）的机制可以做到这一点。但有一个弊端就是，这样的机制对于量比较少的节点的移动，引起的网络资源损耗比较少，而对于节点比较多的移动，尤其是物联网中特别的节点群移动以及层移动，会发现网络资源瞬间就会被消耗殆尽，这样会直接造成网络的瘫痪。

3.3 物联网发展过程中的网络质量尚存一些亟待解决的问题

目前 IPv4网络中能够实现 QoS（英文名叫 Quality of Service）（它的含义是指服务质量，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。）的有两种技术，第一种是采用资源预留的方式，这是应用RSVP等协议保存一定的网络数据资源，并且在数据包传送当中确保其传输的质量的上乘；第二种是采用Diffserv技术（也叫区分服务）（它是IETF工作组为了克服Inter-Serv的可扩展性差在1998年提出的另一个服务模型，目的是制定一个可扩展性相对较强的方法来保证IP的服务质量。），由IP包自身携带优先级标记，然后再通过网络设备以这些优先级标记为基础来反应出包的转发优先方法。目前在 IPv4网络中，服务质量是从流的类型出发来进行划分的，使用Diffserv来保证端到端的服务质量，例如：我们所熟知的视频业务当中是有低丢包、时延以及抖动等要求的，就给它分配较高的服务质量等级；数据业务对丢包、时延、抖动不敏感，这时候如果分配较低等级的服务质量，这只是考虑了业务的网络方面的质量需求，而并未考虑到业务的应用方面的质量需求。鉴于此，物联网中的服务质量保障必须结合具体的应用情况，特殊情况进行特殊对待。

3.4 需要重新考虑物联网节点的安全性和可靠性

因为物联网节点往往会受成本制约很多都是建立在简单硬件基础上的，这样是无法处理较为复杂的应用层加密算法，而且单节点的可靠性也很低，因为节点的可靠性主要还是要以多节点冗余来作为保证。所以，想要靠传统的应用层加密技术或者网络冗余技术已经无法达到物联网当前的需求了。

4 IPv6 的物联网技术解决方案

4.1 IPv6地址技术

在地址技术上，IPv6较之过去已经发生了翻天覆地的变化，它由128位2进制组成，其庞大的地址空间是不言而喻的，这不仅解决了互联网地址极度缺乏的问题，同时也为物联网的高速发展带来了深远的影响，经过计算可以得知，IPv6 地址技术包含185亿亿个地址，这完全可以保证物联网对庞大地址的需求，除此之外，由于地址足够多，已经不需要使用传统的NAT进行转换了，这可以让网络把更多的资源全部用在数据传输上而不是之前的转换地址上既节省了大量的时间，也节省了精力。与此同时128bit的IPv6的地址由两部分组成，即地址前缀和接口地址。这与IPv4 地址划分不同之处在于：IPv6地址的划分是严格遵循地址的位数来进行的，而不是采用IPv4中的子网掩码来对网络号和主机号进行区分的。其中，IPv6地址的前 64位被称作地址前缀，地址前缀是用来表示该地址是属于哪个子网络的。而地址的后64位被称作接口地址，接口地址用于子网络中节点标识的。通常情况下，我们在物联网应用当中都是使用IPv6地址中的接口地址对节点进行标识的。另外，IPv6为了解决海量地址分配的问题所采用的是无状态地址分配的解决方案。其基本指导思想是网络侧不对IPv6地址进行管理，包括节点应用何种地址、地址有多长的有效期，且不参与地址的分配过程。当节点设备连接到网络后，将会自动选择接口地址，并配以FE80（IPv6地址的分类）的前缀地址，以此来作为节点的本地链路地址（本地链路地址只在节点与邻居之间的通信中才有效）。在生成本地链路地址以后，节点会进行DAD（也叫做地址冲突检测），目的是检测该接口地址是否已经被邻居节点使用，如果发现有地址冲突的情况，无状态地址分配过程必须得立马终止，进而转换为手工配置IPv6地址。如果显示检测定时器已经超时却仍然没有发现地址之间发生冲突，则表明该接口地址能够利用，还有一点需要提起的是，由于IPv6全新的地址架构无需再去构建专门的DHCP服务器（动态主机配置协议，它是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，主要有两个用途：给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址，给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。），因为对于如此庞大的地址分配，并没有这样高性能的服务器，于是，IPv6中对地址采取的是一种叫做无状态地址的分配方式。通俗的讲，就是将设备接到网络以后，使用网络的自动配置功能获取一个唯一的地址，这样一来既能大幅简化分配过程，很大程度上减少了网络资源的消耗，还能大大提高主网络的通信效率。

4.2 IPv6的移动性技术

IPv6协议设计的初期已经充分考虑了对移动性的支持。IPv6特别针对移动IPv4网络中出现的三角路由问题，相应的提出了解决方案。第一点，IPv6从终端角度提出了IP地址对于如何缓冲进行了绑定。也就是IPv6协议栈在转发数据包之前必须经过查询IPv6数据包目的地址来对其进行绑定，若其中存在绑定的地址有转交情况，则可以直接使用这个转交地址当做数据包的最终目标地址，通过这种形式发送出的数据会直接转发至移动节点自身。第二点，M IPv6引入了节点移动探测的特殊方法，通俗一点讲就是将某一特定区域的接入路由器进行路由器接口的前缀通告，如果移动节点发现路由器前缀通告突然发生了改变，那么就说明节点已经移动到新的接入区域。并且可以根据移动节点获得的通告生成新的转交地址。除此之外，传感器在M IPv6的网络中进行群切换的过程中，只需向家乡代理注册即可，之后的通信则完全由传感器和数据采集的设备之间发生接触，这样便可以大大降低网络资源的消耗。由此可见，在大规模部署物联网应用中，尤其是移动物联网应用中，它是一项非常实用的技术。

4.3 IPv6的服务质量技术

IPv6在保障网络服务质量方面也起到至关重要的作用，它在数据包结构中已经对流量类别字段以及流标签字段进行了概念的确定。其中流量类别字段有8位，与IPv4的服务类型字段功能一模一样，这可以用于标识报文的业务类别。而流标签字段有20位，它主要对属于同一业务流的包进行标识。这样做的好处在于可以非常方便的对有相同QoS要求的流进行快速而准确的处理。与IPv4相比，由于IPv6的流标签有20 bit，因此它能够对大量节点的数据流进行标记。当然IPv6 的QoS 特性在目前为止还有待进一步的完善，这是因为我们平常使用的流标签位于IPv6包头，所以极易被模仿和伪造，因此经常发生服务盗用现象。针对这一情况，在IPv6中必须要开发出相应的认证加密系统对其进行有效保护。

4.4 IPv6的安全性技术与可靠性技术

由于物联网应用中节点连接的方式并不简单，节点可以通过有线方式连接到网络，也可以通过无线方式连接到网络，所以节点的安全保障是一个大问题。如果使用的是IPv4技术，黑客能够通过在网络中扫描主机IPv4地址来获取节点的位置，并很容易就能够查找出漏洞。但是在IPv6当中，由于同一个子网支持的节点数量极大（前面已经描述过），黑客如果通过扫描的方式则很难找到主机。与此同时，由于IP 地址是分段进行设计的，它已经分离了用户信息与网络信息之间的衔接，这不仅在网络中可以实时监控黑客行为，还大大的方便了用户在网络中进行实时定位，从而充分地发挥出了网络的监控能力。

5 结束语

综上所述，IPv6具有很多适合物联网大规模应用的各种特性，相比之前的IPv4在技术上已经有了很大的飞跃。但目前仍然存在一些技术问题亟需解决，例如，无状态地址分配中的安全性问题，移动 IPv6 中的绑定缓冲如何保障其安全问题，以及流标签如何进行安全防护和全球任播技术的研究问题等等。虽然 IPv6 还有许多的细节技术方面需要不断的完善，但从它的整体应用来看，使用IPv6具有最大的两个好处：一是能够满足物联网的海量地址需求；二是能保障物联网对节点移动性、节点冗余、基于流等的服务质量的上乘，基于这两点IPv6在未来是很有希望成为物联网取代互联网应用中的一项关键性的基础网络技术。

[1]颉轶萍、徐莎莎、姜晨、贾艳艳.IPv6在物联网中的应用硅谷[J].2011，（09）.

[2]赵巍.基于 IPv6的物联网中低智能节点接入技术研究辽宁大学[D]，2012.

[3]唐浩.IPv6在物联网中的应用电信技术[J].2010，（04）.

[4]陈仲华.IPv6技术在物联网中的应用电信科学[J].2010，（06）.

[5]林跃东.语义 W eb服务组合关键技术研究及其在物联网中的应用华南理工大学[D]，2013.

[6]贾美英.IPv6技术在物联网中的应用太原城市职业技术学院学报[J].2012，（07）.

[7]肖文炳.基于神经网络的数据分类算法在物联网中的应用太原理工大学[D]，2012.

[8]江连山、侯乐青.IPv6和物联网电信网技术[J].2012，（08）.

[9]王延炯.物联网若干安全问题研究与应用北京邮电大学[D]，2011.

[10]冯璐璐.基于物联网的停车泊位诱导系统关键技术研究吉林大学[D]，2013.

[11]庞惠.关于Agent技术在物联网中的应用青岛理工大学[D]，2011.

[12]王新智、刘凌云.嵌入式系统在物联网中的应用初探科技创新导报[J].2013，（05）.

[13]孙文歌、魏振方、江俊斌.IPv6链路本地地址安全技术研究计算机技术与发展[J].2011，（09）.