IPv6在雾计算中的应用探讨

杨艳辉 张晓鹏

摘要：随着大量智能终端开始接入网络，带来了计算上和数据传输上的指数级需求增长，为解决这种矛盾，会在边缘实时处理采集和输入的大量数据。雾计算技术目前还处于发展阶段，技术与标准尚未成熟，大力推进基于IPv6技术的下一代互联网，可以使我国在互联网领域的承载能力和服务水平有显著的提升，加速与国际互联网的融入与互通，现阶段探讨的在雾计算中应用IPv6技术，为雾计算提供了广阔的发展空间，保障雾计算网络发展。

关键词：IPv6;雾计算;物联网;6LowPAN

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）17-0047-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract：Fog computing makes a large number of devices connected to the Internet， which will lead to an exponential increase in the demand for computing transmission， and a large number of data will be processed in real time at the edge. Fog computing technology is still at the stage of development， technology and standards are not yet mature. Vigorously developing the next generation Internet based on IPv6 will help to significantly enhance the carrying capacity and service level of the Internet in China and better integrate into the Internet. The application of IPv6 technology in fog computing discussed at this stage provides a broad space for the development of fog computing and guarantees the development of fog computing network.

Key words： IPv6; Fog Computing; Internet of Things; 6LowPAN

过去的几十年里，IPv4作为全球互联网的标准已经发展到极致，无类域间路由（CIDR）、网络地址转换（NAT）等，但2011年2月IANA还是宣布已经没有IPv4地址可供分配了，IPv4最终要面临地址耗尽等无法逾越的问题，IPv6能够提供海量IP地址，是公认的下一代互联网标准。大力推进基于IPv6技术的下一代互联网，可以使我国在互联网领域的承载能力和服务水平有显著的提升，加速与国际互联网的融入与互通，有力支撑数字经济发展，争取在国际未来发展中取得主导地位。

2017年11月26日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，加快推进基于IPv6的下一代互联网规模部署。目标用5到10年时间，形成下一代互联网自主技术体系和产业生态，建成全球最大规模的IPv6商业应用网络，实现下一代互联网在经济社会各领域深度融合应用，成为全球下一代互联网发展的重要主导力量[1]。

雾计算是在云计算的基础上引申而来，CISCO公司基于网络设备最早提出霧计算的概念，主旨思想是在云端和终端之间引入中间雾层，重点部署计算、存储等设备。主要为一些较小的区域提供计算、存储和网络传输服务[2]。针对这个概念，CISCO公司提出了IOx框架，让用户可以自行在该框架上开发部署应用[2]。在CISCO公司提出的概念上，HP实验室更为明确的定义了雾计算：“雾计算是由大量异构普遍存在的无线（有时为无线自组织）分布式设备通过网络相互协作在无第三方干预的情况下共同完成计算和存储任务的场景。这些任务可能是关于网络等基本功能的，也可能是关于具体应用的。用户可以通过有偿租用这些分布式设备来获取这样的服务[3]”。2015年11月19日，Cisco联合ARM、Dell、Intel、Microsoft和普林斯顿大学成立了“开放雾联盟（OpenFog）”，旨在制定雾计算相关的技术标准和推动行业的技术变革[4]。

1 雾计算的几个关键点

雾计算系统被定义为是由多个相互独立的雾节点（Fog Node）组成的系统。每个节点从物理或逻辑上可包含多个计算位置，既包括应用服务的计算环境，还包括代表各种身份角色的资源中心、管理与控制中心[5]。雾计算具有以下几个关键点。

1.1 低延时计算

云计算中心处于Internet的远端，将会带来较长的传播时延，对于一些对延迟敏感的应用程序（如视频流、在线游戏、AR等），用户体验是极差的。其次，对移动场景支持不足，特别是对于高速移动的车载网络环境，司机对于路况、交通流等的感知都必须是快速且实时的。雾计算不需要云端对数据进行处理，雾节点的处理结果几乎可以实时反馈到用户，有效地进行低时延计算。

1.2 本地化计算

物联网距离我们已经越来越近，每个物联网节点都在随时产生大量的数据，雾计算通过消除用于分析的云的往返行程来加速对事件的认识和响应，由此也就避免了通过从核心网络卸载千兆字节的网络流量而增加昂贵的带宽需求，只将必要消息发送给云它在本地分析敏感数据，而不需要将其发送到云端进行分析，通过在本地处理选定的数据来节省网络带宽。其次，云计算无法满足地理位置分布相关的感知环境的实时要求，如大规模的传感网络，要求传感节点定时向其他节点更新自身的信息。

1.3 安全可靠计算

云计算的安全性和隐私性不容乐观，在用户和云计算中心之间需要经过多跳的网络传输，越深的网络传输，数据的完整性和机密性就越难保证。雾计算通过在本地分析数据来保护敏感的物联网数据。

2 IPv6的主要特性

2.1 IPv6编址技术

IPv6与IPv4最大的不同之处是IPv6对IP地址字段进行了极大的扩充。由IPv4的32位地址扩充为IPv6的128位，可以提供最多2的128次方个地址，一个完整的IPv6地址分为三个部分，分别是全局路由前缀、子网id和接口id，这种结构可以使一个节点在保留同样的接口id的同时，独立接入网络中，根据接口id区分节点，根据网络前缀区分网络，充分满足万物互联的海量设备接入互联网的需求。

2.2 帧格式

IPv6报头是由六个固定字段和两个地址字段构成，长度固定为40个字节，其中The Next Header指明了当前报头之后还有那些扩展报头，其中值得一提的是，IPv6将报头认证和安全信息封装作为扩展报头置于基本协议之中，在协议上为互联网实现网络安全认证和加密提供了保证。

2.3 ICMPv6

在IPv6中，重新定义了ICMPv6，并且分配了扩展报头代码58，与原有的ICMP协议不再兼容，功能大大增强，实现了原来的ICMP、ARP和IGMP等协议的功能，并具有差错报告、网络诊断、邻结点探测、替代ARP进行地址解析、前缀重新编址、路径MTU探测、路由器重定向、无状态地址自动配置，以及替代IGMP协议实现多播组成员管理等功能，地址解析放在ICMP层中，这使得其与ARP相比，松偶合性更好，支持使用标准的IP认证等安全协议。

ICMPv6报文可分为差错报告报文和信息报文两类，差错报告报文主要用于返回错误信息，与原有的ICMP报文类似，但只保留了目的不可达、分组过大、超时和参数错误四种差错报告，信息报文则相对种类丰富得多，已经定义了十多种信息报文。

3 IPv6在雾计算中的应用

3.1满足大规模节点接入

随着大量智能终端开始接入网络，带来了计算上和数据传输上的指数级需求增长，为解决这种矛盾，会在边缘实时处理采集和输入的大量数据。在IDC公布的《中国制造业物联网市场预测2016-2020年》中提到，2018年将会有40%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与存储，传统的中心化、集中式的云服务架构将无法交付边缘计算的需求，响应慢、服务中断、安全无法保障等问题会接踵而至。

报告同时也预言万物互联的智能化时代已经到来，保守估计2020年全球将有超过500亿的终端和2120亿的传感器，其中我国约占全球数量的7%左右，大约有35亿的终端，150亿的传感器，如此大的节点规模远超现有的互联网节点数量，而且很多的应用要求设备具有端到端的通信能力，IPv6巨大的地址空间可以满足大规模节点接入的需求。

3.2 实现地址自动配置

IPv6中当节点启动时，可以自动配置节点自己的IPv6地址，节点可以采用不依赖状态或外部分配机制实现IPv6地址自动配置，也可以采用依赖一个外部地址分配机制实现IPv6地址自动配置，还可以先使用无状态方法，再使用一个外部地址分配机制实现IPv6地址自动配置。在大多数情况下，不可能对雾节点和传感器节点配置用户界面，这个特性对雾计算网络来说，非常具有吸引力。

3.3 6LowPAN

为制定基于IPv6的低速无线个域网标准，IETF组织在2004年底正式成立了IPv6 overLR-WPAN（简称6LowPan）工作组，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4為底层标准的无线个域网[6]。6LowPAN的制定推动了无线个人区域网络的发展，利于传感器节点实现端到端服务能力，涉及IoT、5G、自动驾驶、人工智能等一揽子技术的发展，在雾计算中应用IPv6技术的标准障碍已经扫除，现在欠缺的是对技术部署的先进性和前瞻性问题。

4 结束语

本文对IPv6在雾计算中的应用做了简单探讨，IPv6最终代替IPv4是网络发展的必然趋势，雾计算技术目前还处于发展阶段，技术与标准尚未成熟，现阶段探讨的在雾计算中应用IPv6技术，为雾计算提供了广阔的发展空间，保障雾计算网络发展，在今后新的应用出现时，可以避免针对IPv6的升级，IPv6的地址自动配置特点对促进雾计算发展也非常有益。

参考文献：

[1] http：//www.gov.cn/zhengce/2017-11/26/content_5242389.htm

[2] BONOMI F. Connected vehicles， the internet of things， and fog computing[C]//The Eighth ACM International Workshop on Vehicular Inter-Networking （VANET）， 2011： 13-15.

[3] Vaquero L M ， Rodero-Merino L . Finding your Way in the Fog[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2014， 44（5）：27-32.

[4] https：//www.cnblogs.com/bakari/p/8371580.html

[5] 杨志和. 物联网的边界计算模型：雾计算[J]. 物联网技术， 2014（12）：65-67.

[6] https：//tools.ietf.org/html/rfc4944

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