基于IPv6 的物联网智能家居仿真部署与实现

李清平，吴薇薇，章新斌

（浙江育英职业技术学院，杭州310018）

0 引言

2005 年国际电信联盟正式提出物联网概念，英文缩写为IoT（Internet of Things）。它是依靠互联网、传统电信网等信息载体，按照约定的协议，将所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。[1]美国思科公司于2012 年12 月推出的万物互联新理念，英文缩写为IoE（Everything of Things），在“物物相连”的基础上，加入人、流程、数据的因素，彼此互联融合，并将数据、信息转化为业务的优化或更直接有效的决策，从而创造新的能力，带来前所未有的经济机遇。[2]物联网工程正成为新一轮产业革命的重要发展方向，也是产业格局重构的核心推动力，其主要应用领域包括智能家居、智慧城市、智能工业、智慧农业、智能电网、智能医疗等，其中，智能家居是物联网应用最广泛的场景之一。《2019 年全球智能家居市场》报告指出，2019 年物联网设备支出占智能家居总支出的54%，达550 亿美元，预计到2023 年将以10%的复合年增长率增长至810亿美元。[3]

目前的互联网协议主要基于IPv4，从21 世纪开始，互联网在全球范围内呈指数递增，早在2011年4 月15 日，亚太互联网络信息中心（Asia-Pa cific Network Information Center，APNIC）的IPv4地址库存已枯竭；2015 年9 月24 日，美国互联网号码注册管理机构（American Registry for Internet Numbers，ARIN）也宣布IPv4 地址即将耗尽，IP 地址问题已成互联网发展的瓶颈。[4]随着物联网的发展和IPv4 地址的枯竭，IPv6 在快速部署和发展。2018 年5 月，工信部发布了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，IPv6 计划是拓展未来互联网的基础[5]。

采用仿真的方法，基于IPv6 进行物联网家居的布设和智能控制，不仅能快速了解和掌握IPv6及物联网设备的关键技术，而且可以大幅降低真实场景中所需设备的费用，同时给予网络拓扑无限的拓展空间。

1 仿真平台简述

智能物联网家居仿真平台采用Cisco 公司开发的Packet Tracer 7.0，该软件是一款功能强大的网络仿真模拟工具，方便网络管理员学习路由与交换技术及故障排除等操作，使用者可以在虚拟环境下进行拓扑结构图的建立、测试和配置等操作，包示踪提供的仿真、可视化、编辑、评估和协作能力，有利于抽象网络概念的学习。[5]-[6]与以往的版本相比，Packet Tracer 7.0 在物联网应用方面增加了智能物件和组件两部分。智能物件为通过网络接口连接到注册服务器或家庭网关的物理对象，终端设备（End Devices）下分为家庭（Home）、智能城市（Smart City）、工业（Industrial）和电网（Power Grid）4 个子类，每个子类中又分别包含若干个智能设备，如Home 中包括Door（门）、Furnace（加热器）、Thermostat（温度调节器）、Light（台灯）、Humidifier（加湿器）、Fan（风扇）、Window（窗户）等；组件（Components）为连接到微控制器（Microcontroller Unit，MCU）或单板计算机（Single Board Computer，SBC）的物理对象，通常没有网络接口，仅通过模拟或数字插槽进行通信，其下分3 个子类，分别为电路板（Boards）、致动器（Actuators）和传感器（Sensors）等，每个子类里面又包含若干个元件，如Actuators 中包含Air Cooler（空气冷却器）、Alarm（警报器）、Ceiling Sprinkler（吊顶形洒水喷头）、Dimmable LED（可调发光二极管）、Floor Sprinkler（地面洒水器）等。[7]-[10]

2 场景部署与IPv6 分配

2.1 仿真场景及拓扑图

在Packet Tracer 7.0 中部署仿真场景，分为智能家居和ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）外网两部分。考虑日常物联网家居使用情况，智能家居场景提供门、加热器、温度调节器、台灯、加湿器、风扇、窗户等智能设备，分别以IoE1～IoE7 予以标识，并与注册服务器（Registration Server）、家庭网关DLC100、家庭PC 以及外网ISP2811 型路由器一起通过思科2960 型二层交换机互联。家庭网关DLC100 以无线通信的方式与智能手机（Smartphone）相连。ISP 路由器通过Office2811 型路由器与办公室笔记本电脑Office Laptop 相连，智能家居中的设备通过办公室外网以及室内智能手机、台式机三种方式进行调控。仿真场景拓扑图如图1 所示。

图1 智能物联网家居仿真场景拓扑图

2.2 IPv6 地址分配

按照RFC2373 定义的IPv6 寻址体系结构，IPv6 地址的长度为128 位二进制，由8 个16 位字段组成，相邻字段用冒号分隔。一个完整的IPv6地址很长，为了简化其表示法，每段中前面的0 可以省略，连续的0 可省略为“：：”，但只能出现一次。类似于IPv4 的CDIR 表示法，IPv6 用前缀来表示网络地址空间，比如：2001：1：：254/64 表示前缀为64 位的地址空间。[11]

DHCPv6（Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6，IPv6 动态主机配置协议）是用来设计IPv6 编址方案的，为IPv6 主机提供有状态或无状态的IPv6 地址/前缀以及其他配置参数。有状态地址自动配置通过使用DHCP 协议来配置非链接本地地址，无状态地址自动配置用于对链接本地地址和其他非链接本地地址两者进行配置，方法是与相邻路由器交换路由器请求和路由器公告消息。[12]

路由器端口、注册服务器采取静态配置IPv6 地址的方法，外网Office Laptop 通过Office Router 自动获取IPv6 地址，智能家居中所有终端均通过Registration Server 自动获取IPv6 地址，如表1 所示。

表1 路由器端口及终端设备IPv6 地址配置表

3 主要配置命令及解析

3.1 配置IoE 注册服务器（Registration Server）

按照表1 的要求对IoE 注册服务器进行IPv6地址的设置，在其“services”菜单中配置DHCPv6动态池，命名为“toIPv6”，IPv6 前缀为2001：1：：/64，有效生存期为2 592 000 秒，推荐生存期为604 800 秒，该动态池主要为智能物联网家居中的终端和智能设备自动分配IPv6 地址及DNS 服务器地址。在“DNS”菜单中设置映射2001：1：：1 地址的域名www.ipv6ioe.com，方便通过域名来访问服务器。在“IoE”菜单中开启服务器的注册功能。

3.2 设置注册账号密码并注册物联网设备

外网、内网的PC、智能手机通过Web 浏览器和IoE 监视器（IoE Monitor）两种方式都能在服务器中进行IoE 注册，这里通过Web 浏览器以域名www.ipv6ioe.com 登录服务器，注册账号和密码均设置为“ipv6ioe”。

物联网设备IoE1-IoE7 在自动获取IPv6 地址后，通过各自的“远程服务（remote service）”功能登录注册服务器进行注册，如图2 所示。

图2 物联网设备IoE1-IoE7 在IoE 服务器的注册结果

3.3 编写温度调节器的调控代码并设置控制条件

温度调节器（Thermostat）是整个智能物联网家居的核心调控设备，通过它来控制室内门窗、加热器、加湿器的开与关、台灯的亮度、风扇的启动与转速等。采用JavaScript 编程语言来设置温度调节器的调控功能，主要代码及解析如下：

……

登录注册服务器，在其“Condition”菜单中设置温度调节器的控制条件，以达到智能调控室内物联网设备的目的。（1）当Thermostat 温度小于或等于15.0℃时，门窗关闭，加温器启动，台灯打开；（2）当Thermostat 温度大于19.0℃时，窗户打开，台灯转暗；（3）当Thermostat 温度大于或等于22.0℃时，门窗打开；（4）当Thermostat 温度大于或等于24.0℃时，门窗打开，加热器、台灯关闭，风扇低速转动；（5）当Thermostat 温度大于26.0℃时，门窗打开，加热器、台灯关闭，风扇高速转动，加湿器启动，如图3 所示。

3.4 家庭网关DLC100 的设置

家庭网关（Home Gateway）是一种基于无线的家庭安全和自动化设备，提供应用程序生命周期管理系统，允许用户使用智能手机、平板电脑或PC 来监控、保护和管理自己的住宅。DLC100 不支持模块。

在家庭网关和智能手机上设置相同的SSID、WEP 认证密码和频道，如图4 所示。

图3 温度调节器Thermostat 的控制条件设置

图4 家庭网关DLC100 的参数设置

3.5 外网路由器配置

在Office Router 中进行DHCPv6 的配置，为Office Laptop 自动分配IPv6、网关以及DNS 地址，主要配置命令和解析如下：

Office_Router（config）ipv6 unicast-routing //开启IPv6 的单播路由

Office_Router（config）ipv6 dhcp pool to_Office_Laptop //定义名为to_Office_Laptop 的IPv6动态地址池

Office_Router（config）prefix-delegation pool to_Office_Laptop //使用local pool 作为前缀分配源

Office_Router（config）ipv6 local pool to_Office_Laptop 4001：1：：/64 64 //定义IPv6 地址池的地址段

Office_Router（config）interface FastEthernet0/0

Office_Router（config-if）#ipv6 address 4001：1：：254/64 //配置Fa0/0 端口的IPv6 地址

Office_Router（config-if）#ipv6 enable //启用端口的IPv6 功能

Office_Router （config -if）#ipv6 dhcp server to_Office_ Laptop //定义DHCPv6 服务器名称

开启Office_Router 另一端口以及ISP Router两个端口的IPv6 功能并分别配置相应的IPv6 地址，用“IPv6 router rip othername”命令在两个路由器上启动IPv6 的RIPng（Routing Information Protocol next generation，RIP 下一代版本）动态路由协议，同时在每个端口上使用“ipv6 rip othername enable”命令来宣告运行RIPng 协议。

4 结果验证

4.1 动态IPv6 地址的获取

经过测试，外网Office Laptop 以及内网Smartphone、Home PC、物联网设备IoE1～IoE7 均能动态地获得IPv6 地址，以Office Laptop 和Smartphone 为例来说明，如图5、图6 所示。

图5 外网Office Laptop 自动获取的IPv6 地址

图6 内网Smartphone 自动获取的IPv6 地址

4.2 内外网以及物联网设备之间的通信

内外网以及内网主机、服务器、物联网设备之间彼此能相互通信，现以外网Office Laptop 笔记本电脑ping 服务器和域名为例加以说明，如图7所示。

图7 外网Office Laptop 笔记本电脑ping 服务器和域名的结果

4.3 登录服务器查看物联网设备的运行情况

无论是外网还是内网，主机都可以通过域名、IPv6 地址或者IoE 监视器登录注册服务器，查看或控制物联网设备的运行状态。以内网智能手机Smartphone 通过域名登录为例加以说明，如图8所示。

4.4 物联网家居场所的整体运行情况

物联网家居场所的IoE1-IoE7 智能设备在自动获取IPv6 地址后，通过注册到IoE 服务器，在温度调节器的控制下，各设备按照设定的条件正常运行，达到智能可控的目的。

图8 内网智能手机Smartphone 通过域名登录注册服务器

5 结语

新一代互联网协议IPv6 取代现行的IPv4 协议将是计算机网络发展的趋势和最终结果。物联网已经成为当今数据驱动型经济的基础和支柱，“万物互联”能够让人们更加智能、高效地管理生产生活，更加开放、自由、共享地融入世界，智能家居作为家庭信息化的实现载体，已成为社会信息化发展的重要组成部分，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的飞跃发展及其在智能家居上的应用，物联网智能家居已成为智能家居发展的新趋势。结合IPv6 技术，在仿真平台上部署和实现部分物联网家居设备的互联和智能调控，不但可以有效地掌握IPv6 以及物联网的技术要点和设置方法，而且可以解决真实环境下费用昂贵、配置复杂、耗时耗力等问题，同时使网络具有多种拓扑结构，实现多种配置方案。