1、物聯(lián)網(wǎng)與IPv6

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）的概念最初在1999年由美國麻省理工學院的Auto-ID實驗室提出，其構(gòu)想是通過RFID與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合來構(gòu)建一個追蹤貨物的全球系統(tǒng)。Internet of Things這個思路最初是非常具體的，但是其概念本身給人以很大的遐想空間，并且隨著集成電路技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，這個幼小的思想得到了越來越廣泛的關(guān)注，并且被各方賦予了新的內(nèi)涵和外延。2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）在其年度報告中對物聯(lián)網(wǎng)的概念、技術(shù)、市場、挑戰(zhàn)和未來構(gòu)想方面進行了闡述。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)的誕生地IETF自2006年開始也從技術(shù)層面展開了對物聯(lián)網(wǎng)的研究，制定了網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)技術(shù)標準。2010年3月，IRTF主席Aaron Falk在第77次會議上發(fā)起了IoT的興趣小組，計劃從研究層面推進相關(guān)工作。

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以簡單地劃分為3個層次（感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層），分別為物聯(lián)網(wǎng)提供了一些重要的特性，即全面感知、可靠傳送、智能處理。物聯(lián)網(wǎng)的感知層要求能夠全面感知物理世界的各種信息，利用多種傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、二維碼、攝像頭、GPS、智能物體等來全面感知現(xiàn)實世界中的各種信息。物聯(lián)網(wǎng)的感知層節(jié)點具有數(shù)量多、成本低、計算能力弱等特點，是物聯(lián)網(wǎng)信息的源頭，如何更好地管理維護感知層網(wǎng)絡(luò)、促進相關(guān)應(yīng)用開展一直是學術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重要問題之一。

物聯(lián)網(wǎng)引起全世界的廣泛關(guān)注以來，終端數(shù)量持續(xù)上升，逐漸成為上百億終端的市場，給網(wǎng)絡(luò)運營提出了兩個方面的挑戰(zhàn)。首先是碼號尋址需求，從國際和國內(nèi)兩個方面看，IPv4地址不足已經(jīng)成為不爭的事實。一方面，截止到2010年3月，全球可分配的A類IPv4地址段只剩下22個，預(yù)計2012年亞洲地址管理分支機構(gòu)APNIC的IPv4地址池將耗盡，屆時國內(nèi)公司將無法再申請到IPv4地址；另一方面，我國已獲得的IPv4地址份額只占到全球的6.3%，勢必影響我國巨大潛在市場的發(fā)展。由此可見，IPv4地址尚不能滿足互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的地址需求，對于發(fā)展中的物聯(lián)網(wǎng)，特別是具有數(shù)量眾多的感知層節(jié)點的標識問題，這個問題更為明顯。其次，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展問題也凸顯出現(xiàn)，目前，感知終端上的數(shù)據(jù)格式多種多樣，難以統(tǒng)一管理運營，新型業(yè)務(wù)難以落地。由于缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層通信標準，應(yīng)用程序的開發(fā)處于無章可循的狀態(tài)，且廣泛基于TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不容易移植。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要統(tǒng)一標準的協(xié)議來支撐網(wǎng)絡(luò)向大規(guī)模泛在化發(fā)展，也需要一個標準的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)置來孵化各種新型的業(yè)務(wù)模式，真正實現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡(luò)、無所不能的業(yè)務(wù)”。

基于這兩個方面的需求，物聯(lián)網(wǎng)和IPv6產(chǎn)生了廣泛的聯(lián)系。IETF從一開始研究物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以來，就把IPv6作為惟一選擇，IETF相關(guān)工作組的工作都是在IPv6基礎(chǔ)上展開的，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟IPSO Alliance （IP Smart Object Alliance）也開始了IPv6產(chǎn)品化推廣的路線。最初不支持IP相關(guān)技術(shù)的Zigbee組織，也在其智能電網(wǎng)（Smart Energy）的最新標準規(guī)范中加入了對IPv6協(xié)議的支持。

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6協(xié)議標準化動態(tài)，介紹了IPv6技術(shù)在IETF，IPSO，Zigbee，ISA-100多個標準化組織的基本原理和工作進展。

2、IETF工作進展

IETF成立了3個工作組來進行低功耗IPv6網(wǎng)絡(luò)方面的研究。6LowPan（IPv6 over Low-power and Lossy Networks）工作組主要討論如何把IPv6協(xié)議適配到IEEE 802.15.4 MAC層和PHY層協(xié)議棧上的工作。RoLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）主要討論低功耗網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議，制訂了各個場景的路由需求以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的RPL（Routing Protocol for LLN）路由協(xié)議。CoRE（Constrained Restful Environment）工作組由6LowApp興趣小組發(fā)展而來，主要討論資源受限網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應(yīng)用層協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）。

2.1  6LowPan工作組

6LowPan工作組成立于2006年，屬于IETF互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。該工作組已完成兩個RFC：《在低功耗網(wǎng)絡(luò)中運行IP6協(xié)議的假設(shè)、問題和目標》（RFC4919，Informational）；《在IEEE802.15.4上傳輸IPv6報文》（RFC4944，Proposed Standard）。

在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中運行IPv6協(xié)議的主要挑戰(zhàn)來自于兩個方面，一方面802.15.4物理層支持的最大幀長度是127字節(jié)，而IPv6的報頭就占據(jù)了40字節(jié)，再加上MAC層報頭，安全報頭、傳輸層報頭的長度，實際能夠給應(yīng)用層使用報文長度變得非常小。另一方面，IPv6協(xié)議（RFC2460）中規(guī)定的MTU值最小是1280字節(jié)，表明IP層最小只會把數(shù)據(jù)包分片到1280字節(jié)。如果鏈路層支持的MTU小于此值，則鏈路層需要自己負責分片和重組。所以，6LowPan工作組為IEEE 802.15.4設(shè)計了一個適配層，把IPv6數(shù)據(jù)包適配到IEEE 802.15.4規(guī)定的物理層和鏈路層之上，支持報文分片和重組，同時6LowPan規(guī)定了IPv6報頭的無狀態(tài)壓縮方法，減小IPv6協(xié)議帶來的負荷。6LowPan工作組的工作在低功耗節(jié)點協(xié)議棧中的位置如下圖所示。

6LowPan協(xié)議棧模型

報頭壓縮的主要原理是通過壓縮編碼省略掉報頭中冗余的信息。不包含擴展頭的IPv6報頭一共有40個字節(jié)，但是在網(wǎng)絡(luò)感知層，IPv6報頭中的很多信息可以省略或者壓縮，IPv6報頭中的各個信息域的壓縮方法如下：

（1）版本號Version（4位）：取值為6，在運行IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，此項可以省略。

（2）流類型Traffic Class（8位）：可以通過壓縮編碼壓縮。

（3）流標識Flow label（20位）：可以通過壓縮編碼壓縮。

（4）載荷長度Payload Length（16位）：可以省略，因為IP頭長度可以通過MAC頭中的載荷長度字段計算出來。

（5）下一個頭Next Header（8位）：可以通過壓縮編碼壓縮，假設(shè)下一個頭是UDP，ICMP，TCP或者擴展頭的一種。

（6）跳極限Hop Limit（8位）：惟一不能進行壓縮的信息。

（7）源地址Source Address（128位）：可以進行壓縮，省略掉前綴或者IID。

（8）目標地址Destination Address（128位）：可以進行壓縮，省略掉前綴或者IID。