简析IPv6技术在物联网中的应用

物联网，英文名称叫“Internet of things”(简称IOT)，也称为传感网、泛在网等。通俗地讲，物联网就是“物物相连的互联网”。即将各种信息传感设备通过互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其中包含了两层意思：第一，物联网是互联网的延伸和扩展，其核心和基础仍然是互联网;第二，其用户端不仅仅是个人，还包括任何物品，终端可能很复杂，支持大量功能.也可能很简单.功能单一且无法加载很多复杂的处理算法。整个物联网的概念涵盖了从终端到网络、从数据采集处理到智能控制、从应用到服务、从人到物的方方面面，涉及众多的技术。从长远来看，物联网很有希望成为一个超越目前互联网产业规模的新兴产业，国际相关机构预测未来其规模将超过现有互联网规模的30倍以上。

物联网的网络困境

物联网丰富的应用和庞大的节点规模既带来了商业上的巨大潜力，同时也带来了技术上的挑战。首先，物联网由众多的节点连接构成，无论是采用自组织方式，还是采用现有的公众网进行连接，这些节点之间的通信必然牵涉到寻址问题。目前物联网的寻址系统可以采用两种方式.一种方式是采用基于E.164电话号码编址的寻址方式，但由于目前大多数物联网应用的网络通信协议都采用TCP/IP协议，电话号码编址的方式必然需要对电话号码与IP地址进行转换。这提高了技术实现的难度，并增加了成本。同时由于E.164编址体系本身的地址空间较小。也无法满足大量节点的地址需求。另一种方式是直接采用IPv4地址的寻址体系来进行物联网节点的寻址.随着互联网本身的快速发展。IPv4的地址已经日渐匮乏。从目前的地址消耗速度来看。IPv4地址空间已经很难再满足物联网对网络地址的庞大需求。从另一方面来看，物联网对海量地址的需求.也对地址分配方式提出了要求.海量地址的分配无法使用手工分配，使用传统DHCP的分配方式对网络中的DHCP服务器也提出了极高的性能和可靠性要求，可能造成DHCP服务器性能不足，成为网络应用的一个瓶颈。其次，目前互联网的移动性不足也造成了物联网移动能力的瓶颈。IPv4协议在设计之初并没有充分考虑到节点移动性带来的路由问题.即当一个节点离开了它原有的网络，如何再保证这个节点访问可达性的问题。由于IP网络路由的聚合特性，在网络路由器中路由条目都是按子网来进行汇聚的.当节点离开原有网络，其原来的IP地址离开了该子网，而节点移动到目的子网后，网络路由器设备的路由表中并没有该节点的路由信息(为了不破坏全网路由的汇聚，也不允许目的子网中存在移动节点的路由)，会导致外部节点无法找到移动后的节点。因此如何支持节点的移动能力是需要通过特殊机制实现的.在IPv4中IETF提出了MIPv4(移动IP)的机制来支持节点的移动。但这样的机制引入了著名的三角路由问题。对于少量节点的移动，该问题引起的网络资源损耗较小.而对于大量节点的移动，特别是物联网中特有的节点群移动和层移动.会导致网络资源被迅速耗尽，使网络处于瘫痪的状态。

再次，网络质量保证也是物联网发展过程中必须解决的问题。目前IPv4网络中实现QoS有两种技术，其一采用资源预留(interserv)的方式，利用RsVP等协议为数据流保留一定的网络资源.在数据包传送过程中保证其传输的质量;其二采用Diffserv技术，由IP包自身携带优先级标记.网络设备根据这些优先级标记来决定包的转发优先策略。目前IPv4网络中服务质量的划分基本是从流的类型出发.使用Diffserv来实现端到端服务质量保证，例如视频业务有低丢包、时延、抖动的要求，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，就分配较低的服务质量等级，这样的分配方式仅考虑了业务的网络侧质量需求.没有考虑业务的应用侧的质量需求，例如，一个普通视频业务对服务质量的需求可能比一个基于物联网传感的手术应用对服务质量的需求要低。因此物联网中的服务质量保障必须与具体的应用相结合。
 
　　最后，物联网节点的安全性和可靠性也需要重新考虑。由于物联网节点限于成本约束很多都是基于简单硬件的，不可能处理复杂的应用层加密算法，同时单节点的可靠性也不可能做得很高，其可靠性主要还是依靠多节点冗余来保证。因此，靠传统的应用层加密技术和网络冗余技术很难满足物联网的需求。

IPv6的物联网技术解决方案

1.IPv6地址技术

IPv6拥有巨大的地址空间，同时128 bit的IPv6的地址被划分成两部分，即地址前缀和接口地址。与IPv4地址划分不同的是，IPv6地址的划分严格按照地址的位数来进行，而不采用IPv4中的子网掩码来区分网络号和主机号。IPv6地址的前64位被定义为地址前缀。地址前缀用来表示该地址所属的子网络，即地址前缀用来在整个IPv6网中进行路由。而地址的后64位被定义为接口地址，接口地址用来在子网络中标识节点。在物联网应用中可以使用IPv6地址中的接口地址来标识节点。在同一子网络下。可以标识264个节点。这个标识空间约有185亿亿个地址空间.这样的地址空间完全可以满足节点标识的需要。

另一方面，IPv6采用了无状态地址分配的方案来解决高效率海量地址分配的问题。其基本思想是网络侧不管理IPv6地址的状态，包括节点应该使用什么样的地址、地址的有效期有多长.且基本不参与地址的分配过程。节点设备连接到网络中后。将自动选择接口地址(通过算法生成IPv6地址的后64位)，并加上FE80的前缀地址，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有效，路由器设备将不路由以该地址为源地址的数据包。在生成本地链路地址后，节点将进行DAD(地址冲突检测)，检测该接El地址是否有邻居节点已经使用，如果节点发现地址冲突，则无状态地址分配过程将终止，节点将等待手工配置IPv6地址。如果在检测定时器超时后仍没有发现地址冲突，则节点认为该接13地址可以使用，此时终端将发送路由器前缀通告请求.寻找网络中的路由设备。当网络中配置的路由设备接收到该请求.则将发送地址前缀通告响应.将节点应该配置的IPv6地址前64位的地址前缀通告给网络节点.网络节点将地址前缀与接口地址组合，构成节点自身的全球IPv6地址。
 
　　采用无状态地址分配之后，网络侧不再需要保存节点的地址状态，维护地址的更新周期，这大大简化了地址分配的过程.网络可以以很低的资源消耗来达到海量地址分配的目的。