[ 導讀 ] 物聯網感知層的IPv6協議標準化動態 ,摘要：物聯網感知層匯聚了數量眾多的智能物體，支持IPv6協議的感知層網絡帶來了充足的碼號空間、良好的

1  物聯網與IPv6

物聯網（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，其構想是通過RFID與無線傳感器網絡的結合來構建一個追蹤貨物的全球系統。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、無線傳感器網絡技術的飛速發展，這個幼小的思想得到了越來越廣泛的關注，并且被各方賦予了新的內涵和外延。2005年，國際電信聯盟（ITU）在其年度報告中對物聯網的概念、技術、市場、挑戰和未來構想方面進行了闡述。與此同時，互聯網的誕生地IETF自2006年開始也從技術層面展開了對物聯網的研究，制定了網絡層的相關技術標準。2010年3月，IRTF主席Aaron Falk在第77次會議上發起了IoT的興趣小組，計劃從研究層面推進相關工作。

物聯網的架構可以簡單地劃分為3個層次（感知層，網絡層和應用層），分別為物聯網提供了一些重要的特性，即全面感知、可靠傳送、智能處理。物聯網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、傳感器網絡、RFID、二維碼、攝像頭、GPS、智能物體等來全面感知現實世界中的各種信息。物聯網的感知層節點具有數量多、成本低、計算能力弱等特點，是物聯網信息的源頭，如何更好地管理維護感知層網絡、促進相關應用開展一直是學術界和工業界關注的重要問題之一。

物聯網引起全世界的廣泛關注以來，終端數量持續上升，逐漸成為上百億終端的市場，給網絡運營提出了兩個方面的挑戰。首先是碼號尋址需求，從國際和國內兩個方面看，IPv4地址不足已經成為不爭的事實。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，預計2012年亞洲地址管理分支機構APNIC的IPv4地址池將耗盡，屆時國內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展。由此可見，IPv4地址尚不能滿足互聯網和移動互聯網的地址需求，對于發展中的物聯網，特別是具有數量眾多的感知層節點的標識問題，這個問題更為明顯。其次，物聯網業務發展問題也凸顯出現，目前，感知終端上的數據格式多種多樣，難以統一管理運營，新型業務難以落地。由于缺乏統一的網絡層通信標準，應用程序的開發處于無章可循的狀態，且廣泛基于TCP/IP協議棧開發的互聯網應用不容易移植。因此，物聯網的發展需要統一標準的協議來支撐網絡向大規模泛在化發展，也需要一個標準的網絡基礎設置來孵化各種新型[FS:PAGE]的業務模式，真正實現“無處不在的網絡、無所不能的業務”。

基于這兩個方面的需求，物聯網和IPv6產生了廣泛的聯系。IETF從一開始研究物聯網相關技術以來，就把IPv6作為惟一選擇，IETF相關工作組的工作都是在IPv6基礎上展開的，相關的產業聯盟IPSO Alliance （IP Smart Object Alliance）也開始了IPv6產品化推廣的路線。最初不支持IP相關技術的Zigbee組織，也在其智能電網（Smart Energy）的最新標準規范中加入了對IPv6協議的支持。

本文介紹了物聯網感知層的IPv6協議標準化動態，介紹了IPv6技術在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網絡方面的研究。6LowPan（IPv6 over Low-power and Lossy Networks）工作組主要討論如何把IPv6協議適配到IEEE 802.15.4 MAC層和PHY層協議棧上的工作。RoLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）主要討論低功耗網絡中的路由協議，制訂了各個場景的路由需求以及傳感器網絡的RPL（Routing Protocol for LLN）路由協議。CoRE（Constrained Restful Environment）工作組由6LowApp興趣小組發展而來，主要討論資源受限網絡環境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應用層協議（Constrained Application Protocol，CoAP）。

2.1  6LowPan工作組

6LowPan工作組成立于2006年，屬于IETF互聯網領域。該工作組已完成兩個RFC：《在低功耗網絡中運行IP6協議的假設、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網絡中運行IPv6協議的主要挑戰來自于兩個方面，一方面802.15.4物理層支持的最大幀長度是127字節，而IPv6的報頭就占據了40字節，再加上MAC層報頭，安全報頭、傳輸層報頭的長度，實際能夠給應用層使用報文長度變得非常小。另一方面，IPv6協議（RFC2460）中規定的MTU值最小是1280字節，表明IP層最小只會把數據包分片到1280字節。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設計了一個適配層，把IPv6數據包適配到IEEE 802.15.4規定的物理層和鏈路層之上，支持報文分片和重組，同時6LowPan規定了IPv6報頭的無狀態壓縮方法，減小IPv6協議帶來的負荷。6LowPan工作組的工作在低功耗節點協議棧中的位置如圖1所示。

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[FS:PAGE]息。不包含擴展頭的IPv6報頭一共有40個字節，但是在網絡感知層，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協議的網絡中，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。

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