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，其構想是通過RFID與無線傳感器網(wǎng)絡的結合來構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、無線傳感器網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)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(lián)盟（ITU）在其年度報告中對物聯(lián)網(wǎng)的概念、技術、市場、挑戰(zhàn)和未來構想方面進行了闡述。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)的誕生地IETF自2006年開始也從技術層面展開了對物聯(lián)網(wǎng)的研究，制定了網(wǎng)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(fā)起了IoT的興趣小組，計劃從研究層面推進相關工作。

物聯(lián)網(wǎng)的架構可以簡單地劃分為3個層次（感知層，網(wǎng)絡層和應用層），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、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、促進相關應用開展一直是學術界和工業(yè)界關注的重要問題之一。

物聯(lián)網(wǎng)引起全世界的廣泛關注以來，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(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)務難以落地。由于缺乏統(tǒng)一的網(wǎng)絡層通信標準，應用程序的開發(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)絡向大規(guī)模泛在化發(fā)展，也需要一個標準的網(wǎng)絡基礎設置來孵化各種新型的業(yè)務模式，真正實現(xiàn)“無處不在的網(wǎng)絡、無所不能的業(yè)務”。

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(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相關技術的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)絡環(huán)境下的信息讀取操控問題，旨在制訂輕量級的應用層協(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)領域。該工作組已完成兩個RFC：《在低功耗網(wǎng)絡中運行IP6協(xié)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(wǎng)絡中運行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)議棧中的位置如圖1所示。

圖1 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。

為了對IPv6報頭進行無狀態(tài)壓縮，6LowPan工作組制定了兩種壓縮算法LOWPAN_HC1（RFC4944）和LOWPAN_IPHC（draft-ietf-6LowPan-hc-06），其中HC1算法用于使用本地鏈路地址（Link-local Address）的網(wǎng)絡，節(jié)點的IPv6地址前綴固定（FE80：：/10），IID可以由MAC層的地址計算而來，但是這種算法不能有效壓縮全局的可路由地址和廣播地址，因此不能用于LOWPAN網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)互訪的應用。LOWPAN_IPHC算法的提出主要是為了有效壓縮可路由的地址，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LowPan工作組進行最后的修訂狀態(tài)。

LOWPAN_HC1算法和LOWPAN_IPHC算法在MAC報頭之后定義了8位的一個選擇報頭，此選擇報頭的取值決定了壓縮報頭的具體格式和算法。詳細信息見表1。例如，如果前8位的取值是01000001，那么表示接下來是LOWPAN_HC1算法對應的壓縮報頭，如果前3位的取值是011，那么表示接下來的是LOWPAN_IPHC算法對應的壓縮報頭。

表1 6LowPan選擇報頭的含義

在選擇報頭后緊跟的是壓縮編碼，壓縮編碼由一些指示位組成，指示位的不同取值表明了IPv6報頭壓縮的不同方法。具體參見RFC4944。

除了IPv6無狀態(tài)報頭壓縮的方法之外，6LowPan工作組還制定了一系列相關標準，包括支持Mesh Routing的方法，簡化的IPv6 Neighbor Discovery協(xié)議，應用場景和路由需求等幾個關鍵的技術規(guī)范。6LowPan工作組是IETF物聯(lián)網(wǎng)感知層工作的發(fā)源地，其中的很多研究和探索直接影響了另外幾個工作組的成立和方向，下面將分別介紹。

2.2 IPv6路由工作組RoLL

RoLL（Routing over Lossy and Low-power Networks）工作組于2008年2月成立，屬于IETF路由領域的工作組。IETF RoLL工作組致力于制定低功耗網(wǎng)絡中IPv6路由協(xié)議的規(guī)范。ROLL工作組的思路是從各個應用場景的路由需求開始，目前已經(jīng)制定了4個應用場景的路由需求，包括家庭自動化應用（Home Automation，RFC5826）、工業(yè)控制應用（Industrial Control，RFC5673）、城市應用（Urban Environment，RFC5548）和樓宇自動化應用（Building Automation，draft-ietf-roll-building-routing-reqs）。

為了制訂出適合低功耗網(wǎng)絡的路由協(xié)議，ROLL工作組首先對現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議進行了綜述分析，工作組文稿draft-ietf-roll-routing-survey分析了相關協(xié)議的特點以及不足。然后研究了路由協(xié)議中路徑選擇的定量指標。ROLL工作組文稿draft-ietf-roll-routing-metrics包含兩個方面的定量指標，一方面是節(jié)點選擇指標，包括節(jié)點狀態(tài)，節(jié)點能量，節(jié)點跳數(shù)（Hop Count）；另一方面是鏈路指標，包括鏈路吞吐率、鏈路延遲、鏈路可靠性、ETX、鏈路著色（區(qū)分不同流類型）。為了輔助動態(tài)路由，節(jié)點還可以設計目標函數(shù)（Objective Function）來指定如何利用這些定量指標來選擇路徑。

在路由需求、鏈路選擇定量指標等工作的基礎上，ROLL工作組研究制定了RPL（Routing Protocol for LLN）協(xié)議。RPL協(xié)議目前是一個工作組文稿（draft-ietf-roll-rpl），已經(jīng)更新到第8版本。RPL協(xié)議支持3種類型的數(shù)據(jù)通信模型，即低功耗節(jié)點到主控設備的多點到點的通信，主控設備到多個低功耗節(jié)點的點到多點通信，以及低功耗節(jié)點之間點到點的通信。RPL協(xié)議是一個距離向量路由協(xié)議，節(jié)點通過交換距離向量構造一個有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，DAG）。DAG可以有效防止路由環(huán)路問題，DAG的根節(jié)點通過廣播路由限制條件來過濾掉網(wǎng)絡中的一些不滿足條件的節(jié)點，然后節(jié)點通過路由度量來選擇最優(yōu)的路徑。

2.3 IPv6應用工作組CoRE

2010年3月，CoRE（Constrained RESTful Environment）工作組正式成立，屬于應用領域（Application Area）。CoRE起源于6lowapp興趣組（BOF），主要討論受限節(jié)點上的應用層協(xié)議。隨著討論的深入，IETF技術專家把工作組的內容界定在為受限節(jié)點制定相關的REST形式的協(xié)議上。REST（Representational State Transfer）是指表述性狀態(tài)轉換架構，是互聯(lián)網(wǎng)資源訪問協(xié)議的一般性設計風格。REST提出了一些設計概念和準則：網(wǎng)絡上的所有對象都被抽象為資源；每個資源對應一個惟一的資源標識；通過通用的連接器接口；對資源的各種操作不會改變資源標識；對資源的所有操作是無狀態(tài)的。HTTP協(xié)議就是一個典型的符合REST準則的協(xié)議。在資源受限的傳感器網(wǎng)絡中，HTTP過于復雜，開銷過大，因此也需要設計一種符合REST準則的協(xié)議，這就是CoRE工作組正在制訂的CoAP協(xié)議（Constrained Application Protocol）。目前，CoAP協(xié)議還處于討論狀態(tài)，暫時沒有工作被IETF接受為工作組文稿。

應用CoAP協(xié)議之后，互聯(lián)網(wǎng)上的服務就能夠直接通過CoAP協(xié)議或者通過HTTP與CoAP協(xié)議之間的網(wǎng)關來進行資源讀取、修改、刪除等操作。圖2顯示了CoAP協(xié)議在傳感器、網(wǎng)關、互聯(lián)網(wǎng)服務器上的呈現(xiàn)。圖2（a）顯示了CoAP通過網(wǎng)關與HTTP協(xié)議進行轉換的方式，圖2（b）顯示了傳感器節(jié)點直接與支持CoAP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)服務器進行信息交互的方式。圖中也顯示了這兩種方式中，節(jié)點和網(wǎng)關的協(xié)議棧都是建立在IPv6和6LowPan協(xié)議棧之上的。

圖2 利用CoAP協(xié)議進行資源訪問的節(jié)點、網(wǎng)關和服務器的協(xié)議棧

除了CoAP協(xié)議，資源受限環(huán)境中的資源發(fā)現(xiàn)、安全、API等都在工作組的工作范圍之內，相關的工作正在積極地展開。

3 物聯(lián)網(wǎng)感知層IPv6協(xié)議的相關應用標準

物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6協(xié)議目前在IETF組織進行研究和標準化，其他相關標準化組織為了支持IPv6也要研究如何采用和應用IETF相關標準。目前，支持IPv6相關應用的國際標準化組織有IPSO，Zigbee，ISA-100等組織。

3.1 IPSO Alliance

IPSO Alliance（IP Smart Object Alliance）即IP智能物體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，是推動IETF所制訂的輕量級IPv6協(xié)議相關應用的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。IPSO成立于2008年9月，其發(fā)起組織包括CISCO，Ericsson，SUN等電信和互聯(lián)網(wǎng)廠商，也包括一些傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡的芯片和器件廠商，如Atmel，F(xiàn)reescale，Arch Rock，Sensinode等。

IPSO聯(lián)盟的主要目的是推動智能IP解決方案的產(chǎn)業(yè)實施和，實現(xiàn)智能IP解決方案的技術優(yōu)勢。IPSO分析了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中方案的問題，特別是這些方案長遠來看在大規(guī)模系統(tǒng)中難以互通的問題，指出IP技術作為一種成熟和高度互通的方案，是市場和技術的最優(yōu)選擇。IPSO目前的工作包括：引起產(chǎn)業(yè)界對IP智能物體解決方案的重視，利用現(xiàn)有方案并且進行技術開發(fā)；產(chǎn)出一系列幫助廠商開發(fā)的指導性研究報告、白皮書和應用場景；從市場層面輔助IETF組織的工作；連接起全世界支持IP智能感知和控制系統(tǒng)的公司；協(xié)調和組織市場推動工作；組織互通性測試。

目前，IPSO已經(jīng)產(chǎn)出5份白皮書，包括：

（1）IP協(xié)議帶來的優(yōu)勢。

（2）智能物體的輕量級IPv6協(xié)議棧：來自3個獨立互通實現(xiàn)的經(jīng)驗。

（3）6LowPan介紹。

（4）6LowPan鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議概覽。

（5）智能物體的網(wǎng)絡安全。

IPSO主要基于IETF所制訂的技術標準，以此來推動應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進行互通性測試，資質認證等等工作，是IETF物聯(lián)網(wǎng)技術的主要推動者。

3.2 Zigbee Alliance

Zigbee是IEEE 802.15.4組織對應的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。Zigbee制訂了短距離無線通信標準的網(wǎng)絡層和應用層，針對不同的應用制訂了相應的應用規(guī)范。Zigbee對應的物理層和鏈路層是在IEEE 802.15.4組織研究制訂的。

Zigbee目前正式發(fā)布的規(guī)范涵蓋了下面幾種應用：智能電力，遙控，家庭自動化，醫(yī)療，樓宇自動化，電信服務應用，零售服務應用等。Zigbee組織目前包含23個工作組和任務組，涵蓋技術相關的工作組：架構評估、核心協(xié)議棧、IP協(xié)議棧、低功耗路由器、安全，以及應用相關的工作組：樓宇自動化、家庭自動化、醫(yī)療、電信服務、智能電力、遠程控制、零售業(yè)務，還有與市場、認證相關的一些工作組。

Zigbee最初是不支持IP協(xié)議的，目前Zigbee已經(jīng)正式發(fā)布的應用規(guī)范都沒有對IP協(xié)議的支持。但是隨著IETF，IPSO相關工作的推進，以及Zigbee內部成員單位的推動，Zigbee的智能電力Smart Energy 2.0應用已經(jīng)開始全面支持IP協(xié)議。同時，Zigbee內部成立了IP-stack工作組，專門制定IPv6協(xié)議在Zigbee規(guī)范中的應用方法。Zigbee Smart Energy2.0應用也將采用IETF 6LowPan制訂的適配層，要求IEEE 802.15.4設備的網(wǎng)絡中使用這種輕載的IPv6協(xié)議棧，同時把對6LowPan的支持作為一種必選。在應用層，新的規(guī)范也支持輕量級的COAP協(xié)議。Zigbee IP-stack工作組的工作范圍可以從圖3顯示出來。

圖3 Zigbee IP Stack工作組的工作范疇

適配層（Adaption Layer）提供報頭壓縮和解壓縮功能，IP報文分片重組的能力；網(wǎng)絡層提供IPv6地址配置、ICMPv6協(xié)議、鄰居發(fā)現(xiàn)、路由、安全接入的能力；傳輸層要求提供多路數(shù)據(jù)流服務，進行擁塞控制和流量控制；在基礎設施服務層，Zigbee IP Stack工作組正在制訂EAP認證，TLS，端到端安全的相關架構和技術規(guī)范。

3.3 ISA-100

ISA（International Society of Automation）是無線傳輸在工控領域的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，ISA專門成立了一個由終端用戶和技術提供者組成的ISA-100委員會，該委員會的主要任務是制定標準、推薦操作規(guī)程、起草技術報告等，用以定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關規(guī)程和實現(xiàn)技術。ISA-100.11a工作組主要由10個子工作組組成：系統(tǒng)工作組、匯集工作組、PHY/MAC層工作組、安全工作組、網(wǎng)絡/傳輸層工作組、網(wǎng)絡管理工作組、評估工作組、應用層工作組、編輯工作組合網(wǎng)關工作組。其中，在網(wǎng)絡/傳輸層上，ISA-100.11a組織也要求支持RFC4944的網(wǎng)絡層協(xié)議棧，支持6LowPan，IPv6協(xié)議和TCP/UDP。

4 結束語

物聯(lián)網(wǎng)的感知層技術多種多樣，沒有形成統(tǒng)一的標準，難以大規(guī)?；ネāP協(xié)議作為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一標準，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要的借鑒意義，成為了物聯(lián)網(wǎng)標準研究和技術應用的一種方向?；ヂ?lián)網(wǎng)的誕生地IETF制訂了IPv6低功耗網(wǎng)絡的相關標準，并且成為IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、ISA-100組織的選擇，以及Zigbee組織的發(fā)展方向。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)感知層IPv6協(xié)議標準化的動態(tài)，概括了相關技術標準的主要內容以及應用發(fā)展狀況。物聯(lián)網(wǎng)感知層的IPv6技術正日臻完善，期待著未來會有越來越多的網(wǎng)絡應用采用IPv6協(xié)議，實現(xiàn)真正的端到端的互聯(lián)互通。