IPv6技術在泛在網感知延伸層的應用及標準化現狀
馬軍鋒 妥海俊
來源：電信網技術
摘要： 介紹了泛在網絡的基本概念、內涵以及網絡架構，概括了泛在網感知延伸層的關鍵技術，重點分析了感知延伸層IP技術路線，IPv6技術感知延伸層的應用以及相關國際標準化現狀。
Abstract：
Key words :
1 泛在網絡基本概念
Ubiquitous（無所不在）源自拉丁語，意為存在于任何地方。1991年Xerox實驗室的計算機科學家Mark
Weiser首次提出“泛在計算”（UbiquitousComputing）的概念，描述了任何人無論何時、何地都可以通過合適的終端設備與網絡進行連接，獲取個性化信息服務。隨著IT技術和通信技術的發(fā)展，通信網絡將不僅僅要滿足人與人之間的通信需求，而且要進一步發(fā)展到人與機器（或物體）以及機器到機器之間的通信，并朝著無所不在的網絡方向演進。在未來異構的網絡環(huán)境中，廣域網、局域網、車域網、家域網、個域網等不同層次、多種網絡技術會彼此互補、融合發(fā)展，并在微電子技術、嵌入式技術、短距離通信技術、傳感器技術、智能標簽技術的支撐下，最終促成“泛在信息社會的實現”。
泛在網是指基于個人和社會的需求，利用現有的和新的網絡技術，實現人與人、人與物、物與物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策、使用等服務，泛在網網絡具備超強的環(huán)境感知、內容感知及智能性，為個人和社會提供泛在的、無所不含的信息服務和應用。
“5C+5Any”是泛在網絡的關鍵特征，5C分別是：融合（Convergence），內容（Contents），計算（Computing），通信（Communication），連接（Connectivity）。5Any分別是：任何時間（Any
time），任何地點（Anywhere），任何服務（Any Service），任何網絡（Any Network），任何對象（AnyObject）?？傮w意思是，通過底層全連通的、可靠的、智能的網絡，以及融合的IT技術和通信技術，將通信服務擴展到教育、金融、智能建筑、交通/物流、健康醫(yī)療、災害管理、安全服務等行業(yè)，為人們提供更好的服務。
2 泛在網網絡架構
泛在網的網絡架構可以劃分為感知/延伸層、網絡層、應用層組成的三層體系結構（見圖1）。
圖1 泛在網的網絡架構
（1）泛在網的感知延伸層通過傳感器、二維條碼、RFID標簽、多媒體信息等信息采集終端實現物理世界各類目標的屬性、標識、狀態(tài)、類型、數量、強度等的各類信息獲取，并通過網絡、信息處理和中間件等技術將感知信息進行局部或全局地交互處理聚合等操作從而形成為網絡層提供物理世界的感知信息。感知延伸層必須解決低功耗、低成本和小型化的問題，并且面向更敏感、更全面的感知能力方向發(fā)展。
（2）泛在網的網絡層包括接入網子層和核心網子層。接入網子層包括衛(wèi)星至地面無線接入、有線寬帶接入、無線寬帶接入、2G/3G/超3G移動接入等各種接入技術。核心網子層包括現有的電信網、互聯網、廣電網、未來的下一代網絡（如NGN/NGI）以及各個行業(yè)自建的行業(yè)專用網絡。泛在網絡既然作為一個網絡，就需要一個統(tǒng)一的網絡架構和協議基礎，目前在核心層面可以考慮與NGN/IMS融合，核心協議包括SIP和TCP/IP等，在接入層面需要考慮多種有線和無線技術的協同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。
（3）泛在網的應用層主要實現信息的處理、協同、共享、決策，包括應用支撐子層和應用服務子層。應用支撐子層向行業(yè)服務提供統(tǒng)一、固定的一些網絡支撐服務，特別是為一些行業(yè)融合服務提供支撐，以便支持不同行業(yè)之間的互通。應用服務子層包括泛在網公眾服務、行業(yè)專用服務等。業(yè)務和應用涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現等多種技術。
3 泛在網感知延伸層的關鍵技術
泛在網感知延伸層的關鍵技術包括數據采集技術、無線/有線傳輸技術、組網技術、信息處理技術以及中間件技術，同時還涉及感知延伸層與網絡層的互通技術。
（1）數據采集技術。主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據，可以利用傳感器、RFID、一維碼/二維碼隨時隨地獲取物體信息，通過多媒體技術采集音、視頻信息，通過定位技術獲取物體定位信息。
（2）無線/有線傳輸技術。主要用于補充和延伸接入網絡，使得網絡能夠把各種“物”接入到網絡，目前，主要采用各種短距離無線通信技術，包括IEEE802.15.4，UWB，NFC，藍牙技術等。
（3）組網技術。通過無線自組織網絡技術，將分散的節(jié)點在一定范圍之內自動組成一個網絡，實現各節(jié)點采集信息的統(tǒng)一處理，統(tǒng)一傳送，或者經過節(jié)點之間的相互“聯系”，協商傳送各自的部分信息，最終實現信息可靠、高效傳送。
（4）信息處理技術。實現海量信息的協同處理，提供智能、精確的多元化信息服務。
（5）中間件技術。屏蔽底層軟（操作系統(tǒng)）、硬件差異，構建統(tǒng)一的開發(fā)平臺，封裝通用的功能組件，為上層應用提供服務。
（6）與網絡層互通技術。感知延伸層可以采用兩種不同的技術路線，一種是非IP技術，如ZigBee協議，另一種是IP技術。目前，網絡層主要采用IP技術組網，因此要實現采用非IP技術的感知延伸層與網絡層的互聯，必須通過網關設備實現協議互通。
（1）泛在網的感知延伸層通過傳感器、二維條碼、RFID標簽、多媒體信息等信息采集終端實現物理世界各類目標的屬性、標識、狀態(tài)、類型、數量、強度等的各類信息獲取，并通過網絡、信息處理和中間件等技術將感知信息進行局部或全局地交互處理聚合等操作從而形成為網絡層提供物理世界的感知信息。感知延伸層必須解決低功耗、低成本和小型化的問題，并且面向更敏感、更全面的感知能力方向發(fā)展。
（2）泛在網的網絡層包括接入網子層和核心網子層。接入網子層包括衛(wèi)星至地面無線接入、有線寬帶接入、無線寬帶接入、2G/3G/超3G移動接入等各種接入技術。核心網子層包括現有的電信網、互聯網、廣電網、未來的下一代網絡（如NGN/NGI）以及各個行業(yè)自建的行業(yè)專用網絡。泛在網絡既然作為一個網絡，就需要一個統(tǒng)一的網絡架構和協議基礎，目前在核心層面可以考慮與NGN/IMS融合，核心協議包括SIP和TCP/IP等，在接入層面需要考慮多種有線和無線技術的協同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。
（3）泛在網的應用層主要實現信息的處理、協同、共享、決策，包括應用支撐子層和應用服務子層。應用支撐子層向行業(yè)服務提供統(tǒng)一、固定的一些網絡支撐服務，特別是為一些行業(yè)融合服務提供支撐，以便支持不同行業(yè)之間的互通。應用服務子層包括泛在網公眾服務、行業(yè)專用服務等。業(yè)務和應用涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現等多種技術。
3 泛在網感知延伸層的關鍵技術
泛在網感知延伸層的關鍵技術包括數據采集技術、無線/有線傳輸技術、組網技術、信息處理技術以及中間件技術，同時還涉及感知延伸層與網絡層的互通技術。
（1）數據采集技術。主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據，可以利用傳感器、RFID、一維碼/二維碼隨時隨地獲取物體信息，通過多媒體技術采集音、視頻信息，通過定位技術獲取物體定位信息。
（2）無線/有線傳輸技術。主要用于補充和延伸接入網絡，使得網絡能夠把各種“物”接入到網絡，目前，主要采用各種短距離無線通信技術，包括IEEE802.15.4，UWB，NFC，藍牙技術等。
（3）組網技術。通過無線自組織網絡技術，將分散的節(jié)點在一定范圍之內自動組成一個網絡，實現各節(jié)點采集信息的統(tǒng)一處理，統(tǒng)一傳送，或者經過節(jié)點之間的相互“聯系”，協商傳送各自的部分信息，最終實現信息可靠、高效傳送。
（4）信息處理技術。實現海量信息的協同處理，提供智能、精確的多元化信息服務。
（5）中間件技術。屏蔽底層軟（操作系統(tǒng)）、硬件差異，構建統(tǒng)一的開發(fā)平臺，封裝通用的功能組件，為上層應用提供服務。
（6）與網絡層互通技術。感知延伸層可以采用兩種不同的技術路線，一種是非IP技術，如ZigBee協議，另一種是IP技術。目前，網絡層主要采用IP技術組網，因此要實現采用非IP技術的感知延伸層與網絡層的互聯，必須通過網關設備實現協議互通。
4 IPv6技術在泛在網感知延伸層的應用
4.1 泛在網感知延伸層IP技術路線
從目前的技術發(fā)展來看，泛在網感知延伸層智能終端的組網技術可以采用兩種不同的技術路線，一種是非IP技術，如ZigBee產業(yè)聯盟開發(fā)的ZigBee協議；另一種是IETF和IPSO產業(yè)聯盟倡導的將IP技術向下延伸應用到感知延伸層。顯然，采用IP技術路線，將有助于實現端到端的業(yè)務部署和管理，而且無需協議轉換即可實現與網絡層IP承載的無縫連接，簡化網絡結構。IP協議還具有以下特點適應于泛在網的需求，包括：
（1）IP協議是由IETF標準化的開放協議，使用它不需要交額外的授權費用。
（2）IP協議是輕量級的協議。IP曾經被認為是重量級的，但是最近許多小型的輕量級IP協議棧已經成功開發(fā)，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能夠滿足感知延伸層低功耗、低存儲容量、低運算能力智能終端的特殊需求。
（3）IP協議可擴展性強。如IPv6協議能夠支持巨大的地址空間，采用分層的地址結構能夠支持較大的網絡規(guī)模。
（4）IP協議可管理性強。IP網絡具有一套完全成熟并被廣泛認可的管理協議和機制。
（5）IP協議設計的健壯性、靈活性以及協議分層的理念架構，使其能夠支持幾乎所有的應用類型，包括遠程設備控制等低數據傳輸速率的應用，IP電話等延遲敏感的應用，以及文件下載等大量數據傳輸的應用等。
（6）IP協議與底層數據鏈路層協議無關。IP技術采用了分層架構，使其能夠工作在任何物理層面上，從有線到Wi-Fi到低功耗無線電等。
（7）IP網絡無所不在，幾乎所有的網絡都提供有線或者是無線方式的IP接入。
因此，從技術層面來看，在泛在網感知延伸層采用IP技術路線將能夠更好的滿足泛在網未來的發(fā)展需要。
4.2 IPv6技術在泛在網感知延伸層的應用
在泛在網絡環(huán)境下，要實現“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源量來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯網需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應用的規(guī)模普及之后，地址的需求會迅速膨脹。從目前可用的技術來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求。IPv6協議除具有4.1節(jié)描述的IP協議通用特性之外，還具有如下特點：
（1）即插即用。IPv6引入自動配置以及重配置技術，對于IP地址等信息實現自動增刪更新配置，提高IPv6的易管理性。
（2）安全性。IPv6集成了IPSec，用于網絡層的認證與加密，為用戶提供端到端安全。
（3）服務質量。新增流標記域，為源宿端快速處理實時業(yè)務提供可能。
（4）移動性。移動IPv6增強了終端的移動特性，為用戶提供了永久在線的服務。
上述特性使得IPv6除滿足泛在網巨大地址空間的需求之外，也能更好地滿足泛在網智能終端的互聯需求，但是需要對協議棧進行必要的簡化，改進路由機制以滿足低功耗、低存儲容量、低運算能力的智能節(jié)點以及存在損耗的網絡環(huán)境下的特殊組網需求。
5 應用于泛在網絡感知/延伸層的IPv6技術標準化現狀
目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作組和6lowAPP負責研究感知延伸層的IPv6應用和低功耗路由相關協議。
（1）6lowPAN（IPv6 over Low Power WPAN）工作組的研究重點為適配層、路由、包頭壓縮、分片、IPv6、網絡接入和網絡管理等技術。該工作組已完成兩個RFC：《概述、假設、問題陳述和目標》（RFC4919）；《基于IEEE802.15.4的IPv6報文傳送》（RFC4944）。
（2）ROLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）工作組主要研究低功率損耗網絡的路由問題。該工作組已完成兩個RFC：《市區(qū)低功率損耗網絡環(huán)境下的路由需求》（RFC5548）；《低功率損耗網絡環(huán)境下工業(yè)路由需求》（RFC5673）。
（3）6lowAPP主要研究基于資源約束的節(jié)點和網絡應用，如無線嵌入式網絡應用。目前，6lowAPP還不是IETF的一個工作組，在IETF75 “BarBOF”會議中明確了5個研究領域，包括應用協議、業(yè)務發(fā)現、傳輸、安全和數據表述。
成立于2008年9月的IPSO產業(yè)聯盟，也大力倡導將泛在網感知延伸層融合到IP技術體系中。IPSO聯盟的目標是提供給用戶更多的有關智能物體和工業(yè)領域以及市場方面的信息。該聯盟將提供案例研究和白皮書，跟蹤IETF和其它標準組織的標準，組織演示和互操作性測試等工作。IPSO開始工作的第一個目標是，在IEEE 802.15.4標準上實現IPv6的互操作性。目前，已發(fā)布了4個相關的白皮書，包括IP技術應用于智能物體、輕量級的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網絡標準以及鄰居發(fā)現機制。
6 結束語
在未來的泛在網絡環(huán)境中，網絡將不再是被動地滿足用戶的需求，而是要主動感知用戶場景的變化，并進行信息交互，為用戶提供個性化的服務。根據現階段技術和業(yè)務的發(fā)展情況，未來幾年，泛在網將處于泛在物聯階段，即以滿足物物通信需求目標為主。因此，可以結合終端設備對地址的大量需求，以簡化網絡結構和端到端的業(yè)務管理為出發(fā)點，考慮在相對封閉的物聯網中應用IPv6技術，實現智能物體的泛在互聯，同時帶動整個IPv6產業(yè)的成熟，為下一代互聯網大規(guī)模部署IPv6技術奠定基礎。
4.1 泛在網感知延伸層IP技術路線
從目前的技術發(fā)展來看，泛在網感知延伸層智能終端的組網技術可以采用兩種不同的技術路線，一種是非IP技術，如ZigBee產業(yè)聯盟開發(fā)的ZigBee協議；另一種是IETF和IPSO產業(yè)聯盟倡導的將IP技術向下延伸應用到感知延伸層。顯然，采用IP技術路線，將有助于實現端到端的業(yè)務部署和管理，而且無需協議轉換即可實現與網絡層IP承載的無縫連接，簡化網絡結構。IP協議還具有以下特點適應于泛在網的需求，包括：
（1）IP協議是由IETF標準化的開放協議，使用它不需要交額外的授權費用。
（2）IP協議是輕量級的協議。IP曾經被認為是重量級的，但是最近許多小型的輕量級IP協議棧已經成功開發(fā)，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能夠滿足感知延伸層低功耗、低存儲容量、低運算能力智能終端的特殊需求。
（3）IP協議可擴展性強。如IPv6協議能夠支持巨大的地址空間，采用分層的地址結構能夠支持較大的網絡規(guī)模。
（4）IP協議可管理性強。IP網絡具有一套完全成熟并被廣泛認可的管理協議和機制。
（5）IP協議設計的健壯性、靈活性以及協議分層的理念架構，使其能夠支持幾乎所有的應用類型，包括遠程設備控制等低數據傳輸速率的應用，IP電話等延遲敏感的應用，以及文件下載等大量數據傳輸的應用等。
（6）IP協議與底層數據鏈路層協議無關。IP技術采用了分層架構，使其能夠工作在任何物理層面上，從有線到Wi-Fi到低功耗無線電等。
（7）IP網絡無所不在，幾乎所有的網絡都提供有線或者是無線方式的IP接入。
因此，從技術層面來看，在泛在網感知延伸層采用IP技術路線將能夠更好的滿足泛在網未來的發(fā)展需要。
4.2 IPv6技術在泛在網感知延伸層的應用
在泛在網絡環(huán)境下，要實現“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源量來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯網需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應用的規(guī)模普及之后，地址的需求會迅速膨脹。從目前可用的技術來看，只有IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求。IPv6協議除具有4.1節(jié)描述的IP協議通用特性之外，還具有如下特點：
（1）即插即用。IPv6引入自動配置以及重配置技術，對于IP地址等信息實現自動增刪更新配置，提高IPv6的易管理性。
（2）安全性。IPv6集成了IPSec，用于網絡層的認證與加密，為用戶提供端到端安全。
（3）服務質量。新增流標記域，為源宿端快速處理實時業(yè)務提供可能。
（4）移動性。移動IPv6增強了終端的移動特性，為用戶提供了永久在線的服務。
上述特性使得IPv6除滿足泛在網巨大地址空間的需求之外，也能更好地滿足泛在網智能終端的互聯需求，但是需要對協議棧進行必要的簡化，改進路由機制以滿足低功耗、低存儲容量、低運算能力的智能節(jié)點以及存在損耗的網絡環(huán)境下的特殊組網需求。
5 應用于泛在網絡感知/延伸層的IPv6技術標準化現狀
目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作組和6lowAPP負責研究感知延伸層的IPv6應用和低功耗路由相關協議。
（1）6lowPAN（IPv6 over Low Power WPAN）工作組的研究重點為適配層、路由、包頭壓縮、分片、IPv6、網絡接入和網絡管理等技術。該工作組已完成兩個RFC：《概述、假設、問題陳述和目標》（RFC4919）；《基于IEEE802.15.4的IPv6報文傳送》（RFC4944）。
（2）ROLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）工作組主要研究低功率損耗網絡的路由問題。該工作組已完成兩個RFC：《市區(qū)低功率損耗網絡環(huán)境下的路由需求》（RFC5548）；《低功率損耗網絡環(huán)境下工業(yè)路由需求》（RFC5673）。
（3）6lowAPP主要研究基于資源約束的節(jié)點和網絡應用，如無線嵌入式網絡應用。目前，6lowAPP還不是IETF的一個工作組，在IETF75 “BarBOF”會議中明確了5個研究領域，包括應用協議、業(yè)務發(fā)現、傳輸、安全和數據表述。
成立于2008年9月的IPSO產業(yè)聯盟，也大力倡導將泛在網感知延伸層融合到IP技術體系中。IPSO聯盟的目標是提供給用戶更多的有關智能物體和工業(yè)領域以及市場方面的信息。該聯盟將提供案例研究和白皮書，跟蹤IETF和其它標準組織的標準，組織演示和互操作性測試等工作。IPSO開始工作的第一個目標是，在IEEE 802.15.4標準上實現IPv6的互操作性。目前，已發(fā)布了4個相關的白皮書，包括IP技術應用于智能物體、輕量級的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網絡標準以及鄰居發(fā)現機制。
6 結束語
在未來的泛在網絡環(huán)境中，網絡將不再是被動地滿足用戶的需求，而是要主動感知用戶場景的變化，并進行信息交互，為用戶提供個性化的服務。根據現階段技術和業(yè)務的發(fā)展情況，未來幾年，泛在網將處于泛在物聯階段，即以滿足物物通信需求目標為主。因此，可以結合終端設備對地址的大量需求，以簡化網絡結構和端到端的業(yè)務管理為出發(fā)點，考慮在相對封閉的物聯網中應用IPv6技術，實現智能物體的泛在互聯，同時帶動整個IPv6產業(yè)的成熟，為下一代互聯網大規(guī)模部署IPv6技術奠定基礎。
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