IPV6及其在物联网中的应用

IPV6及其在物联网中的应用摘要近几年，我国明确提出了要大力发展战略性新兴产业，规划引导下一代网络发展。促进物联网、互联网、移动互联网的融合发展，业已成为了我国信息网络建设工作的重点之一。而伴随着科学技术的发展以及现代化新应用的相继产生，陈旧的IPv4协议很难适应互联网的日益发展与进步，跟不上时代的发展的趋势，地址资源日益减少、路由表使用量增大、质量服务不到位等不足都使我们开始把目光转向新技术。物联网中的节点构成一个无线传感网络，这个无线传感网络负责传递和处理感知层获取的信息。而本文介绍的就是基于IPv6技术的无线传感器网络技术，，它把IPv6技术融入无线传感器网络，采用分层结构构建开发式的网络体系，不仅能解决无线传感器网络间、无线传感器网络与Internet间的互连互通问题，同时解决了无线传感器网络固有的缺点，如需要数量巨大的地址资源、需要实现有效地址管理机制、缺乏应有的安全机制等问题。文章就IPv6技术在无线传感网络组网的应用，概述了相关的关键技术及重点解决问题。关键词：IPV6；物联网；无线传感引言IPv6是以IETF为设计基础的互联网协议升级版，作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高以及移动性好等优点，它是下一代IP协议发展的一个客观趋势，相对IPv4，具有实现网络接入及信息资源共享、地址资源丰富、易开发等方面的明显优势。由于6LowPAN技术支持IPv6与无线传感网的无缝连接，因此其特别适合应用于嵌入式IPv6这一领域，并且还可以通过IPv6协议接入下一代互联网，使人们与周围环境更紧密地结合，实现IPv6协议所倡导的“无处不在的IP”理念。随着IPv6网络的广泛应用，以及无线传感器网络技术的深入发展，基于IPv6的无线传感器网络将是无线传感器网络的重要发展方向。1IPv6核心技术就IP地址数量而言，相比之下最显著的特点就是IPv6是由128位数字组成的它有相对更宽裕的地址空间，另外在主机接口处可以提供不痛种类的地址配置，主要包含：全球地址、全球单播地址、区域地址、链路本地地址、地区本地地址、广播地址、多播群地址、任播地址、移动地址、家乡地址、转交地址等。IPv6的第二个优势是它可以支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。其中无状态地址自动配置方式是：在地址节点配置时运用一种邻居发现机制得到一个局部连接地址。在此地址获取之后，它使用另一种即插即用的机制，在全自动的状态下，得到一个独一无二的路由IP。除此之外，IPv6独特性可以从以下几点表现出来。1.1灵活的路由机制通常的路由算法是：首先在目的地址缓存中查找与发送报文目的地址匹配的记录，找不到再在前缀列表中查找与之匹配的记录，还找不到再看是否有默认路由；其中之一匹配成功，得到下一跳地址，如果都不成功，目的地址设为下一跳地址。再查找邻居表，如果有与下一跳地址匹配的记录，用该记录中的MAC地址发送报文；否则，调用地址解析程序解析下一跳IP地址对应的MAC地址，解析成功，更新邻居表，发送报文，解析失败，返回错误。在无线传感器网络中，内部节点只有一个接口，为简化下一跳的选择过程，做如下处理：前缀表中按照前缀长度递减排序，并加上链路本地前缀和默认路由，默认路由前缀长度设置为0，是表中的最后一条记录。这样在选择下一跳时，可顺序查找前缀表，第一个找到的就是最长前缀匹配，即使在真正的前缀中找不到匹配的下一跳，最后一条记录是默认路由，肯定能匹配成功。删去目的地址缓存及其匹配过程。目的地址缓存的目的是提高下一跳选择的效率，在内部节点上的前缀记录实际上只有三条记录：链路本地地址前缀对应的记录；全球地址前缀对应的记录；默认路由。如果还使用目的地址缓存，不仅消耗内存空间和代码空间，而且实际的查询效率也得不到有效提高。IPV6的优点之一就是提供灵活的路由机制。由于分配IPV4网络ID所用的方式，要求位于INTERNET中枢上的路由器维护大型路由表。这些路由器必须知道所有的路由，以便转发可能定向到TNTERNET上的任何节点的数据包。通过其聚合地址能力，IPV6支持灵活的寻址方式，大大减小了路由表的规模。在这一新的寻址结构中，中间路由器必须只跟踪其网络的本地部分，以便适当地转发消息。邻居发现提供以下一些功能：（1）路由器发现。这允许主机标识本地路由器。（2）地址解析。这允许节点为相应的下一跃点地，址解析链路层地址（替代地址解析协议）。地址自动配置。这允许主机自动配置站点－本地地址和全局地址。邻居发现将INTERNET控制消息协议用于IPV6消息。（3）路由器广告。在伪定期的基础上或响应路由器请求由路由器发送。IPV6路由器使用路由器广告来公布其可用性、地址前缀和其他参数。（4）路由器请求。由主机发送，用于请求链路上的路由器立即发送路由器广告。（5）邻居请求。由节点发送，以用于地址解析、重复地址检测，或用于确认邻居是否仍可访问。（6）邻居广告。由节点发送，以响应邻居请求或通知邻居链路层地址中发生了更改。（7）重定向。由路由器发送，从而为某一发送节点指示指向特定目标的更好的下一跃点地址。1.2安全机制IPv4中存在一系列的安全性漏洞，应用程序只能通过本身的私有性和认证性操作机制完成安全性操作，而IPv6协议给出了两个备选项用于解决这个问题：一个是“安全性操作”选项，另一个是“IPv6加密安全头部”选项。由于不同的用户或不同应用环境有不同的安全性操作，IPv6协议允许分别或组合使用这两个备选项，以提供不同优先级别的网络服务性能。实现端到端的安全性，从而从根本上保证了互联网通信的安全性。虽然在现阶段处在IPv4和IPv6的并存阶段，由此还存在密钥统一管理认可的问题，网络中可以忽略IPSec加密功能，但纯IPv6网络中最终将实现全网的IPSec。这对物联网中原先基于IPv4架构的网络内容审计类信息安全产品将是致命的，产品针对网络通路进行内容审计的功能将失效；对于网络访问控制类产品而言，现阶段的研究热点，如DPI等基于内容分析控制的能力也将被削弱。在这种情况下，信息安全产品可能会更多地向端设备的形式进行转变，通过结合各类安全信息进行综合研判，来实现其安全功能。随着物联网中IPv6服务的增加，IPv6网络逐步扩展，将进入IPv4/IPv6共存期。为解决好IPv4和IPv6网络互访的问题，目前业界常用的过渡技术有：双协议栈方式（DualStack）、协议转换（NAT－PT）、隧道（Tunnel）等[4]。双协议栈技术是指在网络节点上同时部署IPv4和IPv6两种协议栈，使得网络节点可以同时支持两种协议。双栈策略的优点是概念清晰，易于理解，网络规划相对简单，同时在IPv6逻辑网络中可以充分发挥IPv6协议的所有优点。但是双栈策略也存在如下缺点：对信息安全设备的要求较高，要求其不但支持IPv4路由协议，而且支持IPv6路由协议，这就要求其维护大量的协议和数据。协议转换实现了网络层的协议翻译。其优点是不需要进行IPv4、IPv6节点的升级改造，缺点是IPv4节点访问IPv6节点的实现方法比较复杂，网络设备进行协议转换、地址转换的处理开销较大。因此，该策略一般是在其他互通方式无法使用的情况下使用。隧道技术分为手动和自动配置两种。手工配置由于人工工作量大，导致效率低下，并且容易出现差错，只在大网之间进行IPv6互连且隧道的数目不多时，才会考虑采用。手工方式管理和配置隧道方式，逐渐被多种不同实现机制的自动配置隧道方式所代替。以上这些复杂的过渡技术直接导致了IPv6物联网信息安全产品在协议栈分析、产品架构等方面必须进行大量开发升级。因此，IPv4和IPv6共存的物联网环境下，信息安全产品必须针对过渡技术进行研发，信息安全产品升级换代不可避免。通过以上的研究分析，IPV6简化了协议报头，并且引入了两个新的扩展报头AH和ESP。它们帮助IPV6解决了身份认证、数据完整性和机密性的问题，使IPV6极大地提高了物联网传输承载层的安全，这是一大进步。但是，这些安全机制对于当前的计算机网络安全体系造成了很大的冲击。这些原理和特征发生明显变化所引发的安全问题直接影响到信息安全产品的发展方向。IPV4和IPV6数据包格式的比较:表1IPV4数据包格式长度服务类型版本数据包长度数据包ID分段移植分段标志协议生存期校验和源IPV4地址目的IPV4地址IP选项(需要时添加pedding)表2IPV6数据包格式服务类型版本流标签下一报头跳数上线净荷长度源IPV6地址目的IPV6地址IPv6报头采用128bit地址长度，这是IPv4与IPv6最主要的区别。IPv6几乎可以不受限制地提供IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。由于地址范围巨大，IPv6地址在类型方面也发生了变化，对应于IPv4的广播地址已不再有效，有效类型为：单播、组播和任意点播（RFC2373）。IPv6地址的变化导致了信息安全产品在寻址原理和实现方法方面都需要进行发展变更。为避免由于地址范围扩大而造成的寻址困难的问题，机制上需要借助更多的特殊地址进行辅助判断。物联网关键技术以及体系结构在“物联网”报告中，有物联网的四个关键性应用技术：智能技术——思考事物；RFID——标签事物；纳米技术——微缩事物；网络技术——感知事物。智能技术以及传感器网络技术，传感器的“感觉器官”通过物质世界来感知，分别有电、热、声、光等一些信号，功能是分别负责网络系统的分析、传输以及处理信息。近些年来，随着我国科学技术的迅猛发展，过去传统的传感器已经逐步不能够适应信贷的智能化了，正在不断的向网络化，信息化以及微型化和嵌入式WEB传感器方面发展。射频识别技术的RFID，它是目前市场关注的最佳技术。它是在20世纪90年代的视乎广泛兴起的一种自动识别技术，它是当前仍然比较先进的非接触性识别技术。它是通过射频信号自动识别来获取所需要的数据，它是由读写器、标签以及业务、传输网络等系统构成的。射频识别技术的标签当中存储的是具有规范性的胡同通用的信息，并且通过无线数据通信网络技术的形式来吧数据采集到中央信息系统当中，以此来实现对各个物品的识别技术，并且通过开放型计算机的实现来实现共享和信息交换技术，对商品或物品是想的是透明式的管理模式。无线传感器网络（WSN）是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景。Ipv6传感器网络是一种新兴的网络形态，它把Ipv6技术融入无线传感器网络，采用分层结构构建开发式的网络体系，不仅能解决无线传感器网络间、无线传感器网络与Internet间的互连互通问题，同时解决了无线传感器网络固有的缺点，如需要数量巨大的地址资源、需要实现有效地址管理机制、缺乏应有的安全机制等问题。下面就IPV6技术在无线传感网络组网的应用，概述了相关的关键技术及重点解决问题。2基于IPV6的无线传感网络IPV6无线传感器网络与现有网络的互联互通主要有两种：直接接入方式、网关接入方式。（1）直接接入方式采用移动终端直接与无线传感器网络节点通信的方式进行互联，简化了网络接入的模型，不需要特殊的中间节点或者网关进行转发，直接接入现有网络，成为网络终端，实现与现有网络的无缝融合。IPV6无线传感器网络与现有网络互联互通的直接接入方式如图所示。（2）网关接入方式IPV6无线传感器网络协议栈，将采集的数据通过无线传感器网络路由协议汇聚到网关，由网关对数据的转发处理，接入各种承载网络将信息发送到服务器，网关只需配置相应的接入模块即可。服务器端对监测信息进行处理和分析，并存储到数据库中。用户终端通过现有网络的协议访问服务器，获取IPV6无线传感器网络设备的信息，实现对设备的访问、控制以及有效的管理网关接入方式如图所示。IPV6基本协议栈核心协议的最基本功能：IPV6基本描述协议、ND邻居发现）协议、ICMPV6（因特网控制报文）协议和IPV6地址的自动配置协议等。IPV6基本描述协议：IPV6数据包的发送、接收、处理等基本功能。ND（邻居发现）协议：邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。CMPV6（因特网控制报文）协议：主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。IPV6地址自动配置协议：根据IPV6地址格式的要求，主要实现IPV6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置。直接接入方式网关接入方式本文提出通信网络采用有线网络和无线传感器网络相融合拓扑模型，如图所示。用现有专用光纤，无线传感器网络具有网络自愈功能，且每个节点都是一个传感器，可采集相关信息数据，同时充当无线网络路由器传输数据。无线传感器网络通过接入节点（ＡＰ）接入有线网络，将数据通过专用光纤传输至中心监控系统。ＡＰ节点是无线传感器网络同有线网络交互的网关节点，同时运行无线网络通信和有线网络通信双协议。网关应用程序LWIPARPIP-Ethernet协议ARPIP-IEEE802.15.4AdaptionLayerMACMACPHYPHY无线传感器网络和有线网络协议交换在IPV6协议族中，有线网络数据传输使用硬件地址（MAC进行识别设备，其中地址解析协议（ARP）完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证无线传感器网关在有线网络中的通信，必须要实现ARP协议功能。无线传感网络中节点都还拥有自己唯一的MAC地址，参考TCP/IP下的实现机制，实现ZIGBEE协议中的适配层和ARP，实现IP地址到ZIGBEE无线传感器节点地址的映射。协议转化如上图所示，完成数据在ZIGBEE无线传感器网络和TCP/IP有线网络之间的协议转换过程。物理层数据链路层是通过网桥或交换机在网段之间根据数据帧中的信息（MAC地址）转发数据帧。如图５所示。网关用来连接不同体系结构的网络。如图6所示。IEEE802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。802.15.4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域，后期802.15.4的市场将转向消费者和家庭用户，主要应用于家庭自动化、安全和交互式玩具。802.15.4网络另一个充满魅力的应用领域是精作农业。针对巨大的中国市场和2008年国际奥林匹克运动会，802.15.4技术产品将在中国的环境监测和保护领域发挥重要的作用。利用该技术可以对污染源，特别是各工厂废水，废气的排放口进行实时监测控制，在每个排放口安装相应感应器，完成样本的采集、分析和最终的流量测定。就目前的环境来说，污染源的数量大的惊人，仅北京地区的排污口就有几万个。基于IPV6的IEEE802.15.4的无线传感器网络是目前研究的一个热点。其中，设计适合传感器节点的嵌入式IPV6协议栈是一个关键。数据链路层网关802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两个物理层，即2.4GHZ频段和868MHZ/915MHZ频段物理层。免许可证的2.4GHZism频段全世界都有，而868MHZ和915MHZ的ISM频段分别只在欧洲和北美有。在802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信道2.4GHZ波段为全球统一、无需申请的ISM频段，有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4GHZ的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250KB/S的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。在868MHZ频段有1个20KB/S（或20Ksymbol/s）的信道。为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE标准委员会在2000年12月正式批准并成立了802.15.4工作组，任务就是开发一个低数据率的WPAN（WirelessPersonalAreaNetwork）标准，它具有复杂度低、成本极少和功耗很小的特点，能在低成本的设备之间进行低数据率的传输。IEEE802.15.4的部分特点如下：（1）低带宽，支持250kb/S(2.4GHZ)、40kbit/s（915MHz）和20kbit/s（868MHz）三种速率。（2）网络拓扑简单，支持星型网络、树状网络以及Mesh网络，可以在拓扑中进行多跳路由的操作。（3）支持两种地址：64bit的标准EUl64长MAC地址、16bit短MAC地址，可以视协议实现选用两种地址。（4）支持时隙保证机制，通过预留保证时隙（GTS）提供无竞争媒体访问。（5）竞争期以CSMA-CA机制访问媒体。（6）以完全确认的协议保证传输的可靠性。（7）低耗电量，一般运行802.15.4的节点都要求使用低功耗的硬件设备，通常使用电池供电。（8）能量检测（ED）。（9）链路质量指示（LQI）。（10）定义了27个信道：2450MHz频段16个信道、915MHz频段10个信道和868MHz频段1个信道。IEEE802.15.4物理层定义了868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段。这些频段上所采用的调制和扩频技术参数归纳如表1所示。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz频段只有1个信道，915MHz频段有10个信道，2.4GHz频段上划分了16个信道。IEEE802.15.4的调制和扩频参数频率/MHz扩频参数数据参数码片速率(kchip/s)调制方式比特速率/kbps符号速率符号阶数868/915868~868.6300BPSK2020二进制902~928600BPSK4040二进制24502400~2483.52000O-QPSK25062.5十六进制IPv6并不能直接运行在IEEE802.15.4MAC层上，由于IEEE802.15.4协议作为以低功耗低开销为目的的无线传感器网络协议，在报文长度、底层路由等方面都无法适应IPv6的需求，从而无法像在其他MAC层协议（如以太网）上那样直接构建IPv6协议，这就需要一个中间层——适配层来提供对IPv6必要的支持。因此，6LowPAN在IEEE802.15.4MAC层和IPv6网络层之间构建了适配层，通过适配层来弥补IEEE802.15.4MAC层对IPv6网络层支持的不足。IPv6技术相对于ZigBee、IEEE1451等其他技术而言，具有如下的优势：（1）实现网络接入及信息资源共享：IPv6是今后网络发展的客观趋势，以TCP/IPv6为基础设计无线传感器网络的通信协议，将为无线传感器的接入提供极大的方便，使低速无线个域网（LR-WPAN）更易于接入其他基于IP技术的网络，包括下一代互连网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。（2）更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大的亮点就是庞大的地址空间，这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。（3）推动无线传感网协议的标准化：TCP/IP协议目前已有比较成熟的、规范的技术标准，以IP协议设计的无线传感网的通信协议，更容易推进无线传感网协议的标准化，使不同厂家、不同类型的产品间更便于相互兼容及互联互通。（4）易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。由此可见，IPv6技术在LR-WPAN上的应用具有广阔发展的空间，而将LR-WPAN接入互联网也会大大扩展其应用，使得大规模LR-WPAN的实现成为可能。4应用前景无线传感器网络的大规模商业应用及6LowPAN技术的优势，将在环境监测、医疗领域及其他领域有非常广泛的应用。在环境的监测和保护方面，将无线传感网应用