IPv6技術(shù)在泛在網(wǎng)感知延伸層的應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

1 泛在網(wǎng)絡(luò)基本概念

Ubiquitous（無(wú)所不在）源自拉丁語(yǔ)，意為存在于任何地方。1991年Xerox實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Mark Weiser首次提出“泛在計(jì)算”（Ubiquitous Computing）的概念，描述了任何人無(wú)論何時(shí)、何地都可以通過(guò)合適的終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，獲取個(gè)性化信息服務(wù)。隨著IT技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)將不僅僅要滿足人與人之間的通信需求，而且要進(jìn)一步發(fā)展到人與機(jī)器（或物體）以及機(jī)器到機(jī)器之間的通信，并朝著無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)。在未來(lái)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、車域網(wǎng)、家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)等不同層次、多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)彼此互補(bǔ)、融合發(fā)展，并在微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能標(biāo)簽技術(shù)的支撐下，最終促成“泛在信息社會(huì)的實(shí)現(xiàn)”。

泛在網(wǎng)是指基于個(gè)人和社會(huì)的需求，利用現(xiàn)有的和新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、認(rèn)知、決策、使用等服務(wù)，泛在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具備超強(qiáng)的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及智能性，為個(gè)人和社會(huì)提供泛在的、無(wú)所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。

“5C+5Any”是泛在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征，5C分別是：融合（Convergence），內(nèi)容（Contents），計(jì)算（Computing），通信（Communication），連接（Connectivity）。5Any分別是：任何時(shí)間（Any time），任何地點(diǎn)（Anywhere），任何服務(wù)（Any Service），任何網(wǎng)絡(luò)（Any Network），任何對(duì)象（Any Object）。總體意思是，通過(guò)底層全連通的、可靠的、智能的網(wǎng)絡(luò)，以及融合的IT技術(shù)和通信技術(shù)，將通信服務(wù)擴(kuò)展到教育、金融、智能建筑、交通/物流、健康醫(yī)療、災(zāi)害管理、安全服務(wù)等行業(yè)，為人們提供更好的服務(wù)。

2 泛在網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以劃分為感知/延伸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成的三層體系結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）泛在網(wǎng)的感知延伸層通過(guò)傳感器、二維條碼、RFID標(biāo)簽、多媒體信息等信息采集終端實(shí)現(xiàn)物理世界各類目標(biāo)的屬性、標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、類型、數(shù)量、強(qiáng)度等的各類信息獲取，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、信息處理和中間件等技術(shù)將感知信息進(jìn)行局部或全局地交互處理聚合等操作從而形成為網(wǎng)絡(luò)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(wèn)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(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)子層和核心網(wǎng)子層。接入網(wǎng)子層包括衛(wèi)星至地面無(wú)線接入、有線寬帶接入、無(wú)線寬帶接入、2G/3G/超3G移動(dòng)接入等各種接入技術(shù)。核心網(wǎng)子層包括現(xiàn)有的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、未來(lái)的下一代網(wǎng)絡(luò)（如NGN/NGI）以及各個(gè)行業(yè)自建的行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)。泛在網(wǎng)絡(luò)既然作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，就需要一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)，目前在核心層面可以考慮與NGN/IMS融合，核心協(xié)議包括SIP和TCP/IP等，在接入層面需要考慮多種有線和無(wú)線技術(shù)的協(xié)同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。

（3）泛在網(wǎng)的應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享、決策，包括應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用服務(wù)子層。應(yīng)用支撐子層向行業(yè)服務(wù)提供統(tǒng)一、固定的一些網(wǎng)絡(luò)支撐服務(wù)，特別是為一些行業(yè)融合服務(wù)提供支撐，以便支持不同行業(yè)之間的互通。應(yīng)用服務(wù)子層包括泛在網(wǎng)公眾服務(wù)、行業(yè)專用服務(wù)等。業(yè)務(wù)和應(yīng)用涉及海量信息的智能處理、分布式計(jì)算、中間件、信息發(fā)現(xiàn)等多種技術(shù)。

3 泛在網(wǎng)感知延伸層的關(guān)鍵技術(shù)

泛在網(wǎng)感知延伸層的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線/有線傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及中間件技術(shù)，同時(shí)還涉及感知延伸層與網(wǎng)絡(luò)層的互通技術(shù)。

（1）數(shù)據(jù)采集技術(shù)。主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻、視頻數(shù)據(jù)，可以利用傳感器、RFID、一維碼/二維碼隨時(shí)隨地獲取物體信息，通過(guò)多媒體技術(shù)采集音、視頻信息，通過(guò)定位技術(shù)獲取物體定位信息。

（2）無(wú)線/有線傳輸技術(shù)。主要用于補(bǔ)充和延伸接入網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)能夠把各種“物”接入到網(wǎng)絡(luò)，目前，主要采用各種短距離無(wú)線通信技術(shù)，包括IEEE802.15.4，UWB，NFC，藍(lán)牙技術(shù)等。

（3）組網(wǎng)技術(shù)。通過(guò)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將分散的節(jié)點(diǎn)在一定范圍之內(nèi)自動(dòng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)采集信息的統(tǒng)一處理，統(tǒng)一傳送，或者經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的相互“聯(lián)系”，協(xié)商傳送各自的部分信息，最終實(shí)現(xiàn)信息可靠、高效傳送。

（4）信息處理技術(shù)。實(shí)現(xiàn)海量信息的協(xié)同處理，提供智能、精確的多元化信息服務(wù)。

（5）中間件技術(shù)。屏蔽底層軟（操作系統(tǒng)）、硬件差異，構(gòu)建統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，封裝通用的功能組件，為上層應(yīng)用提供服務(wù)。

（6）與網(wǎng)絡(luò)層互通技術(shù)。感知延伸層可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee協(xié)議，另一種是IP技術(shù)。目前，網(wǎng)絡(luò)層主要采用IP技術(shù)組網(wǎng)，因此要實(shí)現(xiàn)采用非IP技術(shù)的感知延伸層與網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)，必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)議互通。

4 IPv6技術(shù)在泛在網(wǎng)感知延伸層的應(yīng)用

4.1 泛在網(wǎng)感知延伸層IP技術(shù)路線

從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，泛在網(wǎng)感知延伸層智能終端的組網(wǎng)技術(shù)可以采用兩種不同的技術(shù)路線，一種是非IP技術(shù)，如ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議；另一種是IETF和IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟倡導(dǎo)的將IP技術(shù)向下延伸應(yīng)用到感知延伸層。顯然，采用IP技術(shù)路線，將有助于實(shí)現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)部署和管理，而且無(wú)需協(xié)議轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)層IP承載的無(wú)縫連接，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。IP協(xié)議還具有以下特點(diǎn)適應(yīng)于泛在網(wǎng)的需求，包括：

（1）IP協(xié)議是由IETF標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)放協(xié)議，使用它不需要交額外的授權(quán)費(fèi)用。

（2）IP協(xié)議是輕量級(jí)的協(xié)議。IP曾經(jīng)被認(rèn)為是重量級(jí)的，但是最近許多小型的輕量級(jí)IP協(xié)議棧已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能夠滿足感知延伸層低功耗、低存儲(chǔ)容量、低運(yùn)算能力智能終端的特殊需求。

（3）IP協(xié)議可擴(kuò)展性強(qiáng)。如IPv6協(xié)議能夠支持巨大的地址空間，采用分層的地址結(jié)構(gòu)能夠支持較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

（4）IP協(xié)議可管理性強(qiáng)。IP網(wǎng)絡(luò)具有一套完全成熟并被廣泛認(rèn)可的管理協(xié)議和機(jī)制。

（5）IP協(xié)議設(shè)計(jì)的健壯性、靈活性以及協(xié)議分層的理念架構(gòu)，使其能夠支持幾乎所有的應(yīng)用類型，包括遠(yuǎn)程設(shè)備控制等低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用，IP電話等延遲敏感的應(yīng)用，以及文件下載等大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用等。

（6）IP協(xié)議與底層數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議無(wú)關(guān)。IP技術(shù)采用了分層架構(gòu)，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(wú)線電等。

（7）IP網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不在，幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)都提供有線或者是無(wú)線方式的IP接入。

因此，從技術(shù)層面來(lái)看，在泛在網(wǎng)感知延伸層采用IP技術(shù)路線將能夠更好的滿足泛在網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展需要。

4.2 IPv6技術(shù)在泛在網(wǎng)感知延伸層的應(yīng)用

在泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)“一物一地址，萬(wàn)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(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應(yīng)用的規(guī)模普及之后，地址的需求會(huì)迅速膨脹。從目前可用的技術(shù)來(lái)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(xié)議除具有4.1節(jié)描述的IP協(xié)議通用特性之外，還具有如下特點(diǎn)：

（1）即插即用。IPv6引入自動(dòng)配置以及重配置技術(shù)，對(duì)于IP地址等信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證與加密，為用戶提供端到端安全。

（3）服務(wù)質(zhì)量。新增流標(biāo)記域，為源宿端快速處理實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供可能。

（4）移動(dòng)性。移動(dòng)IPv6增強(qiáng)了終端的移動(dòng)特性，為用戶提供了永久在線的服務(wù)。

上述特性使得IPv6除滿足泛在網(wǎng)巨大地址空間的需求之外，也能更好地滿足泛在網(wǎng)智能終端的互聯(lián)需求，但是需要對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，改進(jìn)路由機(jī)制以滿足低功耗、低存儲(chǔ)容量、低運(yùn)算能力的智能節(jié)點(diǎn)以及存在損耗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的特殊組網(wǎng)需求。

5 應(yīng)用于泛在網(wǎng)絡(luò)感知/延伸層的IPv6技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作組和6lowAPP負(fù)責(zé)研究感知延伸層的IPv6應(yīng)用和低功耗路由相關(guān)協(xié)議。

（1）6lowPAN（IPv6 over Low Power WPAN）工作組的研究重點(diǎn)為適配層、路由、包頭壓縮、分片、IPv6、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)。該工作組已完成兩個(gè)RFC：《概述、假設(shè)、問(wèn)題陳述和目標(biāo)》（RFC4919）；《基于IEEE802.15.4的IPv6報(bào)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(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題。該工作組已完成兩個(gè)RFC：《市區(qū)低功率損耗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的路由需求》（RFC5548）；《低功率損耗網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如無(wú)線嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。目前，6lowAPP還不是IETF的一個(gè)工作組，在IETF75 “BarBOF”會(huì)議中明確了5個(gè)研究領(lǐng)域，包括應(yīng)用協(xié)議、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、傳輸、安全和數(shù)據(jù)表述。

成立于2008年9月的IPSO產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也大力倡導(dǎo)將泛在網(wǎng)感知延伸層融合到IP技術(shù)體系中。IPSO聯(lián)盟的目標(biāo)是提供給用戶更多的有關(guān)智能物體和工業(yè)領(lǐng)域以及市場(chǎng)方面的信息。該聯(lián)盟將提供案例研究和白皮書(shū)，跟蹤IETF和其它標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)，組織演示和互操作性測(cè)試等工作。IPSO開(kāi)始工作的第一個(gè)目標(biāo)是，在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)IPv6的互操作性。目前，已發(fā)布了4個(gè)相關(guān)的白皮書(shū)，包括IP技術(shù)應(yīng)用于智能物體、輕量級(jí)的操作系統(tǒng)、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以及鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

6 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)將不再是被動(dòng)地滿足用戶的需求，而是要主動(dòng)感知用戶場(chǎng)景的變化，并進(jìn)行信息交互，為用戶提供個(gè)性化的服務(wù)。根據(jù)現(xiàn)階段技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展情況，未來(lái)幾年，泛在網(wǎng)將處于泛在物聯(lián)階段，即以滿足物物通信需求目標(biāo)為主。因此，可以結(jié)合終端設(shè)備對(duì)地址的大量需求，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和端到端的業(yè)務(wù)管理為出發(fā)點(diǎn)，考慮在相對(duì)封閉的物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能物體的泛在互聯(lián)，同時(shí)帶動(dòng)整個(gè)IPv6產(chǎn)業(yè)的成熟，為下一代互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署IPv6技術(shù)奠定基礎(chǔ)。