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物联网感知层的IPv6协议标准化动态


作者:曹振,邓辉,段晓东 来源:电信网技术 2010-08-19 09:32:20

摘要:本文介绍了物联网感知层IPv6协议标准化的动态,概括了相关技术标准的主要内容以及应用发展状况,主要介绍了IETF,IPSO,Zigbee,ISA-100组织的标准化动态。

关键词:物联网感知层[0篇]  IPv6协议[0篇]  标准化[59篇]  IPv6[43篇]  IETF[1篇]  6LowPan[0篇]  

      【核心提示:物联网感知层汇聚了数量众多的智能物体,支持IPv6协议的感知层网络带来了充足的码号空间、良好的互通性以及便利的应用开发环境。本文介绍了物联网感知层IPv6协议标准化的动态,概括了相关技术标准的主要内容以及应用发展状况,主要介绍了IETF,IPSO,Zigbee,ISA-100组织的标准化动态。】 

     1  物联网与IPv6

      物联网(Internet of Things)的概念最初在1999年由美国麻省理工学院的Auto-ID实验室提出,其构想是通过RFID与无线传感器网络的结合来构建一个追踪货物的全球系统。Internet of Things这个思路最初是非常具体的,但是其概念本身给人以很大的遐想空间,并且随着集成电路技术、无线传感器网络技术的飞速发展,这个幼小的思想得到了越来越广泛的关注,并且被各方赋予了新的内涵和外延。2005年,国际电信联盟(ITU)在其年度报告中对物联网的概念、技术、市场、挑战和未来构想方面进行了阐述。与此同时,互联网的诞生地IETF自2006年开始也从技术层面展开了对物联网的研究,制定了网络层的相关技术标准。2010年3月,IRTF主席Aaron Falk在第77次会议上发起了IoT的兴趣小组,计划从研究层面推进相关工作。

     物联网的架构可以简单地划分为3个层次(感知层,网络层和应用层),分别为物联网提供了一些重要的特性,即全面感知、可靠传送、智能处理。物联网的感知层要求能够全面感知物理世界的各种信息,利用多种传感器、传感器网络、RFID、二维码、摄像头、GPS、智能物体等来全面感知现实世界中的各种信息。物联网的感知层节点具有数量多、成本低、计算能力弱等特点,是物联网信息的源头,如何更好地管理维护感知层网络、促进相关应用开展一直是学术界和工业界关注的重要问题之一。

      物联网引起全世界的广泛关注以来,终端数量持续上升,逐渐成为上百亿终端的市场,给网络运营提出了两个方面的挑战。首先是码号寻址需求,从国际和国内两个方面看,IPv4地址不足已经成为不争的事实。一方面,截止到2010年3月,全球可分配的A类IPv4地址段只剩下22个,预计2012年亚洲地址管理分支机构APNIC的IPv4地址池将耗尽,届时国内公司将无法再申请到IPv4地址;另一方面,我国已获得的IPv4地址份额只占到全球的6.3%,势必影响我国巨大潜在市场的发展。由此可见,IPv4地址尚不能满足互联网和移动互联网的地址需求,对于发展中的物联网,特别是具有数量众多的感知层节点的标识问题,这个问题更为明显。其次,物联网业务发展问题也凸显出现,目前,感知终端上的数据格式多种多样,难以统一管理运营,新型业务难以落地。由于缺乏统一的网络层通信标准,应用程序的开发处于无章可循的状态,且广泛基于TCP/IP协议栈开发的互联网应用不容易移植。因此,物联网的发展需要统一标准的协议来支撑网络向大规模泛在化发展,也需要一个标准的网络基础设置来孵化各种新型的业务模式,真正实现“无处不在的网络、无所不能的业务”。

      基于这两个方面的需求,物联网和IPv6产生了广泛的联系。IETF从一开始研究物联网相关技术以来,就把IPv6作为惟一选择,IETF相关工作组的工作都是在IPv6基础上展开的,相关的产业联盟IPSO Alliance (IP Smart Object Alliance)也开始了IPv6产品化推广的路线。最初不支持IP相关技术的Zigbee组织,也在其智能电网(Smart Energy)的最新标准规范中加入了对IPv6协议的支持。

      本文介绍了物联网感知层的IPv6协议标准化动态,介绍了IPv6技术在IETF,IPSO,Zigbee,ISA-100多个标准化组织的基本原理和工作进展。

      2  IETF工作进展

      IETF成立了3个工作组来进行低功耗IPv6网络方面的研究。6LowPan(IPv6 over Low-power and Lossy Networks)工作组主要讨论如何把IPv6协议适配到IEEE 802.15.4 MAC层和PHY层协议栈上的工作。RoLL(Routing Over Low Power and Lossy Networks)主要讨论低功耗网络中的路由协议,制订了各个场景的路由需求以及传感器网络的RPL(Routing Protocol for LLN)路由协议。CoRE(Constrained Restful Environment)工作组由6LowApp兴趣小组发展而来,主要讨论资源受限网络环境下的信息读取操控问题,旨在制订轻量级的应用层协议(Constrained Application Protocol,CoAP)。

       2.1  6LowPan工作组

       6LowPan工作组成立于2006年,属于IETF互联网领域。该工作组已完成两个RFC:《在低功耗网络中运行IP6协议的假设、问题和目标》(RFC4919,Informational);《在IEEE802.15.4上传输IPv6报文》(RFC4944,Proposed Standard)。

       在IEEE 802.15.4网络中运行IPv6协议的主要挑战来自于两个方面,一方面802.15.4物理层支持的最大帧长度是127字节,而IPv6的报头就占据了40字节,再加上MAC层报头,安全报头、传输层报头的长度,实际能够给应用层使用报文长度变得非常小。另一方面,IPv6协议(RFC2460)中规定的MTU值最小是1280字节,表明IP层最小只会把数据包分片到1280字节。如果链路层支持的MTU小于此值,则链路层需要自己负责分片和重组。所以,6LowPan工作组为IEEE 802.15.4设计了一个适配层,把IPv6数据包适配到IEEE 802.15.4规定的物理层和链路层之上,支持报文分片和重组,同时6LowPan规定了IPv6报头的无状态压缩方法,减小IPv6协议带来的负荷。6LowPan工作组的工作在低功耗节点协议栈中的位置如下图所示。

 

      6LowPan协议栈模型

      报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息。不包含扩展头的IPv6报头一共有40个字节,但是在网络感知层,IPv6报头中的很多信息可以省略或者压缩,IPv6报头中的各个信息域的压缩方法如下: 

      (1)版本号Version(4位):取值为6,在运行IPv6协议的网络中,此项可以省略。
  (2)流类型Traffic Class(8位):可以通过压缩编码压缩。
  (3)流标识Flow label(20位):可以通过压缩编码压缩。
  (4)载荷长度Payload Length(16位):可以省略,因为IP头长度可以通过MAC头中的载荷长度字段计算出来。
  (5)下一个头Next Header(8位):可以通过压缩编码压缩,假设下一个头是UDP,ICMP,TCP或者扩展头的一种。
  (6)跳极限Hop Limit(8位):惟一不能进行压缩的信息。
  (7)源地址Source Address(128位):可以进行压缩,省略掉前缀或者IID。
  (8)目标地址Destination Address(128位):可以进行压缩,省略掉前缀或者IID。

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