IPv6技术在泛在网感知延伸层的应用及标准化现状
马军锋 妥海俊
来源：电信网技术
摘要： 介绍了泛在网络的基本概念、内涵以及网络架构，概括了泛在网感知延伸层的关键技术，重点分析了感知延伸层IP技术路线，IPv6技术感知延伸层的应用以及相关国际标准化现状。
Abstract：
Key words :
1 泛在网络基本概念
Ubiquitous（无所不在）源自拉丁语，意为存在于任何地方。1991年Xerox实验室的计算机科学家Mark
Weiser首次提出“泛在计算”（UbiquitousComputing）的概念，描述了任何人无论何时、何地都可以通过合适的终端设备与网络进行连接，获取个性化信息服务。随着IT技术和通信技术的发展，通信网络将不仅仅要满足人与人之间的通信需求，而且要进一步发展到人与机器（或物体）以及机器到机器之间的通信，并朝着无所不在的网络方向演进。在未来异构的网络环境中，广域网、局域网、车域网、家域网、个域网等不同层次、多种网络技术会彼此互补、融合发展，并在微电子技术、嵌入式技术、短距离通信技术、传感器技术、智能标签技术的支撑下，最终促成“泛在信息社会的实现”。
泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，泛在网网络具备超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。
“5C+5Any”是泛在网络的关键特征，5C分别是：融合（Convergence），内容（Contents），计算（Computing），通信（Communication），连接（Connectivity）。5Any分别是：任何时间（Any
time），任何地点（Anywhere），任何服务（Any Service），任何网络（Any Network），任何对象（AnyObject）。总体意思是，通过底层全连通的、可靠的、智能的网络，以及融合的IT技术和通信技术，将通信服务扩展到教育、金融、智能建筑、交通/物流、健康医疗、灾害管理、安全服务等行业，为人们提供更好的服务。
2 泛在网网络架构
泛在网的网络架构可以划分为感知/延伸层、网络层、应用层组成的三层体系结构（见图1）。
图1 泛在网的网络架构
（1）泛在网的感知延伸层通过传感器、二维条码、RFID标签、多媒体信息等信息采集终端实现物理世界各类目标的属性、标识、状态、类型、数量、强度等的各类信息获取，并通过网络、信息处理和中间件等技术将感知信息进行局部或全局地交互处理聚合等操作从而形成为网络层提供物理世界的感知信息。感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且面向更敏感、更全面的感知能力方向发展。
（2）泛在网的网络层包括接入网子层和核心网子层。接入网子层包括卫星至地面无线接入、有线宽带接入、无线宽带接入、2G/3G/超3G移动接入等各种接入技术。核心网子层包括现有的电信网、互联网、广电网、未来的下一代网络（如NGN/NGI）以及各个行业自建的行业专用网络。泛在网络既然作为一个网络，就需要一个统一的网络架构和协议基础，目前在核心层面可以考虑与NGN/IMS融合，核心协议包括SIP和TCP/IP等，在接入层面需要考虑多种有线和无线技术的协同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。
（3）泛在网的应用层主要实现信息的处理、协同、共享、决策，包括应用支撑子层和应用服务子层。应用支撑子层向行业服务提供统一、固定的一些网络支撑服务，特别是为一些行业融合服务提供支撑，以便支持不同行业之间的互通。应用服务子层包括泛在网公众服务、行业专用服务等。业务和应用涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。
3 泛在网感知延伸层的关键技术
泛在网感知延伸层的关键技术包括数据采集技术、无线/有线传输技术、组网技术、信息处理技术以及中间件技术，同时还涉及感知延伸层与网络层的互通技术。
（1）数据采集技术。主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据，可以利用传感器、RFID、一维码/二维码随时随地获取物体信息，通过多媒体技术采集音、视频信息，通过定位技术获取物体定位信息。
（2）无线/有线传输技术。主要用于补充和延伸接入网络，使得网络能够把各种“物”接入到网络，目前，主要采用各种短距离无线通信技术，包括IEEE802.15.4，UWB，NFC，蓝牙技术等。
（3）组网技术。通过无线自组织网络技术，将分散的节点在一定范围之内自动组成一个网络，实现各节点采集信息的统一处理，统一传送，或者经过节点之间的相互“联系”，协商传送各自的部分信息，最终实现信息可靠、高效传送。
（4）信息处理技术。实现海量信息的协同处理，提供智能、精确的多元化信息服务。
（5）中间件技术。屏蔽底层软（操作系统）、硬件差异，构建统一的开发平台，封装通用的功能组件，为上层应用提供服务。
（6）与网络层互通技术。感知延伸层可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee协议，另一种是IP技术。目前，网络层主要采用IP技术组网，因此要实现采用非IP技术的感知延伸层与网络层的互联，必须通过网关设备实现协议互通。
（1）泛在网的感知延伸层通过传感器、二维条码、RFID标签、多媒体信息等信息采集终端实现物理世界各类目标的属性、标识、状态、类型、数量、强度等的各类信息获取，并通过网络、信息处理和中间件等技术将感知信息进行局部或全局地交互处理聚合等操作从而形成为网络层提供物理世界的感知信息。感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且面向更敏感、更全面的感知能力方向发展。
（2）泛在网的网络层包括接入网子层和核心网子层。接入网子层包括卫星至地面无线接入、有线宽带接入、无线宽带接入、2G/3G/超3G移动接入等各种接入技术。核心网子层包括现有的电信网、互联网、广电网、未来的下一代网络（如NGN/NGI）以及各个行业自建的行业专用网络。泛在网络既然作为一个网络，就需要一个统一的网络架构和协议基础，目前在核心层面可以考虑与NGN/IMS融合，核心协议包括SIP和TCP/IP等，在接入层面需要考虑多种有线和无线技术的协同，如Wi-Fi，WAPI，2G，3G，LTE，UWB，ZigBee等。
（3）泛在网的应用层主要实现信息的处理、协同、共享、决策，包括应用支撑子层和应用服务子层。应用支撑子层向行业服务提供统一、固定的一些网络支撑服务，特别是为一些行业融合服务提供支撑，以便支持不同行业之间的互通。应用服务子层包括泛在网公众服务、行业专用服务等。业务和应用涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。
3 泛在网感知延伸层的关键技术
泛在网感知延伸层的关键技术包括数据采集技术、无线/有线传输技术、组网技术、信息处理技术以及中间件技术，同时还涉及感知延伸层与网络层的互通技术。
（1）数据采集技术。主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据，可以利用传感器、RFID、一维码/二维码随时随地获取物体信息，通过多媒体技术采集音、视频信息，通过定位技术获取物体定位信息。
（2）无线/有线传输技术。主要用于补充和延伸接入网络，使得网络能够把各种“物”接入到网络，目前，主要采用各种短距离无线通信技术，包括IEEE802.15.4，UWB，NFC，蓝牙技术等。
（3）组网技术。通过无线自组织网络技术，将分散的节点在一定范围之内自动组成一个网络，实现各节点采集信息的统一处理，统一传送，或者经过节点之间的相互“联系”，协商传送各自的部分信息，最终实现信息可靠、高效传送。
（4）信息处理技术。实现海量信息的协同处理，提供智能、精确的多元化信息服务。
（5）中间件技术。屏蔽底层软（操作系统）、硬件差异，构建统一的开发平台，封装通用的功能组件，为上层应用提供服务。
（6）与网络层互通技术。感知延伸层可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee协议，另一种是IP技术。目前，网络层主要采用IP技术组网，因此要实现采用非IP技术的感知延伸层与网络层的互联，必须通过网关设备实现协议互通。
4 IPv6技术在泛在网感知延伸层的应用
4.1 泛在网感知延伸层IP技术路线
从目前的技术发展来看，泛在网感知延伸层智能终端的组网技术可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee产业联盟开发的ZigBee协议；另一种是IETF和IPSO产业联盟倡导的将IP技术向下延伸应用到感知延伸层。显然，采用IP技术路线，将有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接，简化网络结构。IP协议还具有以下特点适应于泛在网的需求，包括：
（1）IP协议是由IETF标准化的开放协议，使用它不需要交额外的授权费用。
（2）IP协议是轻量级的协议。IP曾经被认为是重量级的，但是最近许多小型的轻量级IP协议栈已经成功开发，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能够满足感知延伸层低功耗、低存储容量、低运算能力智能终端的特殊需求。
（3）IP协议可扩展性强。如IPv6协议能够支持巨大的地址空间，采用分层的地址结构能够支持较大的网络规模。
（4）IP协议可管理性强。IP网络具有一套完全成熟并被广泛认可的管理协议和机制。
（5）IP协议设计的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低数据传输速率的应用，IP电话等延迟敏感的应用，以及文件下载等大量数据传输的应用等。
（6）IP协议与底层数据链路层协议无关。IP技术采用了分层架构，使其能够工作在任何物理层面上，从有线到Wi-Fi到低功耗无线电等。
（7）IP网络无所不在，几乎所有的网络都提供有线或者是无线方式的IP接入。
因此，从技术层面来看，在泛在网感知延伸层采用IP技术路线将能够更好的满足泛在网未来的发展需要。
4.2 IPv6技术在泛在网感知延伸层的应用
在泛在网络环境下，要实现“一物一地址，万物皆在线”，将需要大量的IP地址资源，就目前可用的IPv4地址资源量来看，远远无法满足感知智能终端的联网需求，特别是在智能家电、视频监控、汽车通信等应用的规模普及之后，地址的需求会迅速膨胀。从目前可用的技术来看，只有IPv6能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理需求。IPv6协议除具有4.1节描述的IP协议通用特性之外，还具有如下特点：
（1）即插即用。IPv6引入自动配置以及重配置技术，对于IP地址等信息实现自动增删更新配置，提高IPv6的易管理性。
（2）安全性。IPv6集成了IPSec，用于网络层的认证与加密，为用户提供端到端安全。
（3）服务质量。新增流标记域，为源宿端快速处理实时业务提供可能。
（4）移动性。移动IPv6增强了终端的移动特性，为用户提供了永久在线的服务。
上述特性使得IPv6除满足泛在网巨大地址空间的需求之外，也能更好地满足泛在网智能终端的互联需求，但是需要对协议栈进行必要的简化，改进路由机制以满足低功耗、低存储容量、低运算能力的智能节点以及存在损耗的网络环境下的特殊组网需求。
5 应用于泛在网络感知/延伸层的IPv6技术标准化现状
目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作组和6lowAPP负责研究感知延伸层的IPv6应用和低功耗路由相关协议。
（1）6lowPAN（IPv6 over Low Power WPAN）工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。该工作组已完成两个RFC：《概述、假设、问题陈述和目标》（RFC4919）；《基于IEEE802.15.4的IPv6报文传送》（RFC4944）。
（2）ROLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）工作组主要研究低功率损耗网络的路由问题。该工作组已完成两个RFC：《市区低功率损耗网络环境下的路由需求》（RFC5548）；《低功率损耗网络环境下工业路由需求》（RFC5673）。
（3）6lowAPP主要研究基于资源约束的节点和网络应用，如无线嵌入式网络应用。目前，6lowAPP还不是IETF的一个工作组，在IETF75 “BarBOF”会议中明确了5个研究领域，包括应用协议、业务发现、传输、安全和数据表述。
成立于2008年9月的IPSO产业联盟，也大力倡导将泛在网感知延伸层融合到IP技术体系中。IPSO联盟的目标是提供给用户更多的有关智能物体和工业领域以及市场方面的信息。该联盟将提供案例研究和白皮书，跟踪IETF和其它标准组织的标准，组织演示和互操作性测试等工作。IPSO开始工作的第一个目标是，在IEEE 802.15.4标准上实现IPv6的互操作性。目前，已发布了4个相关的白皮书，包括IP技术应用于智能物体、轻量级的操作系统、6LoWPAN网络标准以及邻居发现机制。
6 结束语
在未来的泛在网络环境中，网络将不再是被动地满足用户的需求，而是要主动感知用户场景的变化，并进行信息交互，为用户提供个性化的服务。根据现阶段技术和业务的发展情况，未来几年，泛在网将处于泛在物联阶段，即以满足物物通信需求目标为主。因此，可以结合终端设备对地址的大量需求，以简化网络结构和端到端的业务管理为出发点，考虑在相对封闭的物联网中应用IPv6技术，实现智能物体的泛在互联，同时带动整个IPv6产业的成熟，为下一代互联网大规模部署IPv6技术奠定基础。
4.1 泛在网感知延伸层IP技术路线
从目前的技术发展来看，泛在网感知延伸层智能终端的组网技术可以采用两种不同的技术路线，一种是非IP技术，如ZigBee产业联盟开发的ZigBee协议；另一种是IETF和IPSO产业联盟倡导的将IP技术向下延伸应用到感知延伸层。显然，采用IP技术路线，将有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接，简化网络结构。IP协议还具有以下特点适应于泛在网的需求，包括：
（1）IP协议是由IETF标准化的开放协议，使用它不需要交额外的授权费用。
（2）IP协议是轻量级的协议。IP曾经被认为是重量级的，但是最近许多小型的轻量级IP协议栈已经成功开发，如uIP，Arv6，NSv6，uIPv6，IwIP等，能够满足感知延伸层低功耗、低存储容量、低运算能力智能终端的特殊需求。
（3）IP协议可扩展性强。如IPv6协议能够支持巨大的地址空间，采用分层的地址结构能够支持较大的网络规模。
（4）IP协议可管理性强。IP网络具有一套完全成熟并被广泛认可的管理协议和机制。
（5）IP协议设计的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低数据传输速率的应用，IP电话等延迟敏感的应用，以及文件下载等大量数据传输的应用等。
（6）IP协议与底层数据链路层协议无关。IP技术采用了分层架构，使其能够工作在任何物理层面上，从有线到Wi-Fi到低功耗无线电等。
（7）IP网络无所不在，几乎所有的网络都提供有线或者是无线方式的IP接入。
因此，从技术层面来看，在泛在网感知延伸层采用IP技术路线将能够更好的满足泛在网未来的发展需要。
4.2 IPv6技术在泛在网感知延伸层的应用
在泛在网络环境下，要实现“一物一地址，万物皆在线”，将需要大量的IP地址资源，就目前可用的IPv4地址资源量来看，远远无法满足感知智能终端的联网需求，特别是在智能家电、视频监控、汽车通信等应用的规模普及之后，地址的需求会迅速膨胀。从目前可用的技术来看，只有IPv6能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理需求。IPv6协议除具有4.1节描述的IP协议通用特性之外，还具有如下特点：
（1）即插即用。IPv6引入自动配置以及重配置技术，对于IP地址等信息实现自动增删更新配置，提高IPv6的易管理性。
（2）安全性。IPv6集成了IPSec，用于网络层的认证与加密，为用户提供端到端安全。
（3）服务质量。新增流标记域，为源宿端快速处理实时业务提供可能。
（4）移动性。移动IPv6增强了终端的移动特性，为用户提供了永久在线的服务。
上述特性使得IPv6除满足泛在网巨大地址空间的需求之外，也能更好地满足泛在网智能终端的互联需求，但是需要对协议栈进行必要的简化，改进路由机制以满足低功耗、低存储容量、低运算能力的智能节点以及存在损耗的网络环境下的特殊组网需求。
5 应用于泛在网络感知/延伸层的IPv6技术标准化现状
目前，IETF主要有6lowPAN，ROLL工作组和6lowAPP负责研究感知延伸层的IPv6应用和低功耗路由相关协议。
（1）6lowPAN（IPv6 over Low Power WPAN）工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。该工作组已完成两个RFC：《概述、假设、问题陈述和目标》（RFC4919）；《基于IEEE802.15.4的IPv6报文传送》（RFC4944）。
（2）ROLL（Routing Over Low Power and Lossy Networks）工作组主要研究低功率损耗网络的路由问题。该工作组已完成两个RFC：《市区低功率损耗网络环境下的路由需求》（RFC5548）；《低功率损耗网络环境下工业路由需求》（RFC5673）。
（3）6lowAPP主要研究基于资源约束的节点和网络应用，如无线嵌入式网络应用。目前，6lowAPP还不是IETF的一个工作组，在IETF75 “BarBOF”会议中明确了5个研究领域，包括应用协议、业务发现、传输、安全和数据表述。
成立于2008年9月的IPSO产业联盟，也大力倡导将泛在网感知延伸层融合到IP技术体系中。IPSO联盟的目标是提供给用户更多的有关智能物体和工业领域以及市场方面的信息。该联盟将提供案例研究和白皮书，跟踪IETF和其它标准组织的标准，组织演示和互操作性测试等工作。IPSO开始工作的第一个目标是，在IEEE 802.15.4标准上实现IPv6的互操作性。目前，已发布了4个相关的白皮书，包括IP技术应用于智能物体、轻量级的操作系统、6LoWPAN网络标准以及邻居发现机制。
6 结束语
在未来的泛在网络环境中，网络将不再是被动地满足用户的需求，而是要主动感知用户场景的变化，并进行信息交互，为用户提供个性化的服务。根据现阶段技术和业务的发展情况，未来几年，泛在网将处于泛在物联阶段，即以满足物物通信需求目标为主。因此，可以结合终端设备对地址的大量需求，以简化网络结构和端到端的业务管理为出发点，考虑在相对封闭的物联网中应用IPv6技术，实现智能物体的泛在互联，同时带动整个IPv6产业的成熟，为下一代互联网大规模部署IPv6技术奠定基础。
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