物联网感知层的IPv6协议标准化动态

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图1所示。



图1 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。

为了对IPv6报头进行无状态压缩，6LowPan工作组制定了两种压缩算法LOWPAN_HC1（RFC4944）和LOWPAN_IPHC（draft-ietf-6LowPan-hc-06），其中HC1算法用于使用本地链路地址（Link-local Address）的网络，节点的IPv6地址前缀固定（FE80：：/10），IID可以由MAC层的地址计算而来，但是这种算法不能有效压缩全局的可路由地址和广播地址，因此不能用于LOWPAN网络与互联网互访的应用。LOWPAN_IPHC算法的提出主要是为了有效压缩可路由的地址，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF 6LowPan工作组进行最后的修订状态。

LOWPAN_HC1算法和LOWPAN_IPHC算法在MAC报头之后定义了8位的一个选择报头，此选择报头的取值决定了压缩报头的具体格式和算法。详细信息见表1。例如，如果前8位的取值是01000001，那么表示接下来是LOWPAN_HC1算法对应的压缩报头，如果前3位的取值是011，那么表示接下来的是LOWPAN_IPHC算法对应的压缩报头。
表1 6LowPan选择报头的含义



在选择报头后紧跟的是压缩编码，压缩编码由一些指示位组成，指示位的不同取值表明了IPv6报头压缩的不同方法。具体参见RFC4944。

除了IPv6无状态报头压缩的方法之外，6LowPan工作组还制定了一系列相关标准，包括支持Mesh Routing的方法，简化的IPv6 Neighbor Discovery协议，应用场景和路由需求等几个关键的技术规范。6LowPan工作组是IETF物联网感知层工作的发源地，其中的很多研究和探索直接影响了另外几个工作组的成立和方向，下面将分别介绍。