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        基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應用探索

        2013-02-28 03:04:34周開宇
        電信科學 2013年1期
        關鍵詞:雙棧應用服務客戶端

        周開宇

        (中國電信股份有限公司北京研究院 北京100035)

        1 研究背景

        近些年,物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展獲得了國內外產(chǎn)業(yè)界和研究機構的高度關注,我國在“十二五”科技規(guī)劃中也對物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展給予了重視,并通過各類政策和項目積極推進物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。作為重要的信息化技術手段,物聯(lián)網(wǎng)技術當前的發(fā)展目標已經(jīng)脫離了簡單的傳感網(wǎng)和電子標簽范疇,整個世界都在期待借助物聯(lián)網(wǎng)技術構建智慧、高度信息化的地球。物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)物與物之間的信息互連,并支持基于互連實現(xiàn)智慧的調度和服務。據(jù)分析,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將帶動數(shù)萬億的市場。物聯(lián)網(wǎng)最基本的功能是提供“無所不在的連接和在線服務”,物聯(lián)網(wǎng)應用已經(jīng)覆蓋了廣泛的領域,包括在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、指揮調度、遠程維保等[1]。

        作為一個新興的基于互聯(lián)網(wǎng)的技術產(chǎn)業(yè),在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)服務的過程中,業(yè)界已經(jīng)遇到了一些問題,最突出的表現(xiàn)為如下兩個方面。

        首先,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展遇到了端到端服務的難題。物聯(lián)網(wǎng)提供的是在線服務,對于一個物聯(lián)網(wǎng)終端,應當能夠隨時從另一個終端訪問其所提供的信息。然而,由于當前互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用了以NAT(地址轉換或翻譯)技術組織的私有網(wǎng)絡,在實際使用中,無法實現(xiàn)在需要穿越NAT的場景中從一個終端訪問另一個終端。雖然STUN、uPNP、PCP等技術已經(jīng)被提出并較好地解決了上述問題[2],但物聯(lián)網(wǎng)服務的實現(xiàn)成本、業(yè)務部署以及管理都因此變得更加復雜,用戶的體驗也變得較差。

        其次,物聯(lián)網(wǎng)應用的發(fā)展帶來了比較嚴重的網(wǎng)絡容量沖擊。互聯(lián)網(wǎng)是基于人使用PC終端設計的,但物聯(lián)網(wǎng)技術使得在互聯(lián)網(wǎng)上可以連接各類智能物體,智能物體的數(shù)量是人的數(shù)量無法比擬的。其實,遠在物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展引起容量沖擊之前,隨著各類服務和終端的開展,互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)體驗到了容量限制,2011年2月ICANN已經(jīng)宣布IPv4地址耗盡[3]。

        作為未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎技術,IPv6的商用和推廣將顯著改善物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展環(huán)境,促進更多符合用戶要求的創(chuàng)新應用產(chǎn)生。但作為一種顛覆性的基礎技術,IPv6應用涉及網(wǎng)絡、平臺、終端多個環(huán)節(jié)的改造升級,任何一個環(huán)節(jié)不能支持IPv6均將使得IPv6無法應用??紤]到IPv4的部署范圍及各部件改造的復雜過程,可以預見IPv4和IPv6還將并存很長一段時間,而隨著各方面力量的推動,這種雙網(wǎng)并存的過渡期已經(jīng)啟動。正是在這種環(huán)境下,本文將從應用角度探討對IPv4/IPv6過渡網(wǎng)絡環(huán)境的適應和準備,特別是從物聯(lián)網(wǎng)應用角度分析技術選擇和方案,并介紹相關應用探索。

        2 技術分析

        2.1 應用需求

        在應用中,對利用IPv6技術構成挑戰(zhàn)的主要是IPv6的一體化部署要求,即前文提及的必須在網(wǎng)絡、平臺、終端中同時部署IPv6技術。為了解決在現(xiàn)有網(wǎng)絡中應用IPv6的技術難題,研究者們提出了很多過渡實施方案,以使得IPv6的實施能夠以漸進方式部署,逐步替換現(xiàn)有IPv4網(wǎng)絡,并最終完成IPv6升級。這些過渡技術大致可以分為3類:NAT技術、隧道技術、雙棧技術[4]。

        對于應用而言,在IPv6過渡期間并不關心網(wǎng)絡內部的變化,僅關心與應用相關的網(wǎng)絡界面變化后的應對措施。對于當前的物聯(lián)網(wǎng)應用,一般由物聯(lián)網(wǎng)終端(以下簡稱終端)、物聯(lián)網(wǎng)應用平臺(以下簡稱平臺)及物聯(lián)網(wǎng)應用客戶端(以下簡稱客戶端)3類實體構成。物聯(lián)網(wǎng)終端負責感知信息的采集,采用云計算模式的應用平臺進行分析和智能處理,應用客戶端向用戶呈現(xiàn)應用能力。因此,物聯(lián)網(wǎng)應用需要考慮的是,平臺、終端和客戶端的網(wǎng)絡界面可能有一天會由IPv4改變?yōu)镮Pv6,在此種情況下,應用應采用何種技術方案。

        應用在考慮所采用的過渡技術時,需要考慮的問題包括如下幾個方面。首先,為適應過渡而選擇的方案應該是易于實現(xiàn)的;其次,采用的方案應當能夠充分利用IPv6技術帶來的新的網(wǎng)絡優(yōu)勢;第三,采用的方案應當不需要過多不可確定的網(wǎng)絡配合,可以獨立實施;第四,應當避免過渡技術帶來的復雜管理要求,避免因過渡技術的引入構成新的故障點;最后,應當根據(jù)自身情況,盡量避免為引入過渡技術而進行過多的僅具備短期價值的改造投資,如僅在IPv4和IPv6網(wǎng)絡混雜情況下有效的工作量過多的技術方案。

        2.2 技術選擇

        NAT技術可以分為兩個基本類別:一類是IPv4私有地址到IPv4公有地址的地址轉換NAT技術(或稱為NAT44);另一類是IPv4與IPv6地址之間的轉換技術,如NAT-PT、NAT64、IVI等。地址轉換技術基本不能作為一種為迎接IPv4/IPv6過渡而實現(xiàn)的實施方案,更多的是應用在地址受限的現(xiàn)實網(wǎng)絡中的部署方案,或者在部分區(qū)域網(wǎng)絡界面暫時未能升級到IPv6而實施的過渡措施。NAT技術僅能夠解決地址不足問題和已部署IPv6私網(wǎng)但公網(wǎng)未升級至IPv6時私網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)問題。NAT技術的應用本身會使得網(wǎng)絡結構復雜化,并影響應用對終端的管理控制能力。對應用而言,采用NAT基本無法得到能力提升,僅是條件限制下不得不采用的一種解決措施。

        隧道技術是將一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報文封裝在另一種協(xié)議的數(shù)據(jù)報文中傳輸,是連接“孤島”的有效方法。隧道類型有很多種,包括6PE、6VPE、手工隧道、GRE、L2TP、6over4、4over6、6to4、ISATAP、Teredo等,不同類型的隧道技術可以用于不同的應用場景。隧道技術有一個較大的問題,需要兩端設備之間能夠良好互通,而實際上各廠商的產(chǎn)品在隧道方面的互通情況并不理想。對于自主部署的應用而言,互通性問題的影響在應用范圍內尚可控,但在各個應用信息“孤島”間部署隧道的成本較高,隧道的維護增加了新的故障點。應用在選擇隧道技術時應當根據(jù)自身業(yè)務特征和“孤島”間網(wǎng)絡情況謹慎選擇,技術實現(xiàn)難度較大。

        雙棧指從用戶側到網(wǎng)絡側同時支持IPv4協(xié)議棧和IPv6協(xié)議棧。雙棧技術是IPv6過渡的基礎,雖然本身不能解決地址短缺問題,但確實可以在投入比較低的基礎上實現(xiàn)對于IPv4到IPv6網(wǎng)絡環(huán)境轉變的支持。IPv6和IPv4技術當前在網(wǎng)絡識別、業(yè)務發(fā)現(xiàn)等方面已經(jīng)積累了完善的技術基礎,因此雙棧的實現(xiàn)對于應用服務的部署和管理帶來的困擾幾乎可以忽略。而隨著操作系統(tǒng)的成熟,當前大多主流操作系統(tǒng)已支持雙棧,應用支持雙棧所需要解決的主要問題僅在于自身系統(tǒng)設計。而在設計過程中也可以充分利用模塊化積累,充分降低部署雙棧的代價。

        整體而言,對于物聯(lián)網(wǎng)類應用和大多數(shù)的其他應用,為迎接IPv6而在平臺、終端和客戶端等幾個層面采用雙棧技術,是一種簡便且低成本的IPv6應用部署方式。

        2.3 應用方案

        圖1示意了應用雙棧后的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構。應用雙棧后,需要物聯(lián)網(wǎng)應用的3類實體均在網(wǎng)絡界面之上實現(xiàn)IPv4和IPv6兩類協(xié)議棧。終端和客戶端根據(jù)自身所處的網(wǎng)絡環(huán)境選擇使用IPv4或IPv6協(xié)議棧,平臺必須同時激活IPv4和IPv6協(xié)議棧。實際應用中可能有如下幾種場景。

        ·終端IPv4、客戶端IPv4,應用對終端的管控和用戶的服務均通過IPv4技術實現(xiàn)。

        ·終端IPv4、客戶端IPv6,應用對用戶的服務已經(jīng)可以利用IPv6技術。

        ·終端IPv6、客戶端IPv4,應用對終端的信息收集及管控可以利用IPv6技術。

        ·終端IPv6、客戶端IPv6,應用可以全流程應用IPv6技術。

        圖1 應用雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構

        3 應用及效果

        以上分析了應用在適應IPv4/IPv6過渡環(huán)境時的技術選擇,基于雙棧的物聯(lián)網(wǎng)應用服務架構被應用于智慧農業(yè)服務中,完成了相關IPv6技術的改造。智慧農業(yè)通過在大棚、溫室、倉儲、魚塘等農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中部署光照、溫濕度等傳感器,噴淋、卷簾等控制器以及攝像設備,利用中國電信有線/無線網(wǎng)絡傳輸,使管理者可以隨時隨地利用3G手機或PC機查看和管理農業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境,實現(xiàn)農業(yè)生產(chǎn)管理的遠程化、自動化、智能化[1]。近年來,中國電信憑借其在運營世界最大的CDMA網(wǎng)絡和寬帶網(wǎng)絡過程中豐富的技術積累,積極參與三農領域的信息化建設,在農業(yè)綜合信息服務、農業(yè)生產(chǎn)和管理信息化等多個領域持續(xù)投入,取得了豐碩的成果。然而大量發(fā)展智慧農業(yè)類的物聯(lián)網(wǎng)服務對于IP地址存在大量需求,在IPv4環(huán)境下僅能通過NAT方式部署,業(yè)務的部署和管理均比較復雜,用戶接受度低,運營商本身對于業(yè)務規(guī)模推廣的資源支持也較弱。

        針對智慧農業(yè)業(yè)務發(fā)展中的瓶頸問題,中國電信在湖南省農業(yè)廳下屬的湖南省優(yōu)質果茶良種繁育場進行試點示范應用,建設了國內首個基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應用。該應用充分利用IPv6技術的優(yōu)點,在傳感網(wǎng)側采用了基于IPv6的低功耗組網(wǎng)技術6LoWPAN,各種傳感和控制量通過6LoWPAN傳輸至支持雙棧的移動網(wǎng)絡網(wǎng)關設備,可以在具備IPv6環(huán)境的移動網(wǎng)絡中實現(xiàn)全IPv6的數(shù)據(jù)采集和遠程控制。在手機客戶端側,該應用也通過合作研發(fā)完成了數(shù)款具備雙棧能力的手機終端,并在手機終端上研發(fā)了雙棧手機客戶端,成功打通了智慧農業(yè)應用基于雙棧的應用整體部署的各個環(huán)節(jié)。

        雙棧技術在智慧農業(yè)應用中的應用對于業(yè)務的推廣有良好的推動效果。在黑龍江佳木斯建三江前進、勝利、七星等多個農場建立了農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目基地,進行了“智能農業(yè)大棚”應用試點,并在黑龍江859農場完成“智能灌溉”應用試點。截至本文完成,中國電信依托其基于IPv6的智慧農業(yè)應用服務已經(jīng)先后完成浙江“智能水產(chǎn)”、北京“天潤草莓園”、山東“智能蘑菇大棚”、陜西楊林“智慧農業(yè)”等各類應用服務,實現(xiàn)了數(shù)千標準監(jiān)測點的服務和管理。

        基于IPv6的智慧農業(yè)應用服務不僅突破了既有網(wǎng)絡現(xiàn)狀對業(yè)務應用的束縛,該應用服務規(guī)模的成功發(fā)展也為社會帶來了大量增量財富。黑龍江農墾的用戶反映,“通過(智能大棚)系統(tǒng)的實施,大大減少了農業(yè)現(xiàn)場管理人員的投入,同時有效提升農作物壯秧率5%~10%,水稻的畝產(chǎn)量增加6%左右”。浙江的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖客戶也表示,蟹/魚苗的活性、存活率和畝產(chǎn)量,與投入前相比提高了10%~15%。通過這些農業(yè)信息化項目的實施,中國電信也拓展了農業(yè)合作市場,2011年開始在黑龍江啟動商用智能大棚規(guī)模部署推廣,迄今已發(fā)展數(shù)千大棚。

        1 江志峰,周開宇,封順天等.智慧農業(yè)——信息通信技術引領綠色發(fā)展.北京:電子工業(yè)出版社,2012

        2 魯敏芳,胡偉中,何建東.基于PCP的TCP NAT穿越的研究與實現(xiàn).西南大學學報:自然科學版,2009,30(11):131~136

        3 孫瓊,解沖鋒.CP/SP向IPv6演進的研究與實踐.中國通信學會信息通信網(wǎng)絡技術委員會2011年年會論文集(上冊),2011

        4 孫瓊,江志峰,陳運清.IPv4向IPv6過渡技術標準綜述.電信網(wǎng)技術,2010(6):25~30

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