为什么物联网需要ip技术

《为什么物联网需要ip技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《为什么物联网需要ip技术（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 1 为什么为什么物联网需要物联网需要 IP 技术技术 - IPSO WP1： IP for Smart Objects 翻译 摘要：摘要： 新兴的智能设备应用领域要求扩展性好、兼容交互性好的通信机制，以支持未来大量的应用创新。 IP 已经证明为长久性、 稳定可靠性、 高度可靠性的通信技术，可以支持大量的应用领域、多样的设备、各种类型的通信链路。IP 协议栈是轻量级的，可以运行在小型的电池供电的嵌入式设备上。因此 IP 具备使物联网成为现实的可能性，将连接数十亿级别的通信设备。 简介简介 智能设备是一种小型的计算机系统，它带有传感器、执行器、通信模块，通常

2、嵌入到其它产品中，比如温度计、骑车引擎、开关、工业机器等。智能设备应用十分广泛， 比如家庭自动化、 楼宇自动化、 工厂监测、 智慧城市、 结构体监测、智能电网、能源管理、智能交通灯领域。最近，智能设备已经在通信能力十分受限的系统上实现，比如 RFID 标签，而新一代的智能设备具备双向通信能力和传感器，能够获取实时数据，如温度、湿度、振动、能耗等。智能设备能够采用电池供电，通常由三部分组成：CPU（8 位、16 位、32 位处理器） 、存储器（几 KB到几十 KB 不等） 、低功耗无线通信模块（几 Kbps 到几百 kbps 不等） 。智能设备的尺寸很小（约几个平方毫米的尺寸） 、价格很低（约几

3、美元） 。 基于低成本传感器、执行器和无线通信模块的相关技术研发进展十分迅速，如IEEE 802.15.4、低功耗 WiFi、电力载波通信等。然而，智能设备的应用并没有技术进展那样迅速，主要是因为存在大量私有的、半封闭的系统，导致相互之间不兼容或者仅有部分兼容。 智能设备领域当前形势与二十年前的计算机网络十分相似：计算机大量使用私有的通信协议，如 SNA、IPX、Vines 等，相互之间只能依靠十分复杂的多协议网关进行转换才能互联。 之后， 所有这些独立的体系架构采用打隧道(tunneling)的方法逐渐向 IP 网络过渡， 如 DLSw、 XOT。 如今， 所有这些网络都采用 IP 技术，

4、文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 2 实现端到端的 IP 架构。 如今，许多非 IP 架构的传感器网络架构正在采用网关进行协议转换，实现与 IP 网络集成，这正好与当年计算机网络发展十分相似。难道我们不应该向历史学习吗？协议网关本质上是十分复杂、难以管理、难以布设的。协议网关将网络分离成一个个小的网络，使得路由、QOS、传输和网络恢复等协议不一致，从而导致网络的整体性能较差。 相反，端到端的 IP 架构已经被广泛的采用，并成为设计支持大量通信设备的可扩展性好、高效网络的唯一选择。 物联网：物联网： 基于基于 IPIP 技术的技术的智能设备智能设备 为了支持大量新兴物联网应用，底层的网络技术

5、必须具备可扩展性好、互操作性好，并且通过强有力的标准来支持未来大规模应用和创新。 IP 已经被证明是历史悠久的、稳定的、高可扩展的通信技术，它支持各种类型的应用、十分广泛的设备、各种类型的通信接口。IP 技术采用分层的架构，具备高度的灵活性和创新性。IP 已经支持多种应用，如 email、www、网络电话、视频、协同工作等。在过去的二十几年里，IP 经过不断演进，已经支持高度可用、更加安全、支持 QOS、实时数据传输、虚拟专网（VPN）等业务类型。 IP 在桌面 PC 和服务器领域作为通用的网络通信技术已经有很多年的历史了。长期以来，IP 被认为过于复杂，而难以在资源十分受限的小型系统上运行。

6、然而近年来，一些列轻量级的 IP 协议栈证实了：轻量级的 IP 协议栈能够满足只有几 KB 的 RAM 和 ROM、 处理能力相当受限限以及能耗受限的小型设备系统的需要。 IP 为智能设备以及其它小型嵌入式设备提供了标准化的、轻量级的、平台无关的网络接入。基于 IP 协议的设备，实现全球互联，具有被任何设备在任何地点访问的优势，如 PC 机、手机、PDAs、数据库服务器以及其它智能化设备，如温度计、灯泡等。 IP 几乎可以运行在任何通信接口上，从高速以太网到低功耗的 802.15.4 射频， 802.11 （WiFi） 以及低功耗的电力载波通信 （PLC） 。 对于远距离骨干网通信，IP 数据

7、可以轻松通过因特网的加密信道快速传输。 文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 3 IPIP 是是开放且灵活的协议标准开放且灵活的协议标准 IP 基于分层结构，如图所示。IP 可以运行在广泛的物理层和 MAC 层上，因此是与链路无关的， 目前可以运行的物理链路包括： 802.15.4、 802.11 （WiFi） 、低功耗 PLC、GPRS、3G、以太网等链路。 IP 层负责在网络上转发数据报：主机寻址、数据报转发、路由。每个 IP 报文包含有目标主机地址，IP 网络按照路由表中的内容计算转发路径，直到数据报到达目的主机。路由表是动态变化的，当网络传输失败时，路由表将重新计算。IP 还支持数据

8、报区分服务质量，可以支持多种类型的服务。IP 报文在网络的边沿节点添加服务质量类型，如果传输路径上出现拥塞，路由器节点就会触发区分服务质量控制，如排队机制、拥塞避免机制等就会根据数据报中设定的服务质量进行区分转发。 ICMP 主要为 IP 层提供出错通报。在 IPv6 中，ICMP 也用于地址自动配置和邻居发现。 UDP 提供尽最大努力的数据报传输服务。在 UDP 传输中，应用发送一堆数据给另一个应用，不具备任何传输保障机制和流量控制机制，因此，使用 UDP传输数据的应用必须自己检测和恢复传输过程中丢失的数据报文。UDP 传输不能保障 100%的可靠性， 更适用于需要即时传输数据的场合， 比如

9、 IP 电话、实时数据传输。 TCP 提供一种可靠报文传输机制。使用 TCP 传输的数据，只要存在到达目的主机的路径，就一定可以可靠传递。TCP 支持复杂的流量控制机制，主要基于自适应窗口方法。 文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 4 IP 报文包括应用层数据和一系列的帧头。帧头包含协议数据，比如地址、序列号、标志位。IP 协议栈中每个协议都会添加它自身的帧头到报文中。 对于低功耗、低速率的链路，帧头需要经过压缩，去掉冗余的数据位，从而减少传输的数据量。 最近的 6Lowpan 协议就是一种针对低功耗应用的帧头压缩协议，它使得 IPv6 能够在低功耗 802.15.4 射频芯片上传输。 6

10、Lowpan 通常能够将 IPv6 和 UDP 帧头帧头的 48 Bytes 数据压缩到 6 Bytes（参见 IP-HC） 。 IPIP 是开放的架构是开放的架构 IETF 组织是 ISO 认可的专注于 IP 标准化的组织。IETF 成立于 1986 年，分成多个独立的工作组，每个工作组具有专门的章节和里程牌。工作组被分成若干领域，如路由层、传输层和安全层等。 IP 协议集是以 RFC 文档的形式进行标准化， 每个 RFC 文档描述整个协议中的一部分。比如，RFC791 描述 IPv4，RFC792 描述 UDP，RFC793 描述 TCP，RFC2460描述 IPv6。 目前有三个工作组用

11、于指定智能设备的 IP 协议规范： 6Lowpan（IP over IEEE 802.15.4） ROLL(Routing Over Low Power and Lossy networks): 指定了一种新的面向智能设备的路由协议 RPL CoRE：致力于制定一种基于 IP 的面向资源受限设备的应用框架 需要注意的是，这三个工作组都基于 IPv6，而不支持 IPv4。 IPIP 是轻量级的是轻量级的 IP 一直被认为是复杂、重量级的，然而最近小型的 IP 协议栈则否定了这个偏见。 对于由低功耗、 低成本微控制器构成的智能设备， 它们通常只具备几 Kbyte的存储器，采用电池供电，能耗十分受限

12、，小型轻量级的 IP 协议栈对于这些设备而言至关重要。 现有的一些轻量级 IP 协议栈只需要几 kbyte 的 RAM，甚至小于 10kbyte 的ROM。 如图所示为 5 种类型的轻量级 TCP/IP 协议栈占用的存储器大小： Contiki操作系统上的开源 uIP 协议栈、基于 TinyOS 的商业授权的 IPv6 协议栈、商业授 文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 5 权的 NanoStack、开源的 LwIP 协议栈。这几个协议栈中 LwIP 大约需要 20kbyte的存储器，其余的均为 10kbyte 以内。最近实现了 RPL 路由协议，增加了一些RAM 和 ROM 的需求，然而目

13、前大多数硬件都能够满足需要了。 对于能量受限的设备，最新的标准化工作使得 IP 协议功耗足够低，可以运行在毫瓦级以下的链路，如 802.15.4， 这使得两节 AA 电池供电的情况下普通节点能够运行数年，这对多跳路由节点同样适用。 IPIP 适应性强适应性强 IP 已经应用到各行各业、各种类型的设备、各种网络链路上。IP 提供了一个开放的平台，支持智能设备物联网应用创新，这将远远超出我们现在的想象。 IP 几乎支持任意类型的应用，包括低速路的应用，如远程设备控制，延迟敏感的应用如网络电话，突发数据传输如文件下载， 以及高速率并严格要求服务质量的应用，如网络高清电视等。IP 架构经过严格测试、优

14、化设计，它高度灵活、分层的架构使得它能够支持如此差异显著的各类应用。 几乎所有的设备都支持 IP 网络，包括服务器集群、高速磁盘阵列、手机、低功耗嵌入式设备。尽管 IP 最初是为计算机网络设计的，然而其本质上的灵活性，已经使得 IP 连接各种不同设备以及各种不同应用成为可能。 IPIP 是无处不在的是无处不在的 桌面 PC 机、服务器上各种类型的操作系统上均已经有 IP 协议栈，并且越来 文档组制作-专业的物联网开发学习论坛 6 越多的嵌入式设备已经支持 IP 网络。开源的以及商业授权的协议栈有很多：如微软 windows、Linux、嵌入式操作系统 Contiki、TinyOS、FreeRT

15、OS 等。大多数这些协议栈还提供必要的设备驱动程序。 大多数网络提供 IP 接入方式。如今很容易获取低成本的 IP 接入方式，包括有线 DSL、无线 3G 等。还可以通过 802.11（WiFi）最后一公里接入技术连接到IP 网络。 IPIP 可扩展性很好可扩展性很好 通过全球性的 Internet，IP 被证明是本质上可扩展性很好的。目前还没有哪个网络协议像 IP 那样被如此大规模的部署和测试。由于物联网未来将连接比现有 Internet 更多的设备，可扩展性是首要考虑的因素之一。 下一代 Internet 标准 IPv6 扩展 IP 地址到 128bit，如此大规模的地址空间可以足够给地球

16、上的每粒沙子一个IP地址。 而面向低功耗应用的RPL路由协议，可以支持大规模的设备联网。 IPIP 网络是网络是可以管理的可以管理的 IP 架构中网络管理通过一些列网路管理协议和机制来实现， 目前已经有大量可用的商业授权和开源工具可以使用。在 IP 架构中，域名通过 DNS 实现。动态地址分配和网络初始化通过DHCP协议实现。 网络管理通过SNMP实现。 DNS、 DHCP、SNMP 等协议无需任何代价可以直接应用到低功耗的智能设备上，而这里仅仅列出了很少的几个协议，还有许多类似的协议可以使用。 考虑到现有的基础设施和技术，智能设备领域我们无需“再造一个新的车子” ，而是尽可能的利用现有的技术，方便与现有系统兼容和集成。 IPIP 是稳定可靠的是稳定可靠的 IP 已经运行了 30 年了，尽管协议不断更新和演进，IP 数据报文交