物联网感知层ipv6 6lowpan标准化进展

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1、物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 1 物联网感知层物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展标准化进展 摘摘要要 物联网的感知层技术多种多样，没有形成统一的标准，难以大规模互通。IP协议作为互联网的统一标准， 对物联网的发展具有重要的借鉴意义， 成为了物联网标准研究和技术应用的一种方向。互联网的诞生地IETF制订了IPv6低功耗网络的相关标准，并且成为IPSO产业联盟、ISA-100组织的选择，以及Zigbee智能电网Smart Energy(SEP 2.0)标准的发展方向。 本文介绍了物联网感知层IPv6 6Lowpan协议标准化的进展， 介绍

2、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，概括了相关技术标准的主要内容以及应用发展状况。 1. 物联网与物联网与 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

3、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，计物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 2 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

4、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

5、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

6、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

7、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。 物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 3 2. IETF 工作进展工作进展 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(Rout

8、ing 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 工作组工作组 6LowPan 工作组成立于 2006 年，属于 IETF 互联网领域。该

9、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

10、 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。 物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 4 图 1 6LowPan 协议栈模型 报头压缩的主

11、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

12、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

13、)， 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。 物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 5 LOWPAN_HC1 算法和 LOWPAN_IPHC 算法在 MAC

14、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

15、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。 2.2. IPv6 路由工作组路由工作组 RoLL RoLL(Routing over Lossy and Low-power Networks)工作组于 2008 年 2 月成立，属于IETF路由领域的工作组。 IETF RoLL工作组致力于制定低功耗网络中IPv6路由协议的规范。ROLL 工作组的思路是从各个应用场景的路由需求开始

16、，目前已经制定了 4 个应用场景的路由需求，包括家庭自动化应用(Home Automation，RFC5826)、工业控制应用(Industrial Control，RFC5673)、城市应用(Urban Environment，RFC5548)和楼宇自动化应用(Building 物联网感知层 IPv6 6Lowpan 标准化进展 物联网开发论坛编制 6 Automation，draft-ietf-roll-building-routing-reqs)。 为了制订出适合低功耗网络的路由协议，ROLL 工作组首先对现有的传感器网络的路由协议进行了综述分析， 工作组文稿 draft-ietf-roll-routing-survey 分析了相关协议的特点以及不 足 。 然 后 研 究 了 路 由 协 议 中 路 径 选 择 的 定 量 指 标 。 ROLL工 作 组 文 稿draft-ietf-roll-rout