雲計算平臺下物聯網助力IPv6定址策略研究

從IPv6概念的提出到試商用再到規模化商用，驅動IPv6的規模化商用並非一蹴而就的事情。 如果缺乏強烈的應用需求，僅靠政府的支援，想在幾年內規模化喚醒IPv6的商用市場還很困難。 IPv6作為一種IP 技術，解決的還是互聯互通的問題。 然而IPv6一直難以普及的主要原因還是現有IPv4位址轉換技術已經解決了互聯網應用的大部分問題，目前還沒有看到哪種應用在現有IPv4架構下無法滿足，而必須採用IPv6。 但隨著雲計算、物聯網、Web 2.0應用形成的新一代互聯網網路環境出現大量需要IPv6技術的應用，商用市場才會真正被喚醒。

事實上，物聯網的發展將對推動IPv6的規模化商用起到關鍵作用。 首先，終端的多樣性和普及將引發對IPv6技術的更強烈需求(因為物物互聯需要大量的可用位址並配合路由交換技術解決節點間的互聯互通)。 其次，雲計算強大的虛擬存儲計算功能有力地支撐了物聯網對在各類終端互聯通信中產生的資料進行存儲處理。 從而可以指出的是物聯網的發展需要雲計算技術來做支撐，雲計算將促進物聯網的發展，而物理網的發展又會帶來對IPv6位址的需求，並助力IPv6定址的發展。

但在雲計算平臺下物聯網當中，IPv6位址規模化商用的同時，物聯網節點應用IPv6定址的安全性和可靠性有必要重新考慮。 由於每個物聯網節點限於成本約束很多都是基於簡單硬體的，不可能處理複雜的應用層加密演算法，同時單節點的可靠性也不可能做得很高，其可靠性主要還是依靠多節點冗余來保證。 因此，給每個物聯網節點賦予IPv6位址，運行IPv6協定靠傳統的應用層加密技術和網路冗余技術很難滿足物聯網中IPv6定址安全可靠的需求。

1.新一代互聯網

1.1 雲計算

雲計算是一種商業計算模型。 它將計算任務分佈在大量電腦構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和資訊服務。

1.2 物聯網

物聯網是在電腦互聯網的基礎上，利用RFID、無線資料通信等技術，構建一個覆蓋世界上萬事萬物的「Internet of Things」。 在這個網路中，物品(商品)能夠彼此進行「交流」，而無需人的干預。 其實質是利用射頻自動識別(RFID)技術，通過電腦互聯網實現物品(商品)的自動識別和資訊的互聯與共享。

1.3 雲計算與物聯網的融合——新一代互聯網

利用感應器、二維碼、RFID 等傳感技術隨時隨地獲取物體的資訊，通過各種傳感網路與通信網路的融合，將物體的資訊即時準確地傳遞出去的物聯網，同時利用雲計算、分佈處理、模糊識別等各種智慧計算技術， 對海量的資料和資訊進行分析和處理，對物體實施智慧化控制。 因此可以指出雲計算支撐物聯網形成的一種全新物物互聯的網路，我們把它稱之為新一代互聯網。

1.4 新一代互聯網的前景

物聯網和雲計算融合的新一代互聯網資訊技術產業具有資源消耗少、環境影響小、知識密集、市場需求巨大、拉動作用突出、應用廣泛等特點，它可重點解決資訊技術產業中平臺性、安全性、服務性等方面的問題。 例如其平臺性方面可關注研發感應器技術的企業;安全性則可關注物聯網在交通、電力等領域的應用，特大自然災害中如果能夠運用物聯網防災措施或能減少傷害和損失，從另外一角度來看，物聯網防災等專案建設有望加速; 服務性方面可以關注雲計算伺服器、終端應用等產業鏈上的細分專案。

圖1 雲計算平臺下物聯網系統架構示意圖

2.IPv6定址體系結構

新一代互聯網的規模發展必將增加大量節點，但事實上IPv4 已面臨位址資源枯竭的困境，而在此時IPv6能夠解決這一困境，它可以為地球上存在的萬事萬物都分配一個IP位址且可以與IPv4 無縫相容。 IPv6將128 bit 位址空間分為兩大部分。 第1 部分是可變長度的類型首碼，它定義了位址的目的。 第2 部分是位址的其餘部分，其長度也是可變的。 每個16 bit 的值用十六進位值表示，各值之間用冒號分隔。 IPv6資料包的目的位址可以是以下3 種基本類型位址之一：

*單播：單播就是傳統的點對點通信。

*多播：多播是一點對多點的通信。

*任播：這是IPv6增加的一種類型。 任播的目的站是一組電腦，但比較長資料包在交付時只交付給其中的一個，通常是距離最近的一個。

首碼為0000 0000 是保留一小部分位址與IPv4相容的，這是因為必須要考慮到比較長的時期IPv4和IPv6將會同時存在，而有的節點不支援IPv6。

3.IPv6定址策略

IPv6是新一代互聯網網路層的核心技術，在位址空間、報文格式、安全性方面具有較大的優勢。 IPv6定址策略技術通過在網路層和資料連結層之間引入適配層，實現基於IEEE 802.15.4 通訊協定的底層網路與基於IPv6協定的互聯網的相互融合， 適配層主要完成接入過程中的以下功能：①為了高效傳輸對IPv6資料包進行分片與重組;②網路位址自動設定;③為了降低IPv6開銷對IPv6分組進行報頭壓縮;④有效路由演算法。 其中，網路位址自動設定功能，對於識別接入物聯網的每個終端節點，使節點間能夠相互進行資源分享和資訊交換具有最為重要的意義，因此本文圍繞網路位址自動設定這個問題，提出了基於物聯網的IPv6定址策略4 種解決方案， 實現了物聯網中基於IEEE 802.15.4 通訊協定的底層異構網路與基於IPv6協定的互聯網的統一定址，保證了物聯網時代網路層向傳輸層提供靈活簡單、無連接、滿足QoS 需求的資料包服務。 這4種解決方案分別是：

3.1靜態位址綁定及驗證方式

節點靜態位址綁定適用于物聯網規模節點不是很多，網路系統管理員可以將每個節點的位址事先配置，然後再進行部署。 可以通過以下方式進行源位址合法性驗證：管理員事先在可路由節點中建立感應器節點的綁定屬性關係並生成過濾表，匹配的IP資料包可以直接轉發，不匹配的或不存在於過濾表中的IP位址將被過濾。

3.2 SLAAC位址分配及驗證方式

SLAAC 無狀態位址分配是一種無狀態、採用ICMPv6 進行的位址配置方式。 該方式分2 個過程分配位址：①終端請求配置網路參數，有路由器返回64位的NA(Neighbor advertisement)首碼。 ②終端將自己的MAC 位址映射為64 位的IEEE EUI-64 位址後，再與NA 一起形成128 位的IP 位址進行配置。 可以通過以下方式進行源位址合法性驗證：通過可路由節點充當DAD-Proxy，向源位址驗證服務器中繼請求，並由源位址驗證服務器返回正確的驗證後，覆蓋該感應器節點的可路由節點，建立與該感應器的綁定， 並通過過濾表項來進行合法性驗證。

3.3 DHCPv6位址分配及驗證方式

DHCPv6 是一種有狀態、採用C/S 模式和UDP報文交互的位址分配方式，DHCPv6 分3 個過程獲取位址：①感應器節點以單播方式發出DHCP 請求包至DHCPv6 伺服器。 ②DHCPv6 伺服器將配置資訊應答給請求感應器節點。 ③感應器節點收到配置資訊後發出DAD-NS 報文進行重複位址懇請，在一段時間內無回應後即可使用該位址。 在最後DAD-NS 超時無回復情況下建立綁定關係並生成過濾表項，並通過過濾表項來進行合法性驗證，具體驗證過程如圖2。

圖2 物聯網節點DHCPv6 源位址驗證狀態變遷圖

3.4 SLAAC與DHCPv6結合位址分配方式

這是一種介於有狀態和無狀態之間的位址管理方式，即主機首先通過SLAAC 方式獲取IPv6位址，然後使用DHCPv6 獲取除位址以外的其他網路設定參數，如DNS、閘道、功能變數名稱尾碼等。 這種混合模式下，節點獲取位址的方式依託的是SLAAC,故這種混合方式下的源位址驗證仍採用SLAAC 驗證方式。

4.總結與展望

雲計算平臺下物聯網是在感應器網路基礎上融合了互聯網的新一代智慧感知網路，也是近年來世界各國大力研究和發展的重點。 目前，研究大多聚焦在物聯網的體系結構、路由機理、協定簡化以及與互聯網互聯互通的機制等方面。 而物聯網節點IPv6定址策略及合法性驗證方式就變得尤為重要，否則現有互聯網(包括位址欺騙，資料篡改在內)的眾多安全問題將會在物聯網中繼續出現。

從雲計算融合物聯網角度出發，並結合物聯網運用IPv6的基本知識，提出了融合物聯網的新一代互聯網節點IPv6定址的策略及驗證方式，並討論了靜態繫結、SSLAC、DHCPv6、SSLAC 與DHCPv6 混合4種地址分配情況下的場景交互、過程時序等細節。 通過在可路由節點上建立感應器節點的綁定表和過濾表，建立了分散式源位址驗證機制。 展望下一步工作我們主要應集中在這兩個方面進行深入探索：①位址分配過程的報文交互安全性有待加強。 ②多協定閘道翻譯機制需要進一步研究。