下一代互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)部署及其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

引言

2011年2月3日，全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字分配機(jī)構(gòu)(IANA)正 式宣布已無新的IPv4地址分配，IP地址短缺的問題已成為 業(yè)界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。在我國IPv4地址缺乏問題尤為嚴(yán)重, IPv4地址枯竭問題已經(jīng)開始制約中國互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。為了解 決地址短缺的問題，IPv6替代IPv4成為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 國際呼聲越來越高。

目前業(yè)界已對下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了一系列測試研 究，IPv6也逐步從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用。下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 的演進(jìn)和部署也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人們生產(chǎn)生活中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng) 用提供了良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和技術(shù)支撐。在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6 進(jìn)行通信，可以有效解決泛在網(wǎng)需要消耗大量地址的問題, 從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 IPv6網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)技術(shù)及其部署

IPv6可以徹底解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)存在IP地址不足的問題, 恢復(fù)了原來因地址受限而失去的端到端連接功能，并將促進(jìn) 互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步普及與發(fā)展。同IPv4相比較.IPv6在地址容量、 安全性、網(wǎng)絡(luò)管理、移動性以及服務(wù)質(zhì)量等方面有明顯的改進(jìn)。

然而，由于IPv6和IPv4的報文格式并不兼容，因此, 如何實(shí)現(xiàn)IPv4和IPv6的的無縫結(jié)合及平滑過渡成為IPv6網(wǎng) 絡(luò)演進(jìn)過程中的難點(diǎn)。目前-IPv4向IPv6演進(jìn)的技術(shù)多種多樣, 如 NAT444、NAT64、NAT-PT、DS-Lite、6RD、IVI 等。

從技術(shù)本質(zhì)上講，解決IPv4地址短缺，可采用兩種技 術(shù)路線, 一種是多級NAT技術(shù)，另一種是IPv6技術(shù)。通 過NAT技術(shù)進(jìn)行私網(wǎng)IPv4地址到公網(wǎng)IPv4地址的轉(zhuǎn)換，雖 然可大大提高公有IPv4的利用率，但考慮到NAT技術(shù)帶來的 破壞網(wǎng)絡(luò)端到端透明性，網(wǎng)絡(luò)地址溯源實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，增加網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)維成本等問題，因此從長遠(yuǎn)來看，IPv6技術(shù)是應(yīng)對IP地址 短缺的根本解決方案。

但是由于IPv6的全面部署面臨諸多困難，IPv6與IPv4 長期共存的局面將持續(xù)很長時間，因此，需要綜合考慮各方面 因素，包括成本、部署難易、業(yè)務(wù)發(fā)展、對用戶的影響、網(wǎng)絡(luò) 流量模型(IPv4/v6比例)、未來演進(jìn)方向和IPv4地址空間等, 在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中尋求異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存與互通問題的最佳解決 方案，實(shí)現(xiàn)IPv4到IPv6的順利過渡。

目前，比較主流的可部署的幾種IPv6過渡技術(shù)有: NAT444、DS-Lite、Smart6、6RD、L2TP、NAT64等。

1.1初期過渡方案NAT444

NAT444是IPv6過渡初期的重要技術(shù)，由兩級NAT構(gòu) 成——CPE的NAT,運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的NAT44。NAT444可以部 署在網(wǎng)絡(luò)核心出口或者業(yè)務(wù)控制層面，前者稱為集中式部署, 后者稱為分布式部署。運(yùn)營商部署的NAT設(shè)備稱為NAT444 網(wǎng)關(guān)或者運(yùn)營商級NAT (CGN)。

NAT444的主要思想是由運(yùn)營商部署運(yùn)營級NAT44設(shè)備 CGN,同時與用戶側(cè)的NAT組成兩級地址轉(zhuǎn)換，形成三塊地 址空間，即用戶側(cè)私網(wǎng)地址、運(yùn)營商私網(wǎng)地址、公網(wǎng)地址。

其部署架構(gòu)如圖1所示。

用戶使用私網(wǎng) IPv4 地址，例如 10.0.0.0/8，經(jīng)過用戶側(cè) CPE 處進(jìn)行 NAT 轉(zhuǎn)換，將 10.0.0.0/8 的私網(wǎng) v4 地址轉(zhuǎn)換為另一私網(wǎng)空間的v4地址如172.16.0.0/12,經(jīng)過運(yùn)營商級 的NAT444網(wǎng)管(CGN)設(shè)備后進(jìn)行第二級NAT轉(zhuǎn)換，將 172.16.0.0/12的私網(wǎng)v4地址轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)IPv4地址，實(shí)現(xiàn)從 私網(wǎng)IPv4——私網(wǎng)IPv4——公網(wǎng)IPv4地址的NAT444轉(zhuǎn)換。 這樣將很大程度上提高公網(wǎng)IPv4地址的復(fù)用率，有效解決地 址枯竭的問題。

NAT444技術(shù)有四種部署方式，包括集中旁掛式、集中 插卡式、分布旁掛式和分布插卡式。集中式NAT444網(wǎng)關(guān)部 署在網(wǎng)絡(luò)流量的匯聚點(diǎn)，如城域網(wǎng)出口、移動分組域出口；分 布式NAT444網(wǎng)關(guān)部署在業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，比如BRAS、PDSN等。 運(yùn)營商可根據(jù)需要靈活選擇合適的部署方式。NAT444技術(shù) 現(xiàn)網(wǎng)部署方式如圖2所示。

NAT444方案可以提高IPv4地址的復(fù)用率，有效緩解地 址枯竭問題，而且便于部署，只需在業(yè)務(wù)控制層或者核心層 增加CGN設(shè)備即可，無需進(jìn)行較大規(guī)模的設(shè)備替換。從用戶 感知度、技術(shù)成熟度和部署難易度等方面考慮，NAT444是 IPv6過渡初期比較好的方案。

1.2長期演進(jìn)方案DS-Lite

NAT444雖然擁有成熟可靠、部署簡單以及節(jié)省投資等優(yōu) 勢，但從長遠(yuǎn)來看，由于NAT技術(shù)不能從根本上解決地址短 缺的問題，而且會增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，NAT444并不能推 進(jìn)網(wǎng)絡(luò)向IPv6演進(jìn)，而DS-Lite則是業(yè)界公認(rèn)的下一代互聯(lián) 網(wǎng)中后期演進(jìn)方案。

DS-Lite方案的特點(diǎn)是在接入網(wǎng)部署“純IPv6”，對于 用戶的IPv4業(yè)務(wù)應(yīng)用，采用隧道技術(shù)把IPv4業(yè)務(wù)放到IPv6 伺服器上，主要解決IPv4或者雙棧用戶穿越運(yùn)營商IPv6網(wǎng)絡(luò), 進(jìn)而訪問IPv4服務(wù)的問題。

DS-Lite是輕量級雙棧方案，只需要家庭網(wǎng)關(guān)(B4)和 AFTR (Address Family Translation Router)設(shè)備開啟 雙棧， 其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要支持IPv6即可。運(yùn)營商只需為家庭網(wǎng)關(guān) (B4)分配IPv6地址，終端的私網(wǎng)IPv4地址由家庭網(wǎng)關(guān)自行 分配。用戶訪問IPv6業(yè)務(wù)可通過家庭網(wǎng)關(guān)及IPv6城域網(wǎng)直接 到達(dá)；對于IPv4業(yè)務(wù)，通過家庭網(wǎng)關(guān)(B4)與AFTR之間建 立IPv4-in-IPv6的隧道，用戶側(cè)設(shè)備B4將IPv4流量封裝在 IPv6隧道內(nèi)，在AFTR處實(shí)現(xiàn)隧道的解封裝，并將IPv4私 有地址轉(zhuǎn)化為IPv4公網(wǎng)地址，最終轉(zhuǎn)發(fā)至IPv4業(yè)務(wù)系統(tǒng)。通 過DS-Lite方案部署，可減輕寬帶接入服務(wù)器設(shè)備的壓力，運(yùn) 營商可以通過一個IPv6承載網(wǎng)絡(luò)同時提供IPv4與IPv6服務(wù)。

DS-Lite現(xiàn)網(wǎng)部署包括如下幾種方式：

集中旁掛式DS-Lite

城域網(wǎng)出口路由器CR處旁掛AFTR設(shè)備，CR通過物理 端口與AFTR設(shè)備相連，CR旁掛2臺AFTR，實(shí)現(xiàn)集中旁掛 式DS-Lite的部署。部署方案如圖3 (a)所示：

集中插卡式DS-Lite

城域網(wǎng)出口路由器CR提供槽位，插入AFTR板卡，實(shí) 現(xiàn)集中插卡式DS-Lite的部署。每臺CR至少配置2塊AFTR 板卡，實(shí)現(xiàn)板卡之間冗余和負(fù)載分擔(dān)。部署方案如圖(b)所示:

分布旁掛式DS-Lite

在城域網(wǎng)BRAS/SR處旁掛AFTR設(shè)備，BRAS通過物 理端口與AFTR設(shè)備相連。每臺BRAS配置2臺AFTR，實(shí) 現(xiàn)集中插卡式DS-Lite的部署。部署方案如圖3(c)所示：

（4）分布插卡式 DS-Lite

城域網(wǎng) BRAS上插入 AFTR 板卡，實(shí)現(xiàn)分布插卡式 DS-Lite 的部署。每臺 BRAS 至少配置 2 塊 AFTR 板卡，實(shí)現(xiàn)板卡之間冗余和負(fù)載分擔(dān)。部署方案如圖 3（d）所示 ：

未來，使用 IPv4 的終端以及服務(wù)會逐漸消失，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)IPv6單協(xié)議棧運(yùn)行，整個IPv4向IPv6遷移的過程結(jié)束。

與 NAT444 方案相比較，DS-Lite 對于 IPv6 的演進(jìn)態(tài)度更積極，更能促進(jìn) IPv6 產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

2 下一代互聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例

物聯(lián)網(wǎng)被公認(rèn)為是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，已經(jīng)成為全世界矚目的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義就是將物體互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的信息交互，這就意味著需要消耗大量的 IP 地址，然而現(xiàn)有的 IPv4 地址已經(jīng)不能滿足物聯(lián)網(wǎng)時代的地址需求，IPv6 技術(shù)的演進(jìn)部署為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了更加廣闊的發(fā)展前景。目前，已有許多行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用了下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，下面介紹幾個下一代互聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例。

2.1 下一代互聯(lián)網(wǎng)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用部署

農(nóng)業(yè)是最早應(yīng)用下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)之一。2009 年，湖南農(nóng)科院成功部署了基于 IPv6 的溫室綜合監(jiān)控系統(tǒng)，為下一代互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了示范。目前，已有多個農(nóng)業(yè)基地應(yīng)用了下一代互聯(lián)網(wǎng)部署智能農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，如百果園、千龍湖農(nóng)場、郴州煙草基地等。下面以某農(nóng)業(yè)基地建設(shè)的基于 IPv6 的智能農(nóng)業(yè)項(xiàng)目為例，介紹下一代互聯(lián)網(wǎng)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用部署。

該項(xiàng)目主要包括兩部分的建設(shè)內(nèi)容，大棚內(nèi)無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)的部署，農(nóng)業(yè)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中心平臺的建設(shè)。項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)如圖 4 所示。

該項(xiàng)目在大棚內(nèi)新增各類支持 IPv6 的傳感器（包括空氣二氧化碳傳感器，土壤鹽分傳感器，光照度傳感器，空氣溫濕度傳感器，土壤水分傳感器，投入使用水溫、水位、水 PH值、水溶解氧傳感器等）、攝像頭，通過無線接入的方式組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器、攝像頭擁有一個 IPv6 地址。各類傳感器將采集到的信息（溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、營養(yǎng)液 PH 值、營養(yǎng)液 EC 值等）上傳至智能農(nóng)業(yè) IPv6 采集機(jī)，采集機(jī)上聯(lián)至智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中心平臺，對大棚進(jìn)行管理，如灌溉、關(guān)窗、開啟風(fēng)機(jī)等操作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時管理。

圖 5 是下一代互聯(lián)網(wǎng)智慧小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

2.2 下一代互聯(lián)網(wǎng)在智慧小區(qū)中的應(yīng)用部署

基于下一代互聯(lián)網(wǎng)的智慧小區(qū)是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)典型應(yīng)用，它將物聯(lián)網(wǎng)和下一代互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)和人們的日常生活緊密聯(lián)系起來，能為人們帶來更多便利，可以成為推廣物聯(lián)網(wǎng)的一個良好平臺。

下一代互聯(lián)網(wǎng)智慧小區(qū)技術(shù)上利用泛在網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)傳感終端及探頭，應(yīng)用下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，以智慧社區(qū)云平臺為基礎(chǔ)，以 IPv4/IPv6 雙棧通信網(wǎng)絡(luò)為智能管道，將小區(qū)內(nèi)各類公共智能信息應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)主家居智能應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成，將 IPv6 傳感終端獲取的信息通過云計算技術(shù)反饋到用戶的手機(jī)、PC 和電視等屏幕上，實(shí)現(xiàn)用戶在任何時間、任何地點(diǎn)、以任何主體、向任何對象、傳播任何信息。

下一代互聯(lián)網(wǎng)智能示范小區(qū)架構(gòu)圖如圖 6 所示。

部署在小區(qū)內(nèi)的各類智能終端、傳感器、攝像頭等設(shè)備通過智能家居網(wǎng)關(guān)分配的 IPv6 地址進(jìn)行通信，用戶可以通過手機(jī)、電腦客戶端對設(shè)備進(jìn)行訪問和操作。項(xiàng)目可為小區(qū)各方提供 ：物業(yè)管理系統(tǒng)、平安管家、電子相冊、周邊商家信息共享系統(tǒng)、停車管理系統(tǒng)、門禁及樓宇對講系統(tǒng)、小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)、家居智能管理系統(tǒng)、TV 電視系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、電子支付等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)住戶、物業(yè)公司與電信業(yè)務(wù)的信息化融合。

2.3 下一代互聯(lián)網(wǎng)在能源智能監(jiān)控項(xiàng)目中的應(yīng)用部署

近年能源短缺現(xiàn)象日益突出，節(jié)能降耗已經(jīng)成為全社會普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。目前我國許多工業(yè)企業(yè)管理模式粗放、工藝及設(shè)備 較 為落后，缺少能耗和能效監(jiān)測、管理工具及手段，使得單位產(chǎn)品的能耗過高，能源利用效率與世界先進(jìn)水平相比約低 10 多個百分點(diǎn)。因此，開展能源智能監(jiān)控項(xiàng)目刻不容緩。

該項(xiàng)目主要通過能源消耗情況實(shí)時監(jiān)控管理平臺的建設(shè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)能耗監(jiān)測、統(tǒng)計和分析。在工業(yè)企業(yè)安裝計 量裝置，并分配 IPv6 地址，實(shí)現(xiàn)對能耗的分類、分項(xiàng)、分產(chǎn)品線精確計量。工業(yè)企業(yè)監(jiān)管部門實(shí)時采集各企業(yè)能耗數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行綜合分析，為節(jié)能減排管理提供依據(jù) ；相關(guān)單位加入平臺后，通過平臺，可以進(jìn)行節(jié)能減排方面的資源共享，可以對單位線路和設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，控制終端，可以通過專業(yè)的能效管理師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，針對企業(yè)用能不合理的情況提出適合的解決方案。項(xiàng)目采用自動化、信息化技術(shù)建立能源管理調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)從能耗數(shù)據(jù)采集——過程監(jiān)控——能源介質(zhì)消耗分析——能耗管理等全過程自動化、高效化、科學(xué)化管理。

能源管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 7 所示。

該項(xiàng)目的組網(wǎng)架構(gòu)見圖 8。

IPv6 網(wǎng)關(guān)部署在各大企業(yè)，為計量裝置分配 IPv6 地址。計量裝置，包括給排水采集系統(tǒng)的流量計、壓力表，智能水表；店里采集系統(tǒng)的變壓器溫控儀、電表；燃?xì)獠杉到y(tǒng)的流量計、壓力表、溫度儀等。計量裝置采集到的各類信息通過 IPv6 網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息存儲平臺進(jìn)行分類，并最終到達(dá)能源監(jiān)控管理

平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和報警等功能。

3 結(jié) 語

下一代互聯(lián)網(wǎng)意味著更大的地址空間，更好的 QoS，更高的安全性，更實(shí)時有效的通信，應(yīng)用下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然方向。目前，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍處于起步階段，而下一代互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)也不是一蹴而就的，不同電信業(yè)務(wù)、不同應(yīng)用場景在不同階段對 IPv6 演進(jìn)方案有著不同需求，而各個行業(yè)各個領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)也需要進(jìn)一步的研究探索?；谙乱淮ヂ?lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展演進(jìn)之路將是一個長期的過程。

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