Transcript 山东大学计算机科学与技术学院嵌入式系统学科组38 存储问题存储器

IPV6技术与物联网应用
贾智平
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物联网 The Internet of Things (IOT)
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物联网层次架构
• 传感器技术
• 传感网技术
• 标签
……
• 互联网
• 移动网
• IPv6
……
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• 云计算技术
• 信息挖掘(BI)
• 智能管理和控制
……
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物联网特征
物联网特征
1 全面感知，即利用RFID、传感器、GPS、激光扫描器等
，随时随地的获取物体的信息；
2 可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的
信息实时准确的传递出去；
3 智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，
对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的
控制。
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物联网对通信网络的需求
• 智能终端
支持巨大的地址/号码空间
无线方式需要庞大的号码资源支撑；
要实现智能终端端到端的通信和管理，要求通信网
络能提供足够的地址空间来满足需求。
安全可靠
通信网络应提供必要的安全机制来保证物与物、人
与物通信是安全可靠的，避免来自外部的攻击。
网络可扩展
通信网络应具有可扩展性，网络容量足够大，满足
大量智能终端之间的通信需求。
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物联网对通信网络的需求
• 传感器(智能小器件)
轻量级的通信协议
存储能力低、能量低、运算速度低，网络通讯协议必须精简
支持巨大的地址空间
物与物的通信消耗大量的地址，须提供足够的地址空间
可靠的低速率传输
传感器件计算速度和带宽有限，降低通信功耗，要求提供低
速率高可靠的传输通道
网络的自组织能力
传感器节点出现故障时，通信网络应通过路由机制具备自愈
能力，不会银个别节点影响整网通信
可扩展
可扩展性、网络容量足够大
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物联网网络层关键需求
物联网需要支持泛在移动的统一互联架构
TCP/IP
协议体
系
移动性
管理协
议
IPv6
地址
架构
物联网需
要统一的
协议基础
物联网
需要移
动性支
持
物联网需
要海量的
IP地址资
源
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物联网与现有通信网的结合
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物联网中的Zigbee
WSN中zigbee是主流
Zigbee协议栈只有32K，复杂度
低、功耗低、成本低 、抗干扰性
强 ，成为WSN的主流。我国已经
开放780作为zigbee网络频段。
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物联网中的Zigbee
 ZigBee协议紧凑简单，对传感器处理能力要求低
 ZigBee协议支持动态路由机制，节点故障时能够快速自愈
 ZigBee技术 体系成熟，形成了一定的产业规模
 MAC地址对应自动分配16bit短地址，子网地址空间有限
 ZigBee用于短距离通信，远程通信需要利用网关接入到公网
中,嵌入式网关支持
 ZigBee节点未来可能的寻址方式—全IP方式(IPv6)
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物联网面临的问题
 技术方案不统一。物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面大量
的技术出现，导致不同的技术方案。多样的网络标志、各种不同的专用
网，相互无法联网，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联
网马上就要面对问题。
大量异构终端
异构网络
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复杂应用
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物联网面临的问题
 通信网络不能提供足够多的
地址空间来满足互联对象对
地址的需求
 网络容量不够大，不能满足
大量智能终端、智能小物体
之间的通信需求
IPV4地址耗尽！！
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物联网面临的问题
 智能小物体由于其能量、存
储、计算速度与带宽是受限
节点移动性管理？？
的，因而要求通信网络能够
提供轻量级的通信协议、可
靠的低速率传输
 网络要求具备自组织能力，
支持节点移动性管理；现在
的IPv4和TCP都是无法满足
的。
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物联网面临的问题
• 物联网成功的关键因素
统一网络标志
关键
异构IPv6接入
移动性管理
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物联网使用IPv4的问题
Problems of IPv4
IPv4的地址已经
濒临枯竭，IPv4
地址空间已经很
难再满足物联网
对网络地址的庞
大需求。
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海量地址的分配；
传统DHCP分配方式
对DHCP服务器也提
出了极高的性能和
可靠性要求
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物联网使用IPv4的问题
Problems of IPv4
IPv4协议无法
解决节点移动
性带来的路由
问题
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QoS
NAT
安全性
可靠性
......
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物联网使用IPv4的问题
Problems of IPv4
The address exhaustion
Routing scalability&address allocation
Future Internet
has to be
based on IPv6
Mobility & security & NAT
......
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IPv6与IPv4的报头区别
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IPv4/v6报头对比
IPv6无校
验无分片
流支持
扩展报头
地址128位
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IPv6海量地址空间
 IPv6具有海量的地址空间
128bit
假设每个IPv4和IPv6 地址的重量都是1克
• 整个 IPv4 地址空间的重量大
约是纽约市帝国大厦重量的
1/17。
32bit
• IPv6 地址空间的重量将是地球
的 567 亿倍！
Address space
2^32>>2^128
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IPv6的优势
Large
address
space
More
options
extension
Flow label
for
QoS
Automatic
host
configure
IPv6
Better
Mobility
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Simplified
IP
header
More
secure
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物联网应用IPv6
物联网可以作为IPv6技术发展的切入点
 IPv6具有几乎无限的地址空间，保证IP网络端到端的透明性
，简化网络结构，未来完全使用与智能终端的网络互联。
 智能终端/传感器自身因素限制，需要简化IPv6协议栈，改
进路由机制，来满足物联网的通信网络需求。
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IPv6优势
• IPv6采用128位地址
• 报头格式的简化，去除了校验码、分片等部分
• 对可选项更大的支持，支持IPSec等
• 提高服务质量
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物联网应用IPv6
IPv6带来的优势
海量地址空间
自动配置即插即用
IPv6采用128位地
IPv6的内置地址自
采用简化的报头定
址长度，几乎可以不
动配置功能使大量IP
长结构和更合理的分
受限制地提供IP地址，
物联网终端不用手动
段方法，更方便采用
解决IP地址耗尽危机，
配置就可以发现网络，
硬件来实现转发，使
每个对象都可以直接
并获得IPv6地址同时
路由器加快数据包处
编址，从而确保了端
为移动性提供了有力
理速度，提高了转发
到端连接的可能性。
的支持.
效率，从而提高网络
简化报头高效传输
的整体吞吐量
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物联网应用IPv6
IPv6带来的优势
高安全性
移动性
IPv6内置的安全扩
利用移动IPv6和家
增强的QoS服务能
展包头使端到端、网
乡代理，移动终端可
满足物联网应用中的
络到网络的通信加密、
以在保持已有的通信
实时性、优先级等服
验证实施变得更加容
连接不被中断的情况
务质量需求，还可以
易。提供诸如访问控
下，在不同的网络间
根据传感器数据传输
制、机密性与数据完
进行漫游，同时还能
需求特点，实行差异
整性等端到端安全服
保持自身的可达性。
化服务，合理分配网
务。
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服务质量
络带宽。
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物联网应用IPv6
统一网
络标志
海量地
址空间
移动性支
持管理
物联网
IPV6
服务质量
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安全性
可靠性
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物联网应用IPv6
 物联网应用IPv6要解决的问题
轻量化IPv6协议。满足嵌入式IPv6对功能、体积、功耗和
成本等的严格要求。
地址转换。需要相应的地址转换机制来实现IPv6地址和
IEEE802.15.4长、短MAC地址之间的转换。
IPv6报文过大，头部负载过重。
从IPv4向IPv6迁移以及兼容性问题。
其他........
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IEEE 802.15.4 介绍
• 它是ZigBee, WirelessHART和MiWi等规范的基础
• 针对低速无线个人区域网络LR-WPAN制定
• 低能量消耗、低速率传输、低成本
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IEEE 802.15.4特点
• 支持星型和点对点两种网络拓扑结构
• 有16位和64位两种地址格式
• 支持CSMA-CA
• 支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性
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IEEE 802.15.4帧格式
Octets：4 字节
1 字节
1 字节
SFD （帧起始
分隔符
前导码
（preamble）
固定值：
OXA7
Frame length
(7 比特)
同步头(SHR)
可变
Reserved
(1 比特)
PSDU
物理帧头(PHR)
Ocets:
2
1
0/2
0/2/8
0/2
0/2/8
帧控制
域
(Frame
Control)
帧序列
号
(Seq
Num)
目标
PAN ID
目标地
址
源
PAN ID
源地址
PHY 负载
0/5/6/10
/14
可变
2
附加安
全头部
帧负载
FCS校
验
MAC
负载
帧尾
(MFR)
地址域
帧头(MHR)
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IPv6问题与现有解决方案
• IPv6适应于IEEE 802.15.4标准问题
• 链路层与网络层地址转换解析问题
• 地址分配问题
• 路由问题
• IPv4与IPv6互通问题
• 存储问题
• 安全问题
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IPv6适应于IEEE 802.15.4标准问题
• 无线网帧容量小而IP分组较大的矛盾
• 128位地址与16/64位地址的矛盾
• ……
• 比较好的解决方案：6LoWPAN
– RFC 4944 和 RFC 6282
– 无状态自动分配地址、头压缩方案等
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链路层与网络层地址转换解析问题
• IPv6地址与MAC地址解析
– ARP和RARP（弃用）
– 邻居发现协议 ICMPv6（RFC4861、RFC 4443）
• 邻居请求NS 邻居宣告NA
• 过程类似于ARP
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邻居发现过程
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地址分配问题
• DHCP v6 （RFC 3315、RFC 3736）
• 无状态地址自动配置（RFC 4944）
0xFF 0xFE
前面再加上FE80:0:0:0:就变成了128位IPv6地址
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路由问题
• RIPv6（RFC2453、RFC4822）
• OSPFv3（RFC2740）
• MP-BGP（RFC4760）
• IS-IS v6
(RFC 5308)
• ROLL工作组制订了RPL（Routing Protocol for
LLN）协议，参考draft-ietf-roll-rpl
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IPv4与IPv6互通问题
• 双栈
• 隧道
• IPv4/IPv6翻译技术
– 有状态翻译 NAT-PT（RFC2766 ）
– 无状态翻译 SIIT（RFC2765 ）
– IETF的BEHAVE工作组 （RFC6052）
• 定义了嵌入IPv4地址的IPv6地址的结构格式包括前缀prefix，IPv4
地址v4，u字节u 和后缀suffix
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存储问题
• 存储器紧张
• 裁剪协议栈
–
–
–
–
–
是否使用滑动窗口
是否支持超大数据报
是否支持扩展报头
是否支持DHCP
……
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安全加密问题
• MAC子层：
–
–
–
–
访问控制
数据加密
帧完整性检查
顺序更新
维护访问控制表
AES算法
比如CRC算法
有序编号
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安全加密问题
 网络层：
– 身份验证头(AH) RFC 1826
• MD5 SHA1
– 封装安全性净荷(ESP) RFC 1827
• DES 3DES NULL
– 互联网密钥交换IKE
• ISAKMP Oakley
– 由于MAC帧容量有限，实现有困难
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6LoWPAN工作组介绍
• IETF三大工作组之一（ROLL、Core）
• 标志性成果：
– 《在低功耗网络中运行IPv6协议的假设、问题和目标》
RFC4919
– 《在IEEE802.15.4上传输IPv6报文》
RFC4944
– 《在IEEE802.15.4网络上IPv6报文的压缩格式》
RFC6282
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6LoWPAN工作组部分成果
最大帧头
25B
最小IP头
40B
最大IP载
荷62B
长度7位
最大载荷
127B
RFC2460
规定IPv6
MTU为
1280B
1、压缩IP头
2、链路层分片
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6LoWPAN适配层
IPv6网络层
应用层
传输层
IPv6网络层
6LowPAN适配层
IEEE 802.15.4 MAC层
头部压缩
移动性
链路层的分片和重组
异构网络互操作性
组播支持
MAC层路由
网络拓扑构建
和地址分配
IPv6报文的转发
6LowPAN其他功能
IEEE 802.15.4 物理层
IEEE 802.15.4 MAC层
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压缩IP头
• 6LowPan提供了两种压缩算法
– LOWPAN_HC1/2（RFC4944）
用于本地链路
– LOWPAN_NHC（RFC6282）
用于可路由地址
• 16位地址分类（RFC4944）
–
–
–
–
0xxxxxxxxxxxxxxx 单播地址
100xxxxxxxxxxxxx 多播地址
1111111111111111 广播地址
其余保留
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链路层分片
• 6LowPan适配层使用专门的报文格式来实现分片
不分片报文
LF
分片报文
LF
prot_type
prot_type
M B
M B
rsv
rsv
Payload /MD /Broadcast Hdr
Datagram_size
Datagram_tag
Payload/ MD/Broadcast Hdr
第一分片
LF
fragment_offset
M B
rsv
Datagram_size
Datagram_tag
Payload/ MD/Broadcast Hdr
后继分片
LF
链路分片位置
00
不分片
01
第一个分片
10
最后一个分片
11
中间分片
偏移量
，单位
8字节
网状
传递
广播
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负载长度，11
位2048B
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链路层分片
• 6LowPan分片实例
Payload
原始负载报文
适配层分片
01
Protocol
M B
Size
Tag
Mesh
Payload Fragment
Mesh
Payload Fragment
第一片
11
Offset
M B
Size
Tag
第二片
10
Offset
M B
Size
Tag
Mesh
Payload Fragment
第三片
重组根据源MAC地址和datagram_tag字段
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6LoWPAN最新进展
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IPv6仍然存在的问题
• AAA
– Authentication 指身份认证
– Authorization 授权机制
– Accouting
自动计费服务
 与无线通信技术的融合
– GPRS、3G、4G、WAP、蓝牙等通信方式需要支持IPv6
才能让IPv6在无线传感领域更快发展
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IPv6仍然存在的问题
• 路由发现协议的安全隐患
– 邻居宣告NA攻击
类似于ARP攻击
将P3的地址
P1 加入缓存
P2
一个局域网
发送NS广播，
请求P2的地址
向P2发送的
数据送向P3
收到NS，发送P3的地址
P3
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IPv6仍然存在的问题
• 路由发现协议的安全隐患
– 邻居宣告NA设计缺陷——缺乏认证
伪装成
路由器
O位：是否
覆盖缓存项
虚假信息
R位：是否
是路由器
S位：是否是
target本机做
出的宣告
伪装成本机
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总结
• 在IEEE 802.15.4网络下的IPv6仍然存在着不少缺陷
和问题
• 从6LoWPAN近期的草案就能看得出，物联网上的
IPv6在快速发展和实现
• 重点关注了6LoWPAN工作组，即数据链路层和本地
网络层的内容，随着这两层的完善，ROLL所研究
的路由和由Core所研究的应用层将会发挥更大作用
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