IPv6對IPv4的取代：企業物聯網建設中IP協議的定位

許金葉 薛悅陽

【摘 要】 物聯網建設需要把數以億計的物件“互聯互通”并且“相互作用”，在網絡地址唯一性前提下，當前IPv4地址資源呈現明顯不足。基于這個背景，文章主要介紹企業在建設物聯網過程中應該如何選擇IP協議的相關問題，特別是分析IPv6對IPv4取代的必然性以及企業物聯網建設中應用IPv6應該注意的問題。

【關鍵詞】 IP協議； IPv6； IPv4

物聯網的本質是網絡間交互作用，但是，互聯互通是物聯網交互作用的前提條件。由于物理世界中物件數量難以計數，物的形態與性質又是千變萬化、千差萬別，如何通過網絡把這些千奇百怪的物件不但能夠聯系起來，保持各自的性質與狀態，而且將來能夠在網絡智能控制下交互作用，這就是物聯網建設中必須考慮與建設的標準問題。但是，隨著近30年互聯網的蓬勃發展，特別是物聯網的發展開始受到網絡IP地址的限制。有資料顯示全球IPv4地址可能在很短時間內即將消耗殆盡，地址空間的不足必將影響互聯網的進一步發展。網絡IP地址不足，嚴重地制約了我國及其他國家互聯網的應用和發展。

基于這個背景，論文主要介紹企業在建設物聯網過程中應該如何選擇IP協議的相關問題，特別是IPv6對IPv4取代的必然性以及企業物聯網建設中應用IPv6應該注意的問題。

一、因特網協議IP（Internet Protocol，IP）的發展歷程

互聯網建設的終極目標是：網絡是中立和無控制的，任何人都沒有決定權；網絡的應用是無關的，網絡的任務就是如何更好地傳輸數據報。因此，要建立一個可以無縫鏈接到其他網絡的系統和如何設計一個面向未來的網絡，就需要一個大家都接受的網絡協議。這個協議就叫因特網協議，也叫IP協議產生的前提條件，也是IP協議的重要作用。

IP協議最早形成于美國國防部高級研究項目局資助的工程所開發的協議（叫1822協議），在1970年為網絡控制協議（Network Control Protocol，NCP）所取代，NCP協議的目的是通過接口消息處理機（Interface Message Processor，IMP），現在也稱為智能物件的路由器，把網絡上的各個站點聯起來。Vint Cerf和Robert Kahn后來設計網絡傳輸控制協議TCP（Transport Control Protocol，TCP）來取代網絡控制協議NCP，由于兩者沒有分開，就統稱TCP/IP。在因特網協議（也叫IP協議）里，使用最為廣泛的兩個協議是傳輸協議TCP和用戶數據報協議UDP（User Datagram Protocol，UDP）。傳輸協議位于IP協議之上，為應用提供一種無須直接與IP層交互的通信機制。應用程序并不直接使用IP，而是通過傳輸協議相互通信。由于下層IP網絡盡最大可能傳遞數據報，但無法保證數據報一定可以到達目的地，也無法保證數據報的交付順序和發送時的順序相同，因此，用戶數據報協議UDP在IP層之上提供了一個附加層來解決前面的問題。IP使用地址標識因特網中的主機，UDP使用端口標識主機的每一個進程。端口是一個16bit的數值，用來區分每個端點不同的發送者和接收者。用戶數據報協議UDP提供一種盡力而為的傳送服務。

IPv4（TCP第4版）是在1982年設計，廣泛并成功地部署到全世界大量公用網絡和私有網絡中的數以億計的主機和路由器上。IPv6（TCP第6版）的發展是從1992年開始的，由IETF設計的下一代互聯網協議，目的是取代現有的互聯網協議第四版（IPV4）。經過了十幾年的發展，IPv6的標準體系已經基本完善，在這個過程中，IPv6逐步優化了協議體系結構，為業務發展創造了機會。

隨著物聯網建設的發展，許多客觀世界中的物要通過智能物件經過網絡聯系并能夠交互起來。這就需要IP協議能夠唯一識別并有效地把智能物件聯系起來。因此，一下子擴充了的網絡地址及其網絡操作發展中互通性、可擴展性、架構的穩定性和普遍性受到人們的重視。

二、IPv6對IPv4取代：物聯網發展的必然

IPv4協議已經使用了30多年，不可否認，IPv4在因特網的發展進程中起到了舉足輕重的作用。甚至今天的因特網中絕大多數仍是使用IPv4協議。但是，隨著計算機及路由器的迅速發展，特別是隨著物聯網的快速發展，IPv4的弊端日益明顯，IP6取代IP4成為物聯網發展的必需，具體如下：

（一）IPv6對IPv4的取代能夠解決物聯網發展過程中網絡地址的不足

當前，IPv4地址資源有限。從理論上講，編址1 600萬個網絡、大約43億個電腦可以聯到Internet上。但采用A、B、C三類編址方式后，可用的網絡地址和主機地址的數目大打折扣，以致目前的IP地址近乎枯竭。最近美國ARIN發布報告，A類地址已分配完；62%B類地址已分配；37%C類地址已分配，IPv4的地址空間將面臨耗盡的危險。IPv6產生的初衷主要是針對IPv4地址短缺問題，即從IPv4的32bit地址，擴展到了IPv6的128bit地址，充分解決了地址匱乏問題。同時，IPv6網絡中一個接口可以有一個或多個IPV6地址（包括單傳波地址、任播地址和多播地址），這也進一步增加了地址應用的擴展性。

（二）IPv6對IPv4的取代能夠解決物聯網發展過程中互通性、可擴展性、架構的穩定性和普遍性的需要

1.IPv6取代IPv4，更能夠適應物聯網網絡傳輸控制的發展

網絡能夠互聯互通是網絡在任何數據改善之前，兩個端口之間必須建立一個鏈接。鏈接由端點的IP地址和TCP端口之間唯一確定。TCP在盡力而為的IP層之上提供一個可靠的字節流來傳輸服務，它通過緩沖數據并結合主動確認和重傳機制，實現傳輸可靠性；同時，TCP還提供包括建立和拆除鏈接的可靠方式。總之，TCP以更大的報頭和更為復雜的傳輸層協議的邏輯為代價降低了應用的復雜程度。

在物聯網環境下，智能物件有芯片內存低、信息吞吐量低等特點。同時，用于物聯網環境下的UDP協議存在兩個缺點：UDP不為傳輸過程中丟失的數據報提供任何恢復機制，丟失的數據報由應用來恢復；同時，UDP不為應用提供任何機制來將數據割成大小適合網絡傳輸的數據塊。因此，必須計算出適合網絡傳送的分組數據大小，并相應地調整數據報。而這些功能TCP不但提供傳輸可靠性，還提供了一種自適應分組傳送報文大小的機制。這些功能就要求TCP的地址能夠把數量巨大的智能物件按唯一的身份聯系起來。因此，IPv6取代IPv4，更能夠適應物聯網網絡傳輸控制的發展。

2.IPv6取代IPv4更能夠適應物聯網發展過程中互通性、可擴展性、架構的穩定性和普遍性的需要

隨著物聯網等信息技術的發展，雖然智能物件具有一定的智能，但是，它們畢竟是沒有智慧的物體，不能夠像人那樣熟悉直接操作網絡。因此，相對人來說，智能物件對物聯網中的網絡協議有更多的特殊要求，比如：可擴展性、互通性、架構穩定性和普遍性等。

智能物件對IP協議的可擴展性需求是指IP協議能夠內在支持智能物件的發展而具有可持續開發的機制；智能物件對IP協議的互通性需求是指IP協議能夠支持智能物件之間以及智能物件和網絡基礎設施之間可持續的互通性，這就要求IP協議提供網絡、應用和協議在網絡中不同鏈路層內和層間的互通性；智能物件對IP協議的架構穩定性和普遍性的需求是指雖然IP協議的可擴展很重要，但是IP協議的架構穩定性和普遍性對智能物件在生命周期內具有重要意義。

總之，IPv4近20年的空前成功，已經證明了IPv4協議設計的基本思想、構架是值得肯定的。IPv6并不是一個全新的網絡協議標準，沒有完全推翻IPv4的所有思路和結構，它總結IPv4近20年來運營所獲得的豐富經驗和教訓，繼承IPv4協議運行的主要優點，最后進行了大幅修改和功能擴充。例如：針對物聯網的發展需要，除了具有龐大的地址空間外，IPv6對IPv4功能上進行了發展，簡易靈活的頭部格式、網絡資源可進行預分配、更高的安全性、支持即插即用和移動性。由于這些特性技術含量較高，這里不進行具體介紹。智能物件由于自身的特殊性對物聯網的IP協議具有特殊的要求，新一代的IPv6能夠為物聯網的應用和服務提供可橫跨多種通信技術的互通、可擴展、穩定和普遍的網絡架構協議，為互聯網換上一個簡捷、高效的引擎，這樣不僅可以解決IPv4目前的地址短缺難題，而且可以使物聯網擺脫日益復雜、難以管理和控制的局面，變得更加穩定、可靠、高效和安全。

三、企業應用IPv6應該注意的主要問題

隨著3G通訊業務、智能手機等多種個人智能終端、超高速家庭網絡的發展，針對網絡地址不足等問題，我國已經起動IPv6取代IPv4的工程。這對物聯網建設具有重要的現實意義。但是，正如每一個新生事物一樣，IPv6也有其不足的地方，企業在物聯網建設中應用IPv6除了進行詳盡的規劃與設計外，還應該主要注意過渡性問題與安全問題。

（一）過渡性問題

雖然IPv4有上述缺陷以及IPv6協議標準的成熟具有取代IPv4位置的必然趨勢，但是，這種取代的過程必然會經歷一個相對漫長的過程。同時，盡管IETF在設計IPv6的時候已經充分考慮了和IPv4的兼容性，但是這兩個版本不是完全兼容的。因此，企業在物聯網建設中必須考慮由IPv4向IPv6過渡的問題。首先是處理好IPv4向IPv6遷移時應該考慮的地方：Ipv4與Ipv6的主機必須可互操作；Ipv6主機和路由器的使用必須簡單，逐漸地分布普及到整個Internet，不能有太多的相互依賴性；網絡管理員和最終用戶必須認為這種遷移容易理解和執行。其次是注意過渡技術的選擇，即雙協議棧技術、隧道技術和網絡地址轉換技術。

（二）安全性問題

引入IPv6出現的安全問題主要來源于兩方面：一方面是由于IPv6本身的缺陷所引發的安全問題；另一方面是由于IPv6的過渡技術引發的安全問題。由IPv6本身的缺陷引發的安全問題有：IPv6現在遇到的安全威脅主要包括地址掃描、非法訪問、分片、路由協議的認證、蠕蟲攻擊、對ICMPv6的攻擊、對鄰居發現的攻擊以及對無狀態地址自動配置的攻擊等；過渡技術引發的問題有：雙棧技術的安全問題、隧道技術的安全問題、地址翻譯技術的安全問題等。

四、結論與啟示

物聯網建設需要把數以億計的物件“互聯互通”并且“相互作用”，企業在建設物聯網過程中應該選擇IPv6對IPv4取代的IP協議的標準是：不僅要有充足的地址資源，更需要IPv6能夠在網絡操作發展中有更好的互通性、可擴展性、架構的穩定性和普遍性。

IPv6對IPv4是一個不能夠相互兼容的IP協議。物聯網建設從IPv4向IPv6遷移產生不少的過渡困難。這給大家的啟示便是能夠有統一的標準，不僅是技術標準，也包括管理標準。如果說IPv4向IPv6遷移中技術問題比重較大的話，那么，基于物聯網會計云計算建設中就會克服更多的需要統一的管理標準。如：當前，由于沒有統一的云計算標準，Google、Amazon、微軟、IBM等公司紛紛推出自己的云計算平臺和云計算的實務標準。這就導致了不同廠商的服務出現兼容性問題。如何通過溝通協作，把這些實務標準變成統一標準需要大家共同努力。

【參考文獻】

[1] Jean-Philippe Vasseur， Adam Dunkels.基于IP的物聯網架構、技術與應用[M].人民郵電出版社，2011.