IPv6在霧計算中的應用探討

楊艷輝 張曉鵬

摘要：隨著大量智能終端開始接入網絡，帶來了計算上和數(shù)據(jù)傳輸上的指數(shù)級需求增長，為解決這種矛盾，會在邊緣實時處理采集和輸入的大量數(shù)據(jù)。霧計算技術目前還處于發(fā)展階段，技術與標準尚未成熟，大力推進基于IPv6技術的下一代互聯(lián)網，可以使我國在互聯(lián)網領域的承載能力和服務水平有顯著的提升，加速與國際互聯(lián)網的融入與互通，現(xiàn)階段探討的在霧計算中應用IPv6技術，為霧計算提供了廣闊的發(fā)展空間，保障霧計算網絡發(fā)展。

關鍵詞：IPv6;霧計算;物聯(lián)網;6LowPAN

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0047-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract：Fog computing makes a large number of devices connected to the Internet， which will lead to an exponential increase in the demand for computing transmission， and a large number of data will be processed in real time at the edge. Fog computing technology is still at the stage of development， technology and standards are not yet mature. Vigorously developing the next generation Internet based on IPv6 will help to significantly enhance the carrying capacity and service level of the Internet in China and better integrate into the Internet. The application of IPv6 technology in fog computing discussed at this stage provides a broad space for the development of fog computing and guarantees the development of fog computing network.

Key words： IPv6; Fog Computing; Internet of Things; 6LowPAN

過去的幾十年里，IPv4作為全球互聯(lián)網的標準已經發(fā)展到極致，無類域間路由（CIDR）、網絡地址轉換（NAT）等，但2011年2月IANA還是宣布已經沒有IPv4地址可供分配了，IPv4最終要面臨地址耗盡等無法逾越的問題，IPv6能夠提供海量IP地址，是公認的下一代互聯(lián)網標準。大力推進基于IPv6技術的下一代互聯(lián)網，可以使我國在互聯(lián)網領域的承載能力和服務水平有顯著的提升，加速與國際互聯(lián)網的融入與互通，有力支撐數(shù)字經濟發(fā)展，爭取在國際未來發(fā)展中取得主導地位。

2017年11月26日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《推進互聯(lián)網協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計劃》，加快推進基于IPv6的下一代互聯(lián)網規(guī)模部署。目標用5到10年時間，形成下一代互聯(lián)網自主技術體系和產業(yè)生態(tài)，建成全球最大規(guī)模的IPv6商業(yè)應用網絡，實現(xiàn)下一代互聯(lián)網在經濟社會各領域深度融合應用，成為全球下一代互聯(lián)網發(fā)展的重要主導力量[1]。

霧計算是在云計算的基礎上引申而來，CISCO公司基于網絡設備最早提出霧計算的概念，主旨思想是在云端和終端之間引入中間霧層，重點部署計算、存儲等設備。主要為一些較小的區(qū)域提供計算、存儲和網絡傳輸服務[2]。針對這個概念，CISCO公司提出了IOx框架，讓用戶可以自行在該框架上開發(fā)部署應用[2]。在CISCO公司提出的概念上，HP實驗室更為明確的定義了霧計算：“霧計算是由大量異構普遍存在的無線（有時為無線自組織）分布式設備通過網絡相互協(xié)作在無第三方干預的情況下共同完成計算和存儲任務的場景。這些任務可能是關于網絡等基本功能的，也可能是關于具體應用的。用戶可以通過有償租用這些分布式設備來獲取這樣的服務[3]”。2015年11月19日，Cisco聯(lián)合ARM、Dell、Intel、Microsoft和普林斯頓大學成立了“開放霧聯(lián)盟（OpenFog）”，旨在制定霧計算相關的技術標準和推動行業(yè)的技術變革[4]。

1 霧計算的幾個關鍵點

霧計算系統(tǒng)被定義為是由多個相互獨立的霧節(jié)點（Fog Node）組成的系統(tǒng)。每個節(jié)點從物理或邏輯上可包含多個計算位置，既包括應用服務的計算環(huán)境，還包括代表各種身份角色的資源中心、管理與控制中心[5]。霧計算具有以下幾個關鍵點。

1.1 低延時計算

云計算中心處于Internet的遠端，將會帶來較長的傳播時延，對于一些對延遲敏感的應用程序（如視頻流、在線游戲、AR等），用戶體驗是極差的。其次，對移動場景支持不足，特別是對于高速移動的車載網絡環(huán)境，司機對于路況、交通流等的感知都必須是快速且實時的。霧計算不需要云端對數(shù)據(jù)進行處理，霧節(jié)點的處理結果幾乎可以實時反饋到用戶，有效地進行低時延計算。

1.2 本地化計算

物聯(lián)網距離我們已經越來越近，每個物聯(lián)網節(jié)點都在隨時產生大量的數(shù)據(jù)，霧計算通過消除用于分析的云的往返行程來加速對事件的認識和響應，由此也就避免了通過從核心網絡卸載千兆字節(jié)的網絡流量而增加昂貴的帶寬需求，只將必要消息發(fā)送給云它在本地分析敏感數(shù)據(jù)，而不需要將其發(fā)送到云端進行分析，通過在本地處理選定的數(shù)據(jù)來節(jié)省網絡帶寬。其次，云計算無法滿足地理位置分布相關的感知環(huán)境的實時要求，如大規(guī)模的傳感網絡，要求傳感節(jié)點定時向其他節(jié)點更新自身的信息。

1.3 安全可靠計算

云計算的安全性和隱私性不容樂觀，在用戶和云計算中心之間需要經過多跳的網絡傳輸，越深的網絡傳輸，數(shù)據(jù)的完整性和機密性就越難保證。霧計算通過在本地分析數(shù)據(jù)來保護敏感的物聯(lián)網數(shù)據(jù)。

2 IPv6的主要特性

2.1 IPv6編址技術

IPv6與IPv4最大的不同之處是IPv6對IP地址字段進行了極大的擴充。由IPv4的32位地址擴充為IPv6的128位，可以提供最多2的128次方個地址，一個完整的IPv6地址分為三個部分，分別是全局路由前綴、子網id和接口id，這種結構可以使一個節(jié)點在保留同樣的接口id的同時，獨立接入網絡中，根據(jù)接口id區(qū)分節(jié)點，根據(jù)網絡前綴區(qū)分網絡，充分滿足萬物互聯(lián)的海量設備接入互聯(lián)網的需求。

2.2 幀格式

IPv6報頭是由六個固定字段和兩個地址字段構成，長度固定為40個字節(jié)，其中The Next Header指明了當前報頭之后還有那些擴展報頭，其中值得一提的是，IPv6將報頭認證和安全信息封裝作為擴展報頭置于基本協(xié)議之中，在協(xié)議上為互聯(lián)網實現(xiàn)網絡安全認證和加密提供了保證。

2.3 ICMPv6

在IPv6中，重新定義了ICMPv6，并且分配了擴展報頭代碼58，與原有的ICMP協(xié)議不再兼容，功能大大增強，實現(xiàn)了原來的ICMP、ARP和IGMP等協(xié)議的功能，并具有差錯報告、網絡診斷、鄰結點探測、替代ARP進行地址解析、前綴重新編址、路徑MTU探測、路由器重定向、無狀態(tài)地址自動配置，以及替代IGMP協(xié)議實現(xiàn)多播組成員管理等功能，地址解析放在ICMP層中，這使得其與ARP相比，松偶合性更好，支持使用標準的IP認證等安全協(xié)議。

ICMPv6報文可分為差錯報告報文和信息報文兩類，差錯報告報文主要用于返回錯誤信息，與原有的ICMP報文類似，但只保留了目的不可達、分組過大、超時和參數(shù)錯誤四種差錯報告，信息報文則相對種類豐富得多，已經定義了十多種信息報文。

3 IPv6在霧計算中的應用

3.1滿足大規(guī)模節(jié)點接入

隨著大量智能終端開始接入網絡，帶來了計算上和數(shù)據(jù)傳輸上的指數(shù)級需求增長，為解決這種矛盾，會在邊緣實時處理采集和輸入的大量數(shù)據(jù)。在IDC公布的《中國制造業(yè)物聯(lián)網市場預測2016-2020年》中提到，2018年將會有40%的數(shù)據(jù)需要在網絡邊緣側分析、處理與存儲，傳統(tǒng)的中心化、集中式的云服務架構將無法交付邊緣計算的需求，響應慢、服務中斷、安全無法保障等問題會接踵而至。

報告同時也預言萬物互聯(lián)的智能化時代已經到來，保守估計2020年全球將有超過500億的終端和2120億的傳感器，其中我國約占全球數(shù)量的7%左右，大約有35億的終端，150億的傳感器，如此大的節(jié)點規(guī)模遠超現(xiàn)有的互聯(lián)網節(jié)點數(shù)量，而且很多的應用要求設備具有端到端的通信能力，IPv6巨大的地址空間可以滿足大規(guī)模節(jié)點接入的需求。

3.2 實現(xiàn)地址自動配置

IPv6中當節(jié)點啟動時，可以自動配置節(jié)點自己的IPv6地址，節(jié)點可以采用不依賴狀態(tài)或外部分配機制實現(xiàn)IPv6地址自動配置，也可以采用依賴一個外部地址分配機制實現(xiàn)IPv6地址自動配置，還可以先使用無狀態(tài)方法，再使用一個外部地址分配機制實現(xiàn)IPv6地址自動配置。在大多數(shù)情況下，不可能對霧節(jié)點和傳感器節(jié)點配置用戶界面，這個特性對霧計算網絡來說，非常具有吸引力。

3.3 6LowPAN

為制定基于IPv6的低速無線個域網標準，IETF組織在2004年底正式成立了IPv6 overLR-WPAN（簡稱6LowPan）工作組，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標準的無線個域網[6]。6LowPAN的制定推動了無線個人區(qū)域網絡的發(fā)展，利于傳感器節(jié)點實現(xiàn)端到端服務能力，涉及IoT、5G、自動駕駛、人工智能等一攬子技術的發(fā)展，在霧計算中應用IPv6技術的標準障礙已經掃除，現(xiàn)在欠缺的是對技術部署的先進性和前瞻性問題。

4 結束語

本文對IPv6在霧計算中的應用做了簡單探討，IPv6最終代替IPv4是網絡發(fā)展的必然趨勢，霧計算技術目前還處于發(fā)展階段，技術與標準尚未成熟，現(xiàn)階段探討的在霧計算中應用IPv6技術，為霧計算提供了廣闊的發(fā)展空間，保障霧計算網絡發(fā)展，在今后新的應用出現(xiàn)時，可以避免針對IPv6的升級，IPv6的地址自動配置特點對促進霧計算發(fā)展也非常有益。

參考文獻：

[1] http：//www.gov.cn/zhengce/2017-11/26/content_5242389.htm

[2] BONOMI F. Connected vehicles， the internet of things， and fog computing[C]//The Eighth ACM International Workshop on Vehicular Inter-Networking （VANET）， 2011： 13-15.

[3] Vaquero L M ， Rodero-Merino L . Finding your Way in the Fog[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review， 2014， 44（5）：27-32.

[4] https：//www.cnblogs.com/bakari/p/8371580.html

[5] 楊志和. 物聯(lián)網的邊界計算模型：霧計算[J]. 物聯(lián)網技術， 2014（12）：65-67.

[6] https：//tools.ietf.org/html/rfc4944

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