下一代互联网现网部署及其物联网应用实例

引言

2011年2月3日，全球互联网数字分配机构(IANA)正 式宣布已无新的IPv4地址分配，IP地址短缺的问题已成为 业界普遍关注的焦点。在我国IPv4地址缺乏问题尤为严重, IPv4地址枯竭问题已经开始制约中国互联网的发展。为了解 决地址短缺的问题，IPv6替代IPv4成为下一代互联网协议的 国际呼声越来越高。

目前业界已对下一代互联网相关技术进行了一系列测试研 究，IPv6也逐步从实验室走向现网应用。下一代互联网技术 的演进和部署也为物联网技术在人们生产生活中实现广泛应 用提供了良好的网络环境和技术支撑。在物联网中应用IPv6 进行通信，可以有效解决泛在网需要消耗大量地址的问题, 从而促进物联网产业的发展。

1 IPv6网络演进技术及其部署

IPv6可以彻底解决传统互联网存在IP地址不足的问题, 恢复了原来因地址受限而失去的端到端连接功能，并将促进 互联网的进一步普及与发展。同IPv4相比较.IPv6在地址容量、 安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有明显的改进。

然而，由于IPv6和IPv4的报文格式并不兼容，因此, 如何实现IPv4和IPv6的的无缝结合及平滑过渡成为IPv6网 络演进过程中的难点。目前-IPv4向IPv6演进的技术多种多样, 如 NAT444、NAT64、NAT-PT、DS-Lite、6RD、IVI 等。

从技术本质上讲，解决IPv4地址短缺，可采用两种技 术路线, 一种是多级NAT技术，另一种是IPv6技术。通 过NAT技术进行私网IPv4地址到公网IPv4地址的转换，虽 然可大大提高公有IPv4的利用率，但考虑到NAT技术带来的 破坏网络端到端透明性，网络地址溯源实现复杂，增加网络 运维成本等问题，因此从长远来看，IPv6技术是应对IP地址 短缺的根本解决方案。

但是由于IPv6的全面部署面临诸多困难，IPv6与IPv4 长期共存的局面将持续很长时间，因此，需要综合考虑各方面 因素，包括成本、部署难易、业务发展、对用户的影响、网络 流量模型(IPv4/v6比例)、未来演进方向和IPv4地址空间等, 在网络演进过程中寻求异构网络共存与互通问题的最佳解决 方案，实现IPv4到IPv6的顺利过渡。

目前，比较主流的可部署的几种IPv6过渡技术有: NAT444、DS-Lite、Smart6、6RD、L2TP、NAT64等。

1.1初期过渡方案NAT444

NAT444是IPv6过渡初期的重要技术，由两级NAT构 成——CPE的NAT,运营商网络的NAT44。NAT444可以部 署在网络核心出口或者业务控制层面，前者称为集中式部署, 后者称为分布式部署。运营商部署的NAT设备称为NAT444 网关或者运营商级NAT (CGN)。

NAT444的主要思想是由运营商部署运营级NAT44设备 CGN,同时与用户侧的NAT组成两级地址转换，形成三块地 址空间，即用户侧私网地址、运营商私网地址、公网地址。

其部署架构如图1所示。

用户使用私网 IPv4 地址，例如 10.0.0.0/8，经过用户侧 CPE 处进行 NAT 转换，将 10.0.0.0/8 的私网 v4 地址转换为另一私网空间的v4地址如172.16.0.0/12,经过运营商级 的NAT444网管(CGN)设备后进行第二级NAT转换，将 172.16.0.0/12的私网v4地址转换为公网IPv4地址，实现从 私网IPv4——私网IPv4——公网IPv4地址的NAT444转换。 这样将很大程度上提高公网IPv4地址的复用率，有效解决地 址枯竭的问题。

NAT444技术有四种部署方式，包括集中旁挂式、集中 插卡式、分布旁挂式和分布插卡式。集中式NAT444网关部 署在网络流量的汇聚点，如城域网出口、移动分组域出口；分 布式NAT444网关部署在业务接入点，比如BRAS、PDSN等。 运营商可根据需要灵活选择合适的部署方式。NAT444技术 现网部署方式如图2所示。

NAT444方案可以提高IPv4地址的复用率，有效缓解地 址枯竭问题，而且便于部署，只需在业务控制层或者核心层 增加CGN设备即可，无需进行较大规模的设备替换。从用户 感知度、技术成熟度和部署难易度等方面考虑，NAT444是 IPv6过渡初期比较好的方案。

1.2长期演进方案DS-Lite

NAT444虽然拥有成熟可靠、部署简单以及节省投资等优 势，但从长远来看，由于NAT技术不能从根本上解决地址短 缺的问题，而且会增加网络结构的复杂性，NAT444并不能推 进网络向IPv6演进，而DS-Lite则是业界公认的下一代互联 网中后期演进方案。

DS-Lite方案的特点是在接入网部署“纯IPv6”，对于 用户的IPv4业务应用，采用隧道技术把IPv4业务放到IPv6 伺服器上，主要解决IPv4或者双栈用户穿越运营商IPv6网络, 进而访问IPv4服务的问题。

DS-Lite是轻量级双栈方案，只需要家庭网关(B4)和 AFTR (Address Family Translation Router)设备开启 双栈， 其它网络节点只需要支持IPv6即可。运营商只需为家庭网关 (B4)分配IPv6地址，终端的私网IPv4地址由家庭网关自行 分配。用户访问IPv6业务可通过家庭网关及IPv6城域网直接 到达；对于IPv4业务，通过家庭网关(B4)与AFTR之间建 立IPv4-in-IPv6的隧道，用户侧设备B4将IPv4流量封装在 IPv6隧道内，在AFTR处实现隧道的解封装，并将IPv4私 有地址转化为IPv4公网地址，最终转发至IPv4业务系统。通 过DS-Lite方案部署，可减轻宽带接入服务器设备的压力，运 营商可以通过一个IPv6承载网络同时提供IPv4与IPv6服务。

DS-Lite现网部署包括如下几种方式：

集中旁挂式DS-Lite

城域网出口路由器CR处旁挂AFTR设备，CR通过物理 端口与AFTR设备相连，CR旁挂2台AFTR，实现集中旁挂 式DS-Lite的部署。部署方案如图3 (a)所示：

集中插卡式DS-Lite

城域网出口路由器CR提供槽位，插入AFTR板卡，实 现集中插卡式DS-Lite的部署。每台CR至少配置2块AFTR 板卡，实现板卡之间冗余和负载分担。部署方案如图(b)所示:

分布旁挂式DS-Lite

在城域网BRAS/SR处旁挂AFTR设备，BRAS通过物 理端口与AFTR设备相连。每台BRAS配置2台AFTR，实 现集中插卡式DS-Lite的部署。部署方案如图3(c)所示：

（4）分布插卡式 DS-Lite

城域网 BRAS上插入 AFTR 板卡，实现分布插卡式 DS-Lite 的部署。每台 BRAS 至少配置 2 块 AFTR 板卡，实现板卡之间冗余和负载分担。部署方案如图 3（d）所示 ：

未来，使用 IPv4 的终端以及服务会逐渐消失，运营商网络实现IPv6单协议栈运行，整个IPv4向IPv6迁移的过程结束。

与 NAT444 方案相比较，DS-Lite 对于 IPv6 的演进态度更积极，更能促进 IPv6 产业链的发展。

2 下一代互联网在物联网中的应用实例

物联网被公认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，已经成为全世界瞩目的焦点和热点。物联网，顾名思义就是将物体互联的网络，可实现物与物、物与人之间的信息交互，这就意味着需要消耗大量的 IP 地址，然而现有的 IPv4 地址已经不能满足物联网时代的地址需求，IPv6 技术的演进部署为物联网的应用提供了更加广阔的发展前景。目前，已有许多行业的物联网应用了下一代互联网技术，下面介绍几个下一代互联网在物联网中的应用实例。

2.1 下一代互联网在智能农业中的应用部署

农业是最早应用下一代互联网技术的行业之一。2009 年，湖南农科院成功部署了基于 IPv6 的温室综合监控系统，为下一代互联网的物联网应用提供了示范。目前，已有多个农业基地应用了下一代互联网部署智能农业项目，如百果园、千龙湖农场、郴州烟草基地等。下面以某农业基地建设的基于 IPv6 的智能农业项目为例，介绍下一代互联网在智能农业中的应用部署。

该项目主要包括两部分的建设内容，大棚内无线传感器及网络的部署，农业监控应用系统中心平台的建设。项目系统架构如图 4 所示。

该项目在大棚内新增各类支持 IPv6 的传感器（包括空气二氧化碳传感器，土壤盐分传感器，光照度传感器，空气温湿度传感器，土壤水分传感器，投入使用水温、水位、水 PH值、水溶解氧传感器等）、摄像头，通过无线接入的方式组建传感器网络，每个传感器、摄像头拥有一个 IPv6 地址。各类传感器将采集到的信息（温度、湿度、光照、风速、风向、营养液 PH 值、营养液 EC 值等）上传至智能农业 IPv6 采集机，采集机上联至智能农业监控应用系统中心平台，对大棚进行管理，如灌溉、关窗、开启风机等操作，实现农业的实时监控、实时管理。

图 5 是下一代互联网智慧小区网络拓扑图。

2.2 下一代互联网在智慧小区中的应用部署

基于下一代互联网的智慧小区是物联网的一项典型应用，它将物联网和下一代互联网等新兴技术和人们的日常生活紧密联系起来，能为人们带来更多便利，可以成为推广物联网的一个良好平台。

下一代互联网智慧小区技术上利用泛在网络和相关传感终端及探头，应用下一代互联网相关技术，以智慧社区云平台为基础，以 IPv4/IPv6 双栈通信网络为智能管道，将小区内各类公共智能信息应用系统和业主家居智能应用系统进行集成，将 IPv6 传感终端获取的信息通过云计算技术反馈到用户的手机、PC 和电视等屏幕上，实现用户在任何时间、任何地点、以任何主体、向任何对象、传播任何信息。

下一代互联网智能示范小区架构图如图 6 所示。

部署在小区内的各类智能终端、传感器、摄像头等设备通过智能家居网关分配的 IPv6 地址进行通信，用户可以通过手机、电脑客户端对设备进行访问和操作。项目可为小区各方提供 ：物业管理系统、平安管家、电子相册、周边商家信息共享系统、停车管理系统、门禁及楼宇对讲系统、小区安防监控系统、家居智能管理系统、TV 电视系统、信息发布系统、电子支付等系统，实现小区住户、物业公司与电信业务的信息化融合。

2.3 下一代互联网在能源智能监控项目中的应用部署

近年能源短缺现象日益突出，节能降耗已经成为全社会普遍关注的热点问题。目前我国许多工业企业管理模式粗放、工艺及设备 较 为落后，缺少能耗和能效监测、管理工具及手段，使得单位产品的能耗过高，能源利用效率与世界先进水平相比约低 10 多个百分点。因此，开展能源智能监控项目刻不容缓。

该项目主要通过能源消耗情况实时监控管理平台的建设实现工业企业能耗监测、统计和分析。在工业企业安装计 量装置，并分配 IPv6 地址，实现对能耗的分类、分项、分产品线精确计量。工业企业监管部门实时采集各企业能耗数据，构建数据库，并进行综合分析，为节能减排管理提供依据 ；相关单位加入平台后，通过平台，可以进行节能减排方面的资源共享，可以对单位线路和设备的运行情况进行监测，控制终端，可以通过专业的能效管理师进行数据分析，针对企业用能不合理的情况提出适合的解决方案。项目采用自动化、信息化技术建立能源管理调度中心，实现从能耗数据采集——过程监控——能源介质消耗分析——能耗管理等全过程自动化、高效化、科学化管理。

能源管理平台系统架构图如图 7 所示。

该项目的组网架构见图 8。

IPv6 网关部署在各大企业，为计量装置分配 IPv6 地址。计量装置，包括给排水采集系统的流量计、压力表，智能水表；店里采集系统的变压器温控仪、电表；燃气采集系统的流量计、压力表、温度仪等。计量装置采集到的各类信息通过 IPv6 网络传输至信息存储平台进行分类，并最终到达能源监控管理

平台实现数据分析和报警等功能。

3 结 语

下一代互联网意味着更大的地址空间，更好的 QoS，更高的安全性，更实时有效的通信，应用下一代互联网技术建设物联网是物联网发展的必然方向。目前，物联网应用仍处于起步阶段，而下一代互联网的演进也不是一蹴而就的，不同电信业务、不同应用场景在不同阶段对 IPv6 演进方案有着不同需求，而各个行业各个领域的物联网建设也需要进一步的研究探索。基于下一代互联网的物联网技术发展演进之路将是一个长期的过程。

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