在物聯(lián)網的三大層次中,感知層作為物聯(lián)網識別物體、采集信息的來源,成為物聯(lián)網的關鍵。據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示,攝像機采集的數(shù)據(jù)信息占據(jù)全世界物聯(lián)網數(shù)據(jù)的約一半以上的存儲量。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術在智慧城市、公共安全等各行業(yè)已獲得廣泛的應用,而目前網絡視頻監(jiān)控技術正在升級為“以視頻為核心的物聯(lián)信息服務”,即“視頻+”,“視頻+多維感知”和“視頻+多維應用”, 視頻監(jiān)控網絡已成為目前應用最廣泛、技術最成熟的物聯(lián)網。
在物聯(lián)網感知層采用IP技術,要實現(xiàn)“一物一地址,萬物皆在線”,將需要大量的IP地址資源,就目前可用的IPv4地址資源來看,遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網需求,特別是在視頻監(jiān)控、智能家電、汽車通信等應用的大規(guī)模普及之后,IP地址的需求會迅速增長,目前IPv4地址可以說是基本消耗殆盡了。
一、“愛悠悠”:取代IPv4且看更優(yōu)秀的IPv6
1、“洋量”的網絡地址:目前分配給物聯(lián)網設備的網絡地址一般為IPv4地址,其地址是由 4組 8位二進制數(shù)字排列組合而成,總共有2的32次方個地址可用,合計4,294,967,296個。雖然IPv4提供了“海量”地址,但隨著物聯(lián)網的高速增長,目前全球已有上百億個物聯(lián)網設備,卻只有40多億個網絡地址。IPv6可以提供“洋量”的網絡地址,數(shù)量遠遠大于IPv4,總共有2的128次方個地址可以使用,也就是說有340282366920938463463374607431768211456個IPv6地址可以使用。如果把每一個物聯(lián)網設備比喻成一粒沙子,就算給鋪滿地球表面的每一粒沙子都分配一個網絡地址,IPv6提供的網絡地址數(shù)量仍然是夠用的。雖然物聯(lián)網時代視頻監(jiān)控網絡地址需求量巨大,但無需擔心IPv6網絡地址數(shù)量問題。
2、更小的路由器表:IPv6的地址分配一開始就遵循“聚類”(Aggregation)的原則,這使得路由器能在路由表中用一條記錄表示一片子網,大大減小了路由器中路由表的長度,提高了路由器轉發(fā)數(shù)據(jù)包的速度,也就使得通過IPv6連接并獲取內容的速度要比IPv4更快,這在物聯(lián)網時代對實時性要求很高的視頻監(jiān)控網絡來說非常的重要。IPv6技術不僅僅可以提高視頻監(jiān)控網絡基礎設施性能和質量,還可以更好地完善視頻監(jiān)控網絡整體系統(tǒng)的建設。
3、IP層的安全:傳統(tǒng)的網絡安全機制只建立在應用層程序級,如E-mail加密、SNMPv2網絡管理安全、接入安全(HTTP和SSL)等,沒有辦法能夠從IP層來保證互聯(lián)網以及物聯(lián)網的安全。而IPv6可以實現(xiàn)IP層的安全,用戶能夠對網絡層的數(shù)據(jù)進行加密并且對IP報文進行校驗,保證了分組的完整性與保密性。IPSec是過去為了解決IPv4的安全性問題所產生的IP地址安全協(xié)議,IPv6將IPSec納入其架構中,讓IPSec直接可以鑲嵌在IPv6的封包中,這一特性可以加強物聯(lián)網視頻監(jiān)控網絡相關設備和數(shù)據(jù)的安全性,讓用戶信息的安全保障得以升級,有效地防止視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)被非法竊取。
4、增加了增強的組播支持以及對流的控制:IPv6組播技術(Multicast)可避免網絡資源浪費,減小網絡擁塞和廣播風暴等問題,能有效利用帶寬,提高數(shù)據(jù)傳輸效率,尤其適合視頻監(jiān)控網絡中音視頻流等大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的傳輸。同時IPv6新增字段--流標記(Flow Control),標記需要IPv6路由器特殊處理的數(shù)據(jù)流,該字段用于某些對連接的服務質量有特殊要求的通信,例如音頻或視頻等實時數(shù)據(jù)傳輸。這二項功能使物聯(lián)網時代的視頻監(jiān)控網絡的應用有了長足發(fā)展的機會,為服務質量QoS(Quality of Service)控制提供了良好的網絡基礎和平臺,更加適合于視頻流的轉發(fā)與控制。
5、優(yōu)秀的自動化配置管理方案:當連接到IPv6網絡時,IPv6主機可以使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議對自身進行自動配置,當?shù)谝淮芜B接到網絡上時,主機將會發(fā)送一個鏈路本地路由器請求來獲取配置參數(shù),同時路由器使用包含Internet層配置參數(shù)的路由器宣告報文進行回應,這是對DHCPv4協(xié)議的改進和擴展,并且在不適合使用IPv6無狀態(tài)自動配置的場景下,網絡可以使用DHCPv6有狀態(tài)配置或者使用靜態(tài)設置方法手動配置。IPv6還具備方便尋址及支持即插即用等特性,能更好地支持物聯(lián)網業(yè)務,特別是其移動特性對視頻監(jiān)控網絡的支持。
6、多宿主特性支撐5G應用:典型的IPv6設備可以有多個地址,并且一個終端可以同時建立多個宿主(Multi Homing)的功能,為移動邊緣計算提供基于源地址的分流應用。實現(xiàn)移動邊緣計算的切片和隔離都是通過多條鏈路進行的,由于多宿主特性,所以在切換的時候可以先建后斷,降低了數(shù)據(jù)丟包影響,減少了切換時間,改進了用戶的體驗,這在即將到來的5G時代,IPv6將在視頻監(jiān)控網絡上將會有更廣闊的應用。
7、為新增根服務器提供了機會:IPv4時代全球只有13臺根域名服務器,1個主根服務器在美國,12個輔根服務器中9個在美國,2個在歐洲,1個位于日本,中國作為全球互聯(lián)網用戶數(shù)最多的國家,沒有自主可控的根服務器。在IPv6的DNS體系中,數(shù)據(jù)幀結構可以安排25個IPv6根服務器,純IPv6根服務器取得根區(qū)文件后,同樣可以解析IPv4,為新增根服務器提供了機會。在與現(xiàn)有IPv4根服務器體系架構充分兼容基礎上,“雪人計劃”在美國、日本、印度、俄羅斯、德國、法國等全球16個國家完成25臺IPv6根服務器架設,形成13臺原有根加25臺IPv6根的新格局,中國部署了其中的4臺(1主3輔),打破了中國過去沒有根服務器的困境。
IPv6還有許多功能,例如新的技術或應用需要時,它可以允許協(xié)議進行擴充,使用新的選項來實現(xiàn)附加的功能;IPv6使用更好的頭部格式,其選項與基本頭部分開,如果需要,可將選項插入到基本頭部與上層數(shù)據(jù)之間,簡化和加速了路由選擇過程。總之,IPv6具備著滿足我們對未來物聯(lián)網的各種要求的特性,雖然現(xiàn)在未能普及,但相信在未來IPv6一定會走到我們身邊,歷史大潮不可逆。
二、“恨亦悠悠”:IPv6取代IPv4之路道阻且長
事實上,作為全球最早開展IPv6以及下一代互聯(lián)網技術研究標準制訂的國家之一,中國早在2008年就建成了全球最大的純IPv6網絡,地址分配總數(shù)在全球排名居于第二位,但是IPv6在國內的實際應用程度卻非常低。數(shù)據(jù)顯示,全世界IPv6用戶占網絡用戶比重為18%,其中美國已經達到了30%,比利時則達到了56%,而我國僅為3%,遠遠落后世界平均水平。為什么IPv6在中國猶抱琵琶半遮面,千呼萬喚難出來,筆者認為主要原因在以下幾個方面 :
1、NAT技術讓人歡喜讓人憂:(Network Address Translation,網絡地址轉換),它是為解決IPv4地址短缺問題而出來的一種技術,同時還能有效地避免來自網絡外部的攻擊,隱藏并保護網絡內部的計算機,所以很多運營商和公司通過使用NAT,給用戶分配私有IPv4編址地址而非公有IPv4地址,大部分用戶沒有更換現(xiàn)有網絡設備馬上升級到IPv6的理由。物聯(lián)網時代視頻監(jiān)控網絡具有一定的特殊性,絕大部分都是內部網絡不對外開放,接入互聯(lián)網的需求并不大,有些視頻監(jiān)控網絡由于安全保密的需要,特別是公安部門,按要求是不能接入互聯(lián)網的,使用私有地址即可解決相關的問題,所以使用IPv6的積極性并不是很高。
其實當網絡之間通信時,NAT的存在將增加交換延遲,會影響網絡的性能,降低網絡吞吐量;其次它破壞了原來的網絡端到端的透明性,只適用于客戶/服務器模式的應用,用戶在NAT之后無法做流媒體穿越,將影響CDN的效果;在維護連接狀態(tài)和動態(tài)映射信息的設備中,有可能會產生單點故障,在和其它網絡整合時,也有可能產生地址沖突(重疊)問題;很多高層應用協(xié)議與NAT不兼容,一些認證機制和技術在NAT之后更為復雜和甚至無效;NAT屏蔽了用戶的真實地址,無法對用戶溯源,對網絡安全有不利影響,阻礙了在網絡層提供安全服務。所以在物聯(lián)網時代,NAT技術將無法適應數(shù)據(jù)量龐大且更為復雜視頻監(jiān)控網絡發(fā)展的需要,IPv6才能挑起未來網絡的重擔。
2、IPv4到IPv6過渡并非易事:在某種情況下,一項技術發(fā)展越充分,應用越廣泛,未必是件好事,因為這有可能成為下一項新技術部署的障礙,IPv6就碰上這樣的尷尬:IPv4龐大的用戶群與設備,使得IPv6不得不考慮如何實現(xiàn)IPv4到IPv6的平滑過渡。現(xiàn)在常用的三種過渡轉換技術各有千秋,但是也各有缺陷:
(1)、雙棧技術:是指在網絡節(jié)點上同時運行IPv4和IPv6兩種協(xié)議,從而在IP網絡中形成邏輯上相互獨立的兩張網絡:IPv4和IPv6網絡,網絡中的節(jié)點同時支持IPv4和IPv6協(xié)議棧,源節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點的不同選用不同的協(xié)議棧,而網絡設備根據(jù)報文的協(xié)議類型選擇不同的協(xié)議棧進行處理和轉發(fā)。采用雙棧技術部署IPv6,不存在IPv4和IPv6網絡部署時的相互影響,可以按需部署,實現(xiàn)二個網絡的共存,但是不能解決IPv4和IPv6網絡之間的互通問題,而且不會節(jié)省IPv4地址,不能解決IPv4地址用盡問題。
(2)、隧道技術:基于IPv4隧道來傳送IPv6數(shù)據(jù)報文的隧道技術,是將IPv6報文封裝在IPv4報文中,這樣IPv6協(xié)議包就可以穿越IPv4網絡進行通信。因此被孤立的IPv6網絡之間可以通過IPv6的隧道技術,利用現(xiàn)有的IPv4網絡互相通信而無需對現(xiàn)有的IPv4網絡做任何修改和升級。IPv6隧道可以配置在邊界路由器之間,也可以配置在邊界路由器和主機之間,但是隧道兩端的節(jié)點都必須既支持IPv4協(xié)議棧又支持IPv6協(xié)議棧。該技術缺點也很明顯,需要部署隧道兩端的設備,在隧道的入口處會出現(xiàn)負載協(xié)議數(shù)據(jù)包的拆分,在隧道出口處會出現(xiàn)負載協(xié)議數(shù)據(jù)包的重組,這就增加了隧道出入口的實現(xiàn)復雜度, 對終端系統(tǒng)要求也高,不利于大規(guī)模的應用。
(3)、地址協(xié)議轉換技術:該技術實際上就是一種翻譯技術,實現(xiàn)IPv4和IPv6的協(xié)議轉換,能夠將數(shù)據(jù)在兩種格式之間靈活轉換。翻譯涉及兩個方面:一方面是IPv4與IPv6網絡協(xié)議層的翻譯,另一方面是IPv4應用與IPv6應用之間的翻譯,從早期使用NAT-PT協(xié)議到現(xiàn)在的NAT64協(xié)議,僅需對現(xiàn)有IPv4網絡做少量改造(通常是更換出口網關),即可實現(xiàn)對外支持IPv6訪問,部署簡單便捷。由于IPv4和IPv6協(xié)議設計上的不兼容性,協(xié)議轉換過程費時費力,處理開銷較大,效率較低,應當盡量避免采用此技術。
3、IPv6的安全挑戰(zhàn)不可忽視: IPv6會面臨現(xiàn)有IPv4網絡下碎片化的攻擊(產生大量分片或發(fā)送不完整的分片報文來耗費防火墻資源或處理時間),攻擊者可利用IPv6報文的擴展報頭(可選且多種)構造包含異常數(shù)量擴展頭的報文,防火墻為解析報文將耗費大量的資源,從而影響轉發(fā)性能;IPv6采用了鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議取代IPv4的ARP(地址解析協(xié)議),但地址欺騙和泛洪等問題依然存在,發(fā)送錯誤的路由器宣告和重定向消息等引IP流轉向,達到DDoS、攔截和修改數(shù)據(jù)的目的;IPv6無狀態(tài)地址自動分配機制也可能使非授權用戶更容易接入和使用網絡,而且過渡與互通方案也會帶來新的安全問題,攻擊者可以利用過渡協(xié)議的安全漏洞來逃避安全監(jiān)測甚至是實施攻擊行為,所以IPv6的安全性也不是可以高枕無憂的。
TCP/IP協(xié)議每一層中都有對應的協(xié)議和規(guī)范,作為各個層之間唯一的“細腰”,IP層的更換會影響很多其他的層,同時IPv6和IPv4的兼容性并不好,難以實現(xiàn)互聯(lián)互通,從技術角度上看,IPv4到IPv6的升級本身并未易事。
從經濟角度上來看,我國的骨干網不僅僅包括三大電信運營商的網絡構建,還包括鐵路、銀行、軍隊的內部網絡構建,不管是哪一種網絡改造,都需要付出巨大的經濟成本,再加上網絡中對應的硬件設備也需要進行升級,包括網卡、路由器等,如此一筆龐大的支出,卻對應著IPv6尚無殺手級應用,盈利模式難探索的局面,再加上缺乏明確的市場導向和政府應用先行意識,應用和網站向IPv6遷移嚴重滯后拖后腿,一些誤解和干擾影響了國家發(fā)展IPv6戰(zhàn)略的執(zhí)行,IPv6想說愛你并不是一件很容易的事……
三、又愛又恨卻又甘之如飴,期待厚積薄發(fā)
在互聯(lián)網與物聯(lián)網應用領域,IPv4仍然主導著IP網絡,在IPv6的網絡流行之前,IPv6的先驅者們還有很長的路要走,但網絡IPv6化是大勢所趨。據(jù)了解,目前主流網絡設備提供商都已經給出相關的IPv6解決方案,同時電信運營商也著手計劃部署IPv6網絡。一旦基礎網絡IPv6過渡完成,視頻監(jiān)控網絡也必然會向IPv6化過渡。
當然,就目前而言IPv6在物聯(lián)網時代視頻監(jiān)控網絡中大展身手的時機還未成熟,視頻監(jiān)控網絡設備與IPv6融合主要表現(xiàn)在終端設備與IPv6網絡的結合。然而IPv6與網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)融合并沒那么簡單,雖然已經有部分廠商推出了支持雙協(xié)議的網絡攝像機等,但其實際意義并不大。視頻監(jiān)控網絡作為一個整體應用,從前端到后端,采集到存儲,以及用戶監(jiān)管,各個設備以及平臺軟件都要支持IPv6協(xié)議,才能保證整個系統(tǒng)正常運行,而現(xiàn)實是各個設備或子系統(tǒng)來自于不同廠家,目前還難以做到協(xié)議統(tǒng)一。
在可預見的未來,網絡視頻監(jiān)控網絡設備,包括網絡攝像機、網絡視頻服務器以及網絡視頻監(jiān)控平臺軟件等產品將率先跨入IPv6應用,物聯(lián)網的浪潮也將引爆IPv6在智慧城市、智能社區(qū)、智能家居、智能交通、智能設施等視頻監(jiān)控業(yè)務中的應用。
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