IP为何不是物联网的“菜”

2016-05-06作者:(美) 达科斯塔 (Dacosta,F.) , 著编辑:谢爽

尽管作为传统互联网的泛在网协议,IPv6已经问世,但它并非众多物联网业务的最佳选择,我已在第1章中概述了各种相关原因,包括运行协议栈所必需的处理能力和设备内存等,而物联网中的海量简易终端设备难以承受这些额外负载。另外,IPv6协议本身的低效也是不适合物联网的主要原因之一。然而,仍然存在大量终端设备必须使用IP,因此,开发一种兼容IP和“啁啾”的双重协议架构为各种物联网设备提供服务,也许才会产生最佳效果。我们有必要将传统的IPv6帧格式与物联网“啁啾”信号进行对比,从而在各种应用设计时更好地考虑其中存在的差异性。



早在20世纪70年代,IP协议最初设计主要考虑的是大型主机之间的P2P对等通信。这种信息交互往往涉及较大的数据块,因此IP协议主要针对更大的信息负载。另外,在这种主机到主机链路建立之初,由于WAN连接极其昂贵且不可靠,所以IP协议中急需引入收发双方的寻址机制、差错校验以及重传等功能,从而增强链路的鲁棒性。其结果必然导致单个IPv6数据包的报头开销非常高,达到40个字节。大量的IP开销主要源于安全、加密以及其他相关服务,然而对于在物联网中以简易设备为主的边缘网络而言,似乎毫无意义。


尽管IP协议最初的设想是针对M2M业务的,但如今互联网的大部分IP业务主要还是面向人际交流。这些业务通过相对昂贵的链路来完成持续时间较长的会话,以及某种程度上的全双工交互。由于每一个数据包几乎都是人类语义理解的必要条件,所以传统组网协议必须保证高可靠性和可恢复性。



作为一种承载各类数据的通用设计协议,IP协议必须在每次传输中增加那些额外开销。IP协议的报头结构定义严格,绝大多数是不可修改的,毕竟标准就是真理。


IP协议建立了最大传输单元(MTU),用以指明某一链路所能承载的最大数据包大小。IPv6支持1280字节MTU,目前大多数网络的MTU值甚至达到1500字节之多。P2P主机业务通常需要进行应用管理,将较大的数据包根据MTU进行块匹配,从而最大化传输效率。


使用限定大小的数据包,IP开销在整个传输“代价”中所占比例较小。例如,40字节的IPv6报头开销加上1280字节的MTU产生大约97%的效率。实际应用中需要为每一个接收包发送一个应答包,因此开销通常会翻倍。即使没有数据负载,IPv6的应答包也至少达到40个字节(在主机到主机环境中,通常也存在一些需要返回的数据,因此这种开销并非总是浪费)。



然而,物联网绝不可能完全由主机之间的P2P通信来构造,因为物联网“啁啾”是面向M2M的业务,数据量小,循环周期低,通常是偶发性的、单一性的、无限定的数据流。物联网采用的是一种“发布/订阅”模型,简易终端设备只收发极少量的数据,而且某一时刻的独立数据通常是非关键的。例如,一个温度传感器的输出数据可能只有8个比特甚至更少,将很多类似的应用进行整合,总的数据“负载”也不过1个字节左右。假如将IPv6协议引入这些应用中,40字节的IPv6报头加上1字节的传感器数据,总效率却只有约2%。



“啁啾”信号的设计可以使此类数据的开销最小化,例如简化地址,减少重传开销等。最为重要的是,“啁啾”信号的结构可以根据终端设备产生的数据类型和大小进行调整,从而确保效率最大化。考虑一个最小的“啁啾”包(共计4.5字节,开销3.5字节)用于发送1字节的负载,其效率增益也超过IPv6一个数量级之多(18%对2%),参见图2—5中的对比。


显然,数据负载越大,“啁啾”数据包的效率就越高,其报头开销也会随着特定的应用而有所递增(详见第6章)。例如,对于4字节的终端设备负载,报头开销依然是3.5字节,所产生的效率将超过50%。


“啁啾”与IP数据包之间的另一个关键区别在于,“啁啾”信号可以通过外部标签进行自分类。如此一来,汇聚单元就可以通过分析“已知”数据源的相关性,从而更容易地确定感兴趣数据流。然而,如果通过IP协议来实施这一任务,则要在负载中增加分类信息,同时转发节点和汇聚单元需要对每一个数据包进行不切实际的深度解析。



因此,在物联网的“最后一公里”边缘网络,“啁啾”协议完胜IPv6。然而,边缘网络之外则另当别论。例如,转发节点之间以及转发节点到汇聚单元之间的通信,可能与主机到主机通信更为类似,因为其传输数据包含了众多终端设备产生的“啁啾”数据包(需要交互的数据量也随之增加)。在这种情况下,差错校验及相关IP协议功能才能更好地发挥作用。由于此类通信通常采用传统互联网作为传输媒介,显然使用成熟的IPv6协议栈更为合理。


此外,一些较为敏感和专属的应用(如政府、安全、金融等)当然还需要额外的IP功能来保证安全投递和提供隐私保护等。


内容来源:书问

作者[美]达科斯塔 (Dacosta,F.)
出版中国人民大学出版社
定价49元
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