考虑IPv6的可伸缩性物联网 ——迈向星际互联网外文翻译资料

Considerations on IPv6 Scalability for

the Internet of Things – towards an Intergalactic Internet

Seacute;bastien Ziegler

Mandat International Geneva, Switzerland

sziegler@mandint.org

Abstract — This article presents an analytical perspective on IPv6 scalability for addressing the Internet of Things exponentially growing domain. It intends to provide some new perspectives on IPv6 addressing potential for actual and future needs. It leads to a set of clarifications, four conjectures, and a model of intergalactic IPv6 addressing plan.

Index Terms — IPv6, Internet of Things, scalability, addressing, interoperability, conformance, performance, large numbers, intergalactic Internet.

I. INTRODUCTION

The Internet of Things (IoT) is an ongoing next technological revolution impacting all application domains. It is expected to be massive and pervasive, with over 50 Billion smart things and objects connected by 2020 [1],- and more to come. It will impact many application domains, from agriculture, to smart cites, industry, energy and transportation. The precise number of IoT motes on a longer term is not realistically predictable. However, we can ascertain that it will be massive and growing.

Interoperability has been identified by the International Telecommunication Union (ITU) as a prime requirement for the IoT. The adoption and growth of IoT technology will be directly related to its capacity to overcome its current fragmentation with addressing solutions able to handle very large scale deployments.

In this context, the Internet Protocol version 6 (IPv6) is emerging as the most credible candidate in terms of network protocol. Beyond its global adoption and availability through the Internet, it is characterized by several qualities that constitute a good match to address some of the main Internet of Things requirements:

bull; Scalability, with 2^128 IP addresses;

bull; Self-configuration, with its Stateless Address Auto-Configuration Mechanism (SLAAC) [2];

bull; Mobility;

bull; Security enablers, such as IPSec;

bull; Lightweight adaptations IPv6 stack for constraint IoT motes with 6LoWPAN [3], CoAP [4], 6TiSCH [5], etc.;

bull; Global availability and interconnectivity thanks to the Internet infrastructure;

Over the last decade, the author initiated and was associated to several research projects addressing the convergence between IPv6 and the IoT, including inter alia:

978-1-5090-5249-3/17/$31.00 copy;2017 IEEE 873 0

bull; Universal Device Gateway, a Swiss research project researching the potential of IPv6 to support multiprotocol interoperability for the IoT;

bull; IoT6, a European research project exploring the potential of IPv6 for the IoT and for cross domain integration;

bull; Hobnet, a European research project exploring the potential of IPv6, 6LoWPAN and CoAP to support smart buildings;

bull; IoT Lab, a European research project exploring the potential of Crowdsourcing and IoT for research, as well as the potential of IPv6 to federate heterogeneous IoT testbeds;

While the IoT industry seems to converge towards IPv6, there are still questions related to the effective capacity of IPv6 to address an exploding demand of a massively growing number of communicating devices. The present article intends to provide some clarifications on this matter.

II. IPV6 GENESIS AND STRUCTURE

In 1969, the Advanced Research Projects Agency Network (ARPAnet) interconnected two first networks. In December 1974, the Internet Engineering Task Force (IETF) adopted the RFC 675 [6] on Specification of Internet Transmission Control Program, which forged the term Internet. This RFC was edited by Vinton Cerf, Yogen Dala and Carl Sunshine and was so well designed, that it was not obsoleted before 2016 (by RFC 7805 [7]). A first specification of the Internet Protocol was released in January 1980 (RFC 760) [8] and replaced in September 1981 by the RFC 791 [9], which specified the Internet Protocol Version 4 (IPv4).

The development of the World Wide Web (WWW) by the European Centre for Nuclear Research (CERN) in Geneva [10] and the specification of the Hypertext Transfer Protocol (HTTP) [11], [12] paved the way to a larger use and adoption of the Internet by the industry and by the public at large in the nineties. It led to an exponentially growing demand for Internet Protocol (IP) addresses and forced the IETF to consider and anticipate the exhaustion of the remaining IPv4 addresses.

In 1992, the IETF launched a call for white papers to design a successor to IPv4 leading to the specification in 1995 of the Internet Protocol Version 6 (IPv6) in the RFC 1883 [13], followed by complementary RFCs in 1996. The IPv6 specification was updated three years later, in December 1998, through the adoption of RFC 2460 [14], which constitutes the central and main reference RFC for IPv6.

Despite the large adoption of Network Address Translation (NAT) mechanism [15] by Internet Service Providers (ISPs), in February 2011, IANA had to give away its last IPv4 address blocks to the Regional Internet Registries (RIR) [16]. Subsequently, the RIRs themselves have progressively allocated and exhausted their remaining IPv4 addresses blocks. On April 2011, APNIC allocated its last /8 address block of IPv4 addresses, and was progressively followed by RIPE in September 2012, LACNIC in June 2014 and ARIN in September 2015. AFRINIC is expected to deplete its pool of remaining IPv4 addresses by 2018. As a consequence, the Internet has progressively adopted IPv6 as the only realistic alternative to IPv4 depletion. Currently, both protocols are coexisting on the Internet, with a dual stack IPv4-IPv6 network architecture, and a progressive transfer of traffic fro

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考虑IPv6的可伸缩性物联网

——迈向星际互联网

Sebastien齐格勒

瑞士日内瓦

sziegler@mandint.org

摘要-本文提出了一个分析IPv6可扩展性的观点，用于解决物联网领域的指数增长。它打算提供一些新的视角IPv6寻址潜力的实际和未来的需要。它导致了一组澄清，四个猜想，和一个模型的星际IPv6寻址计划。

索引术语- IPv6，物联网，可扩展性，寻址，互操作性，一致性，性能，大数字，星际互联网。

一、我的介绍

物联网(IoT)是正在进行的下一个技术革命，影响到所有的应用领域。预计到2020年，将有超过500亿的智能事物和物体连接到[1]，而且还会有更多。它将影响许多应用领域，从农业，到智能城市，工业，能源和交通。从长远来看，物联网尘埃的确切数量实际上是无法预测的。然而，我们可以确定，它将是巨大的和不断增长的。

互操作性已被国际电信联盟(ITU)确定为物联网的首要要求。物联网技术的采用和发展将直接关系到它克服目前碎片化的能力，解决方案能够处理非常大规模的部署。

在这种背景下，Internet Protocol version 6 (IPv6)正在成为网络协议方面最可信的候选协议。除了通过互联网在全球范围内采用和可用外，物联网还具有以下几个特点:

·可扩展性，2^128 IP地址;

bull;自配置，其无状态地址自动配置机制(SLAAC) [2];

bull;流动性;

bull;安全支持程序，如IPSec;

bull;轻量级适配IPv6栈，用于6LoWPAN[3]、CoAP[4]、6TiSCH[5]等约束物联网尘埃;

bull;得益于互联网基础设施，全球可用性和互联互通;

在过去的十年中，作者发起并参与了几个研究项目，解决IPv6和物联网之间的融合问题，其中包括:

bull;通用设备网关，瑞士的一个研究项目，研究IPv6支持物联网多协议互操作性的潜力;

bull;IoT6，一个欧洲研究项目，探索IPv6在物联网和跨领域集成方面的潜力;

bull;欧洲研究项目Hobnet，探索IPv6、6LoWPAN和CoAP支持智能建筑的潜力;

bull;物联网实验室，一个欧洲研究项目，探索众包和物联网的研究潜力，以及IPv6联合异构物联网测试平台的潜力;

虽然物联网行业似乎正在向IPv6靠拢，但IPv6的有效能力仍然存在问题，无法满足大量通信设备的爆炸式需求。本文拟对这一问题作一些澄清。

二、IPV6的起源和结构

1969年，高级研究计划署网络(ARPAnet)连接了两个第一个网络。1974年12月，互联网工程专责小组(IETF)采用了RFC 675 [6] on Specification of Internet Transmission Control Program，从而形成了Internet这个术语。这个RFC是由Vinton Cerf、Yogen Dala和Carl Sunshine编辑的，设计非常好，在2016年之前没有被淘汰(由RFC 7805[7]淘汰)。Internet协议的第一个规范于1980年1月发布(RFC 760)[8]，并于1981年9月被指定Internet协议版本4 (IPv4)的RFC 791[9]所取代。

万维网(WWW)的发展,欧洲核子研究中心(CERN)[10]在日内瓦和超文本传输协议(HTTP)的规范[11],[12]铺平了道路,一个更大的使用和采用互联网行业和公众的年代。它导致对Internet协议(IP)地址的需求呈指数级增长，并迫使IETF考虑和预期剩余IPv4地址的耗尽。

1992年，IETF发布了一份白皮书，呼吁设计IPv4的后续版本，并于1995年在RFC 1883[13]中实现了Internet Protocol Version 6 (IPv6)的规范，随后在1996年实现了互补的RFC。IPv6规范在三年后的1998年12月更新，通过采用RFC 2460[14]，它构成了IPv6的核心和主要参考RFC。

尽管Internet服务提供商(isp)大量采用了网络地址转换(NAT)机制[15]，但在2011年2月，IANA不得不将其最后一个IPv4地址块分发给区域性Internet注册中心(RIR)[16]。随后，RIRs本身逐步分配并耗尽了剩余的IPv4地址块。2011年4月，APNIC分配了IPv4地址的最后一个/8地址块，并逐步在2012年9月成熟，2014年6月LACNIC, 2015年9月ARIN。预计AFRINIC将在2018年耗尽剩余的IPv4地址池。因此，Internet逐渐采用IPv6作为IPv4耗尽的唯一现实替代方案。目前，这两种协议都共存于Internet上，具有双堆栈IPv4-IPv6网络体系结构，并且流量从IPv4逐步转移到IPv6。

与此同时，IPv6已迅速被确定为物联网的一项有趣技术。IETF社区开始开发互补的rfc，以满足特定的物联网需求。它逐步导致了基于ipv6的物联网新标准的规范，如6LoWPAN[17]、RPL[18]、CoAP[4]、6TiSCH。

正如IPv6相关的rfc所指定的，并且主要在以前的文章(如[19])中介绍过，IPv6地址被细分为两部分，包括三个不同的部分:

-路由地址，分为两部分:

o分配给一个地点的全球路由前缀(GRP);

o由本网站管理的子网标识符(子网标识符)，可区分多个子网。

-接口标识符(接口ID或IID，也称为主机ID)，对应于终端节点的特定接口地址。

如图1所示，地址的前64位用于网络路由地址，包括GRP和子网ID;第二部分(剩余的64位)保留给接口ID。

n位64-n位 64位

全球路由前缀

子网ID

主机ID

图1 IPv6地址结构

三、数量级和大规模数字

为了评估IPv6地址的可伸缩性，让我们根据大量的数据来确定一些基准。大概有:

~4,3 x 109 IPv4地址(232)

到2020年，全球约有7,3times;109人使用[20]~5times;1010个物联网设备

~1 x 1011颗行星在我们的星系

~8,6 x 1011个神经元在脑[22]

宇宙中的2个x 1012个星系

在地球表面约5,1times;1014平方米的[24]~1times;1015个突触的脑[25]

~7,5 x 1018沙粒在地球上[26]

~5,1 * 1020平方毫米在地球上[24]~3 * 1023颗恒星在宇宙中[27]

~7 x 1027个原子在一个人体内的[28]

~5,1 x 1037个人体原子(从上)~3,4 x 1038 IPv6地址(2128)

我们已经可以证明理论上的IPv6寻址能力比以前的基准要大。实际上，我们可以对所有提到的对象组使用IPv6地址，并且仍然有足够的未分配地址可用来运行Internet。

让我们转向更大的数字。我们可以考虑宇宙的质量，估计在1050到1060千克之间。如果我们想扩大我们的规模，我们需要向纯数学数字迈进，例如:

bull;Googol，等于10100(或10^100)[30]

bull;Googolplex，它等于10Googol(或1010100或10^(10^100))[31]

通过利用超操作，我们仍然可以使用一些额外的数字来扩展规模。让我们来命名和定义几个大的数字如下:

bull;10uarr;uarr;10，为断头台;

bull;100uarr;uarr;100，作为百万分之一;

bull;1000uarr;uarr;1000，作为Vintillion;

bull;10uarr;1010，或者10uarr;uarr;uarr;uarr;uarr;uarr;uarr;uarr;uarr;10，就像齐格里昂;

bull;F10 (10), F (F (F (F (F (F (F (F (F (F (10)))))))))), F (n) = nuarr;nn。我们将其命名为Annilion;

bull;最后，让我们考虑Graham的数字[32]。

这些最后的数字明显大于宇宙中任何有形元素的总和，比如电子的数量。它们趋向于无限，但它们仍然是有限的。

四、IPV6的可伸缩性

现在我们已经扩展了规模，让我们来评估IPv6的潜力。Internet Protocol version 4 (IPv4)使用32位长地址，这相当于大约40亿个(4,294,967,296)不同的地址(232)。实际上，由于路由需求和IPv4地址块分配的历史，可用地址的数量非常低。

Internet Protocol version 6 (IPv6)使用128位地址，这等于3.4times;1038个惟一地址(2128)，或者340 undecillions (340 x 1036)地址。这个独特IPv6地址的数字可以用不同的方式用数学表示，包括2128、3.4times;1038、227，以及使用Knuth的向上箭头符号2uarr;128。我们也可以通过使用2的四分划来表示它:(2uarr;uarr;4)8，也可以用Maurer(或Rudy Rucker)表示为(42)8，其中2uarr;uarr;4对应于IPv6地址的4个十六进制数字段中可能的组合数。

将地址空间乘以4似乎是一个很小的变化，但是这个扩展在可伸缩性方面创建了一个基本的范例转换。它允许向任何设备、终端节点和资源提供唯一的IP地址。在地球层面，IPv6的寻址能力足以提供每平方毫米地球表面6.67126 x 1017个唯一地址。即使我们只考虑下半年IPv6地址,64位接口ID,它等于每平方厘米3.61独立IP地址的地球表面,和每平方厘米12.39独特的IPv6地址出现了地表地球上(如果我们忽略海洋)。

IPv6可以使用单个子网地址为地球上的每一个人、每一个物联网设备、大脑中的每一个神经元、地球表面的每一平方米、大脑中的每一个突触以及地球上的每一粒沙粒提供独特的主机id。然而，它将需要使用部分子网和GRP段来处理宇宙中的所有恒星或人体的所有原子。

答:人类的局限性

实现IPv6可伸缩性的另一种方法是采用人工视角。让我们考虑一个人，他愿意花费一生的时间来分配IP地址，从他的出生到80岁生日，包括日日夜夜，他的一生中每秒钟分配一个IP地址。他可以分配大约2522880000个地址，约2.5 x 109。

默认情况下，任何订阅IPv6连接的ISP客户端都将受益于一个全局ID和几个子网。一个子网可以产生264个唯一的公共IP地址(1.8 x 1019)。它比一个人一生所能使用的要大100亿(1010亿)。换句话说，一个子网就足以在包括夜晚在内的整个世界人口的一生中不停地占据他们。

IPv6可伸缩性猜想

考虑到人类分配地址给物联网设备的能力有限，我们将提出第一个猜想:

IPv6的寻址能力足以为地球上和我们太阳系中的每一个现在和未来的物联网设备，以及每一个单独的人和机器互联网用户提供一个独特的64位主机ID。

我们的第二个猜想是:

只要地址块分配符合最终用户的有效需求(即将GRP分配限制在/56或/48)，人类就永远无法使用和耗尽IPv6寻址能力的全部潜力。

我们的第三个猜想是:

IPv6的寻址能力足以为宇宙中的每颗恒星提供一个独特的完整的128位地址，但要么需要一个扩展的网络GRP，要么需要一个NAT架构来解决每个恒星系统中物联网的大规模部署。

我们的第四个猜想是:

IPv6的寻址能力足以满足有效的人类需求，但理论上可以被基于超操作的数学模型中的标识符分配所取代，这些超操作趋向于非常大的结果域，如Googols、Googolplex、Guilions、Vintillions、Zieglions、Anilions和Graham number。

五、银河系和星系间寻址方案

建议

还可以考虑将IPv6地址结构调整为非常大规模的部署，超出人类直接使用和开发的范围。为了阐明我们的提议，让我们考虑并概述一致的银河和星际IPv6寻址计划的潜在方案。我们将自愿把这种长距离通信的时间限制放在一边。美国宇航局估计，我们的星系聚集了大约1000亿颗行星。在我们的理论模型中，我们建议为银河系中的每颗行星保留一个全局路由前缀的第一个块或48位，如图2所示。每个行星然后可以分配16位子网，留下完整的64位IPv6主机ID完全可用。

16位 64位48位

恒星全局路由前缀

子网ID

接口ID

图2银河IPv6寻址方案

让我们更进一步，看看能否将IPv6寻址方案扩展到整个宇宙。美国宇航局估计宇宙中的星系数量接近2 x 1012。如图3所示，我们建议为星系路由前缀分配48位的第一个段。由于每个星系平均有1.5 x 1011颗恒星，而且各星系之间存在预期的变异性，我们建议为恒星路由前缀分配另一个段48位。然后，我们可以将剩余的32

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