油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中IPv6與IPv4技術共存分析

1 引言
　　油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)是利用各種傳感器與智能裝置對油田的物理狀況進行感知識別，并通過網(wǎng)絡互聯(lián)，將獲得的數(shù)據(jù)進行計算、處理，實現(xiàn)遠端對現(xiàn)場井口、地下實時情況的監(jiān)控，并通過控制設備高效的完成油氣生產(chǎn)任務[1]。由于油田地理分布廣而且不集中的特點，且每個井場都需要大量的感知設備，那么這些感知設備如何接入網(wǎng)絡，為油田應用提供所需要的數(shù)據(jù)是值得我們深思的。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸是建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，但目前互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡互連的協(xié)議是基于IPv4，日益膨脹的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)無法容納更多配備獨立IP的主機，我們在油田生產(chǎn)中各個感知設備只能通過一些非網(wǎng)絡標準協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給RTU網(wǎng)關，網(wǎng)關再通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)轉發(fā)至遠端服務器。典型的網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)架構

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡構成分析
2.1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)整體架構及突顯問題
　　通過對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構的分析，我們發(fā)現(xiàn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中以井場為基本單位，達到了數(shù)十萬，而每個井場的傳感設備大約在10個左右，那么油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的設備數(shù)量上百萬，而且以后設備的增加量也不容小覷。我們要對這些設備進行有效的管理，必須采用標準協(xié)議有效的將設備接入網(wǎng)絡。目前事實上的網(wǎng)絡標準協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，并且是基于IPv4的協(xié)議棧，IPv4地址嚴重匱乏是已存在的事實，根本無法滿足油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應用；感知層的設備因為IP地址不足或設備無法運行IP協(xié)議棧，導致多數(shù)是通過各種非IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至上一級的RTU，如MODBUS協(xié)議、RS485自定義協(xié)議、zigbee協(xié)議等；RTU作為網(wǎng)關身份在管理著眾多的設備，在網(wǎng)絡架構中起著至關重要的作用。每一級的RTU對下級設備進行管理，一旦RTU發(fā)生故障，那么下一級設備所有的數(shù)據(jù)將無法傳輸至遠端服務器，只能派維護人員去維修故障，維護成本比較高。由此總結出油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在面臨的主要問題是：設備數(shù)量多、傳輸協(xié)議不一致、RTU的重要性過于突出。
2.2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)問題分析及解決方案
　　為此引入了下一代網(wǎng)絡互連協(xié)議IPv6。IPv6主要解決了設備數(shù)量多無法編址的問題；從而也統(tǒng)一了協(xié)議；每個設備也可以通過IPv6技術接入網(wǎng)絡，使得各個設備數(shù)據(jù)不依賴RTU而進行遠傳。既然IPv6可以很好的解決目前油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的主要問題，那么我們該考慮如何應用IPv6的技術，也就是IPv6如何順利的在不影響目前油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡構成的前提下融入油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)。這是本文探討的重點內(nèi)容，核心問題也就是油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡構成中IPv4與IPv6如何共存。
3 IPv4與IPv6網(wǎng)絡技術共存
　　首先分析油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中IPv4協(xié)議棧的分布特點。目前從油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)應用層的軟件是基于IPv4設計開發(fā)的，應用層網(wǎng)絡接口到傳輸層的網(wǎng)絡設備同樣運行在IPv4協(xié)議棧下，感知層設備如RTU之類的，普遍也是運行著IPv4協(xié)議棧，但是采集模擬數(shù)據(jù)的一些感知設備則從成本、資源考慮，并沒有為了移植IPv4協(xié)議棧而使用性能更高的MCU和容量大的RAM。對于編址不足的設備，主要也正是這些性能比較低的感知設備。
　　本文是對IPv4與IPv6網(wǎng)絡共存技術的分析，必然是在設備上都可運行IPv4或IPv6協(xié)議棧的基礎上進行的。一些性能比較低的感知設備接入網(wǎng)絡，我們必須考慮這些感知設備如何盡快將IPv6協(xié)議棧移植到這些設備中。新設備接入網(wǎng)絡，首選移植IPv6協(xié)議棧，避免了日后的大量升級工作。當設備都具備了IP接入網(wǎng)絡的功能，我們真正的才開始考慮IPv4與IPv6如何共存。
　　由于IPv6的設計者并沒有考慮到與IPv4的兼容性，IPv4與IPv6不能無縫對接，只能獨立成為兩個體系運行。兩個體系在同一個主機運行，其方法只能是二者運行在各自的空間、其中一者通過某種轉換運行在另一者之上及借助某種手段二者可以相互轉換。
　　首先，二者運行在一臺主機中的各自的空間也就是實現(xiàn)了IPv4與IPv6同時運行在主機上，也就是雙協(xié)議棧的方式。該種方式實現(xiàn)的原理是主機既支持IPv4，同時支持IPv6，當有相應的數(shù)據(jù)包到達時，可動態(tài)的選擇調(diào)用不同的IP協(xié)議棧。同時運行兩個不同的協(xié)議棧，對主機性能的要求比較高，一般這種方法應用在性能較高的PC機或服務器上；同時該主機必須同時配備IPv4和IPv6的IP地址，這在需要大量的IP地址的感知層也不適用。在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中，我們可以應用在應用服務層面。
　　其次，目前網(wǎng)絡中的主機、軟件都是運行在IPv4協(xié)議棧下，若是將網(wǎng)絡全面升級為IPv6協(xié)議棧下的話，成本太高，而且對各個方面的影響無法估量，而新終端為了避免日后的升級任務，首選移植IPv6協(xié)議棧，針對一些性能較低的終端，想要采用第一種方法同時運行兩種協(xié)議棧的話，無疑是空想。我們可以設計出將IPv6的數(shù)據(jù)包封裝成IPv4數(shù)據(jù)包格式進行傳輸，或者IPv4數(shù)據(jù)包封裝成IPv6數(shù)據(jù)包進行傳輸。這種方法稱之為“隧道”。該方法適合于移植有IPv6協(xié)議棧的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)感知終端將IPv6數(shù)據(jù)作為應用數(shù)據(jù)以IPv4協(xié)議向上層應用發(fā)送感知數(shù)據(jù)，本方法并沒有從根本上解決IPv4與IPv6通訊問題，仍然需要進行日后的升級工作。
　　最后，針對IPv4與IPv6網(wǎng)絡，我們可以采用一個稱之為“協(xié)議轉換器”將IPv4與IPv6協(xié)議數(shù)據(jù)進行轉換。例如我們可以在RTU內(nèi)預置一個“協(xié)議轉換器”，對將感知設備發(fā)送的IPv6的數(shù)據(jù)包轉換成IPv4數(shù)據(jù)包，再向網(wǎng)絡層傳輸；對從網(wǎng)絡層接收到的IPv4數(shù)據(jù)包，可以轉換成IPv6數(shù)據(jù)包，發(fā)送至感知設備。這種方法對數(shù)據(jù)流入、流出都必須進行轉換，復雜度較高，不適合大規(guī)模應用。
4 結論
　　在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的旅程上，IPv4與IPv6長久共存是不爭的事實，發(fā)展前期及中期IPv4將占據(jù)主導地位，后期將會由IPv6全面替代IPv4。前中期的物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡情況是相當復雜，在這種情況下，多種互連方案也會共存，如何選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡互連方案，也是我們需要思考并積極面對的問題。