雅丹 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中IPv6與IPv4技術(shù)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(luò)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(shè)備高效的完成油氣生產(chǎn)任務(wù)[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(shè)備，那么這些感知設(shè)備如何接入網(wǎng)絡(luò)，為油田應(yīng)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(chǔ)上，但目前互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備只能通過一些非網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給RTU網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至遠端服務(wù)器。典型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分析
2.1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)及突顯問題
       通過對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(shè)備大約在10個左右，那么油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備數(shù)量上百萬，而且以后設(shè)備的增加量也不容小覷。我們要對這些設(shè)備進行有效的管理，必須采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有效的將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。目前事實上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，并且是基于IPv4的協(xié)議棧，IPv4地址嚴(yán)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(yīng)用；感知層的設(shè)備因為IP地址不足或設(shè)備無法運行IP協(xié)議棧，導(dǎo)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(guān)身份在管理著眾多的設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。每一級的RTU對下級設(shè)備進行管理，一旦RTU發(fā)生故障，那么下一級設(shè)備所有的數(shù)據(jù)將無法傳輸至遠端服務(wù)器，只能派維護人員去維修故障，維護成本比較高。由此總結(jié)出油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在面臨的主要問題是：設(shè)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(luò)互連協(xié)議IPv6。IPv6主要解決了設(shè)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(shè)備也可以通過IPv6技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，使得各個設(shè)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(yīng)用IPv6的技術(shù)，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(luò)構(gòu)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(luò)構(gòu)成中IPv4與IPv6如何共存。
3 IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(yīng)用層的軟件是基于IPv4設(shè)計開發(fā)的，應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)接口到傳輸層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同樣運行在IPv4協(xié)議棧下，感知層設(shè)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(shè)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(shè)備，主要也正是這些性能比較低的感知設(shè)備。
本文是對IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)共存技術(shù)的分析，必然是在設(shè)備上都可運行IPv4或IPv6協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進行的。一些性能比較低的感知設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，我們必須考慮這些感知設(shè)備如何盡快將IPv6協(xié)議棧移植到這些設(shè)備中。新設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，首選移植IPv6協(xié)議棧，避免了日后的大量升級工作。當(dāng)設(shè)備都具備了IP接入網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(zhuǎn)換運行在另一者之上及借助某種手段二者可以相互轉(zhuǎn)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(dāng)有相應(yīng)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(yīng)用在性能較高的PC機或服務(wù)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(yīng)用在應(yīng)用服務(wù)層面。
       其次，目前網(wǎng)絡(luò)中的主機、軟件都是運行在IPv4協(xié)議棧下，若是將網(wǎng)絡(luò)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(wù)，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(shè)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(yīng)用數(shù)據(jù)以IPv4協(xié)議向上層應(yīng)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(luò)，我們可以采用一個稱之為“協(xié)議轉(zhuǎn)換器”將IPv4與IPv6協(xié)議數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。例如我們可以在RTU內(nèi)預(yù)置一個“協(xié)議轉(zhuǎn)換器”，對將感知設(shè)備發(fā)送的IPv6的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv4數(shù)據(jù)包，再向網(wǎng)絡(luò)層傳輸；對從網(wǎng)絡(luò)層接收到的IPv4數(shù)據(jù)包，可以轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包，發(fā)送至感知設(shè)備。這種方法對數(shù)據(jù)流入、流出都必須進行轉(zhuǎn)換，復(fù)雜度較高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。
4 結(jié)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(dǎo)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(luò)情況是相當(dāng)復(fù)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(luò)互連方案，也是我們需要思考并積極面對的問題。
參考文獻：
[1] 沐峻丞，檀朝東等．運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化油田[J]．中國石油與化工，2010，9：53~55．
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[4] 安奈特．IPv6技術(shù)白皮書[S]．
作者簡介：宋恒利，男，現(xiàn)在北京雅丹石油技術(shù)有限公司從事研發(fā)工作，聯(lián)系電話：15201132526，e-mail：dt_shl_217@yahoo.com.cn。