智慧物聯網與IPv6

智慧物聯網

近幾年,物聯網(IoT,Internet of Things)技術與應用服務快速發展。物聯網一種網際網路服務的延伸,讓一般物體(Things)支援網路功能,並且形成物體與物體之互聯網路,規模大小可能從數個物體之小型物聯網,大到上萬或上億個物體之物聯網。

物聯網除了可以採用有線網路連線外,一般會以無線通訊網路為主,應用層面從環境監控、智慧工廠、智慧交通、智慧家庭、智慧農業、健康醫療、智慧生活…等,到處都可以看到物聯網應用服務。

智慧物聯網架構一般可以分成感測層、網路傳輸層、應用服務層。感測層是物聯網架構中最底層,是指感測技術與感測元件,例如:溫度感測、壓力感測、震動感測….等;網路傳輸層是指物體與物體通訊及網路互連技術,例如:NB-IoT、LoRa、Zigbee、Wireless LAN、Bluetooth….等無線通訊技術;應用服務層是物聯網應用服務,其中包含資訊儲存、管理與分析技術,例如:網頁技術、資料庫技術、大數據分析與雲端運算。

物聯網無線通訊技術

如果以物聯網網路傳輸層來看,近幾年有許多針對物聯網應用之無線通訊技術被發展出來,常見物聯網無線通訊技術有NB-IoT、LoRa、SIGFOX、Zigbee、WiFi、Bluetooth、NFC…等。

2018年臺灣三大電信業者已陸續開放NB-IoT商用服務,並且以「040開頭」作為物聯網專用門號。NB-IoT(Narrow Band -Internet of Things) 是NB-CIoT和NB-LTE兩種標準的結合,是3GPP R13階段LTE的一項重要增強技術,網路可以直接部署在現有2G/3G/4G網路,具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優…等特點。雖然NB-IoT技術被提出的時間比較晚,但近一年在全世界發展速度非常快,其中主要關鍵是電信業者可以不必重新佈建基地台,透過在現有4G基地台升級就可以提供NB-IoT服務,大幅降低電信業者建置服務的成本[1]。中華電信針對物聯網應用,提供IOT智慧聯網大平台[2];遠傳電信提供遠傳NB-IoT智慧聯網服務[3];台灣大哥大也提供IoT服務[4]。

LoRa(Long Range)是一種低功耗廣域網路(Low PowerWide Area Network,LPWAN)通訊技術,Semtech公司於2013年發布的超長距離低功耗數據傳輸技術。以往,在LPWAN產生之前,似乎只能在遠距離以及低功耗兩者之間做取捨。而LoRa無線技術的出現,改變了關於傳輸距離與功耗的折衷考慮方式,不僅可以實現遠距離傳輸,並且同時兼具低功耗、低成本的優點。LoRa的傳輸距離範圍為15至20公里,低功耗的特性延長了電池使用壽命,免牌照的頻段、基礎設施以及節點/終端的低成本[5]。在台灣LoRa服務部分,鴻海集團於2016年8月宣布成立物聯網聯盟,由鴻海提供硬體設備、旗下富鴻網佈建LoRa網路,亞太電信負責LoRa應用開發及服務提供,2017年中旬已在雙北、桃園佈建500個LoRa熱點[6]。

SIGFOX也是一種低功耗廣域網路(Low PowerWide Area Network,LPWAN)通訊技術。SIGFOX台灣、新加坡營運商台灣優納比(Unabiz)於2017年獲得NCC核發「網際網路接取一般二類電信執照」,目前SIGFOX在台灣的合作夥伴包括中興保全、Obike等50多家廠商,未來可望能發展更多物聯網應用[7]。

除了以上三種低功耗廣域網路外,常見的低功率短距離物聯網無線通訊技術還有Zigbee、WiFi、Bluetooth、NFC…等,其中Bluetooth 5.0在2016年6月被宣布,更針對物聯網進行許多底層最佳化。

物聯網網路位址需求

無論物聯網應用服務選擇那一種無線通訊技術,最重要還是將面臨物體裝置(物聯網節點)位址不足問題,尤其面對上萬個或上億個物體裝置,好的定址方案將可以降低網路網網路互連之複雜度與維護管理成本。

由於網際網路版本4(IPv4, Internet Protocol version 4)位址空間有限,因此許多定址方案常會採用NAT(Network Address Translation)IP位址分享之解決方案。然而,NAT會破壞網路互連透通性,因此對於資料雙向傳輸需求之物聯網應用,將會產生雙向互聯問題。雖然目前有其他解決方案可以處理NAT透通性問題,但卻會提高網路複雜度與維護管理成本。

網際網路版本6 (IPv6, Internet Protocol version 6) 是下一代網際網路協定,它被設計用來替代當前網際網路IPv4,位址長度由32位元提升至128位元,IPv6位址空間多達2128個位址。因此,IPv6可以直接解決物聯網面臨之位址不足問題,並且保持網路互連透通性,物體裝置可以進行任何形式之雙向連線。

結論

對於IoT應用服務不斷推陳出新,無處不在的連接和控制是物聯網(IoT)的基本要素與主張,在物體裝置與物體裝置之間,如何有效率地進行網路傳輸,提供無縫的通訊連結,這將是物聯網必須克服的挑戰。從全球來看,行動網路將在2016年至2021年期間支持約40億個新的行動連接設備和連接[8]。因此,對於物聯網應用發展,與IPv4各種解決方案相比,IPv6仍是目前最佳的解決方案,IPv6能夠降低網路互連複雜性和成本;相信未來物聯網應用趨勢,IPv6在新一代通訊協定中將扮演重要的角色。

參考資料

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