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雅丹 油气生产物联网中IPv6与IPv4技术共存分析

供稿:北京雅丹石油技术开发有限公司 2012/11/6 14:09:01

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  1. 关键词: 物联网
  2. 摘要:油气生产物联网是利用各种传感器与智能装置对油田的物理状况进行感知识别,并通过网络互联,将获得的数据进行计算、处理,实现远端对现场井口、地下实时情况的监控
1 引言
       油气生产物联网是利用各种传感器与智能装置对油田的物理状况进行感知识别,并通过网络互联,将获得的数据进行计算、处理,实现远端对现场井口、地下实时情况的监控,并通过控制设备高效的完成油气生产任务[1]。由于油田地理分布广而且不集中的特点,且每个井场都需要大量的感知设备,那么这些感知设备如何接入网络,为油田应用提供所需要的数据是值得我们深思的。油气生产物联网数据传输是建立在互联网的基础上,但目前互联网网络互连的协议是基于IPv4,日益膨胀的互联网已经无法容纳更多配备独立IP的主机,我们在油田生产中各个感知设备只能通过一些非网络标准协议将数据传输给RTU网关,网关再通过TCP/IP协议将数据转发至远端服务器。典型的网络架构如图1所示。

2 物联网网络构成分析
2.1 油气生产物联网整体架构及突显问题
       通过对油气生产物联网网络架构的分析,我们发现油气生产物联网中以井场为基本单位,达到了数十万,而每个井场的传感设备大约在10个左右,那么油气生产物联网中的设备数量上百万,而且以后设备的增加量也不容小觑。我们要对这些设备进行有效的管理,必须采用标准协议有效的将设备接入网络。目前事实上的网络标准协议为TCP/IP协议,并且是基于IPv4的协议栈,IPv4地址严重匮乏是已存在的事实,根本无法满足油气生产物联网的应用;感知层的设备因为IP地址不足或设备无法运行IP协议栈,导致多数是通过各种非IP协议将数据传输至上一级的RTU,如MODBUS协议、RS485自定义协议、zigbee协议等;RTU作为网关身份在管理着众多的设备,在网络架构中起着至关重要的作用。每一级的RTU对下级设备进行管理,一旦RTU发生故障,那么下一级设备所有的数据将无法传输至远端服务器,只能派维护人员去维修故障,维护成本比较高。由此总结出油气生产物联网现在面临的主要问题是:设备数量多、传输协议不一致、RTU的重要性过于突出。
2.2 油气生产物联网问题分析及解决方案
       为此引入了下一代网络互连协议IPv6。IPv6主要解决了设备数量多无法编址的问题;从而也统一了协议;每个设备也可以通过IPv6技术接入网络,使得各个设备数据不依赖RTU而进行远传。既然IPv6可以很好的解决目前油气生产物联网的主要问题,那么我们该考虑如何应用IPv6的技术,也就是IPv6如何顺利的在不影响目前油气生产物联网网络构成的前提下融入油气生产物联网。这是本文探讨的重点内容,核心问题也就是油气生产物联网网络构成中IPv4与IPv6如何共存。
3 IPv4与IPv6网络技术共存
       首先分析油气生产物联网中IPv4协议栈的分布特点。目前从油气生产物联网应用层的软件是基于IPv4设计开发的,应用层网络接口到传输层的网络设备同样运行在IPv4协议栈下,感知层设备如RTU之类的,普遍也是运行着IPv4协议栈,但是采集模拟数据的一些感知设备则从成本、资源考虑,并没有为了移植IPv4协议栈而使用性能更高的MCU和容量大的RAM。对于编址不足的设备,主要也正是这些性能比较低的感知设备。
本文是对IPv4与IPv6网络共存技术的分析,必然是在设备上都可运行IPv4或IPv6协议栈的基础上进行的。一些性能比较低的感知设备接入网络,我们必须考虑这些感知设备如何尽快将IPv6协议栈移植到这些设备中。新设备接入网络,首选移植IPv6协议栈,避免了日后的大量升级工作。当设备都具备了IP接入网络的功能,我们真正的才开始考虑IPv4与IPv6如何共存。
       由于IPv6的设计者并没有考虑到与IPv4的兼容性,IPv4与IPv6不能无缝对接,只能独立成为两个体系运行。两个体系在同一个主机运行,其方法只能是二者运行在各自的空间、其中一者通过某种转换运行在另一者之上及借助某种手段二者可以相互转换。
       首先,二者运行在一台主机中的各自的空间也就是实现了IPv4与IPv6同时运行在主机上,也就是双协议栈的方式。该种方式实现的原理是主机既支持IPv4,同时支持IPv6,当有相应的数据包到达时,可动态的选择调用不同的IP协议栈。同时运行两个不同的协议栈,对主机性能的要求比较高,一般这种方法应用在性能较高的PC机或服务器上;同时该主机必须同时配备IPv4和IPv6的IP地址,这在需要大量的IP地址的感知层也不适用。在油气生产物联网中,我们可以应用在应用服务层面。
       其次,目前网络中的主机、软件都是运行在IPv4协议栈下,若是将网络全面升级为IPv6协议栈下的话,成本太高,而且对各个方面的影响无法估量,而新终端为了避免日后的升级任务,首选移植IPv6协议栈,针对一些性能较低的终端,想要采用第一种方法同时运行两种协议栈的话,无疑是空想。我们可以设计出将IPv6的数据包封装成IPv4数据包格式进行传输,或者IPv4数据包封装成IPv6数据包进行传输。这种方法称之为“隧道”。该方法适合于移植有IPv6协议栈的油气生产物联网感知终端将IPv6数据作为应用数据以IPv4协议向上层应用发送感知数据,本方法并没有从根本上解决IPv4与IPv6通讯问题,仍然需要进行日后的升级工作。
       最后,针对IPv4与IPv6网络,我们可以采用一个称之为“协议转换器”将IPv4与IPv6协议数据进行转换。例如我们可以在RTU内预置一个“协议转换器”,对将感知设备发送的IPv6的数据包转换成IPv4数据包,再向网络层传输;对从网络层接收到的IPv4数据包,可以转换成IPv6数据包,发送至感知设备。这种方法对数据流入、流出都必须进行转换,复杂度较高,不适合大规模应用。
4 结论
       在物联网飞速发展的旅程上,IPv4与IPv6长久共存是不争的事实,发展前期及中期IPv4将占据主导地位,后期将会由IPv6全面替代IPv4。前中期的物联网的网络情况是相当复杂,在这种情况下,多种互连方案也会共存,如何选择最优的网络互连方案,也是我们需要思考并积极面对的问题。
参考文献
[1] 沐峻丞,檀朝东等.运用物联网技术构建数字化油田[J].中国石油与化工,2010,9:53~55.
[2] RFC2893 IPv6 主机和软件路由器转换机制[S].
[3] RFC2766 Network Address Translation - Protocol Translation(NAT-PT)[S].
[4] 安奈特.IPv6技术白皮书[S].
作者简介:宋恒利,男,现在北京雅丹石油技术有限公司从事研发工作,联系电话:15201132526,e-mail:dt_shl_217@yahoo.com.cn
更多内容请访问 北京雅丹石油技术开发有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=20745)
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