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雅丹 油氣生產物聯網中IPv6與IPv4技術共存分析

供稿:北京雅丹石油技術開發有限公司 2012/11/6 14:09:01

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  • 關鍵詞: 物聯網
  • 摘要:油氣生產物聯網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,并通過網絡互聯,將獲得的數據進行計算、處理,實現遠端對現場井口、地下實時情況的監控

1 引言
       油氣生產物聯網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,并通過網絡互聯,將獲得的數據進行計算、處理,實現遠端對現場井口、地下實時情況的監控,并通過控制設備高效的完成油氣生產任務[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絡,為油田應用提供所需要的數據是值得我們深思的。油氣生產物聯網數據傳輸是建立在互聯網的基礎上,但目前互聯網網絡互連的協議是基于IPv4,日益膨脹的互聯網已經無法容納更多配備獨立IP的主機,我們在油田生產中各個感知設備只能通過一些非網絡標準協議將數據傳輸給RTU網關,網關再通過TCP/IP協議將數據轉發至遠端服務器。典型的網絡架構如圖1所示。


2 物聯網網絡構成分析
2.1 油氣生產物聯網整體架構及突顯問題
       通過對油氣生產物聯網網絡架構的分析,我們發現油氣生產物聯網中以井場為基本單位,達到了數十萬,而每個井場的傳感設備大約在10個左右,那么油氣生產物聯網中的設備數量上百萬,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,必須采用標準協議有效的將設備接入網絡。目前事實上的網絡標準協議為TCP/IP協議,并且是基于IPv4的協議棧,IPv4地址嚴重匱乏是已存在的事實,根本無法滿足油氣生產物聯網的應用;感知層的設備因為IP地址不足或設備無法運行IP協議棧,導致多數是通過各種非IP協議將數據傳輸至上一級的RTU,如MODBUS協議、RS485自定義協議、zigbee協議等;RTU作為網關身份在管理著眾多的設備,在網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發生故障,那么下一級設備所有的數據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物聯網現在面臨的主要問題是:設備數量多、傳輸協議不一致、RTU的重要性過于突出。
2.2 油氣生產物聯網問題分析及解決方案
       為此引入了下一代網絡互連協議IPv6。IPv6主要解決了設備數量多無法編址的問題;從而也統一了協議;每個設備也可以通過IPv6技術接入網絡,使得各個設備數據不依賴RTU而進行遠傳。既然IPv6可以很好的解決目前油氣生產物聯網的主要問題,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物聯網網絡構成的前提下融入油氣生產物聯網。這是本文探討的重點內容,核心問題也就是油氣生產物聯網網絡構成中IPv4與IPv6如何共存。
3 IPv4與IPv6網絡技術共存
       首先分析油氣生產物聯網中IPv4協議棧的分布特點。目前從油氣生產物聯網應用層的軟件是基于IPv4設計開發的,應用層網絡接口到傳輸層的網絡設備同樣運行在IPv4協議棧下,感知層設備如RTU之類的,普遍也是運行著IPv4協議棧,但是采集模擬數據的一些感知設備則從成本、資源考慮,并沒有為了移植IPv4協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網絡共存技術的分析,必然是在設備上都可運行IPv4或IPv6協議棧的基礎上進行的。一些性能比較低的感知設備接入網絡,我們必須考慮這些感知設備如何盡快將IPv6協議棧移植到這些設備中。新設備接入網絡,首選移植IPv6協議棧,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了IPv4與IPv6同時運行在主機上,也就是雙協議棧的方式。該種方式實現的原理是主機既支持IPv4,同時支持IPv6,當有相應的數據包到達時,可動態的選擇調用不同的IP協議棧。同時運行兩個不同的協議棧,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。在油氣生產物聯網中,我們可以應用在應用服務層面。
       其次,目前網絡中的主機、軟件都是運行在IPv4協議棧下,若是將網絡全面升級為IPv6協議棧下的話,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議棧的話,無疑是空想。我們可以設計出將IPv6的數據包封裝成IPv4數據包格式進行傳輸,或者IPv4數據包封裝成IPv6數據包進行傳輸。這種方法稱之為“隧道”。該方法適合于移植有IPv6協議棧的油氣生產物聯網感知終端將IPv6數據作為應用數據以IPv4協議向上層應用發送感知數據,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網絡,我們可以采用一個稱之為“協議轉換器”將IPv4與IPv6協議數據進行轉換。例如我們可以在RTU內預置一個“協議轉換器”,對將感知設備發送的IPv6的數據包轉換成IPv4數據包,再向網絡層傳輸;對從網絡層接收到的IPv4數據包,可以轉換成IPv6數據包,發送至感知設備。這種方法對數據流入、流出都必須進行轉換,復雜度較高,不適合大規模應用。
4 結論
       在物聯網飛速發展的旅程上,IPv4與IPv6長久共存是不爭的事實,發展前期及中期IPv4將占據主導地位,后期將會由IPv6全面替代IPv4。前中期的物聯網的網絡情況是相當復雜,在這種情況下,多種互連方案也會共存,如何選擇最優的網絡互連方案,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.運用物聯網技術構建數字化油田[J].中國石油與化工,2010,9:53~55.
[2] RFC2893 IPv6 主機和軟件路由器轉換機制[S].
[3] RFC2766 Network Address Translation - Protocol Translation(NAT-PT)[S].
[4] 安奈特.IPv6技術白皮書[S].
作者簡介:宋恒利,男,現在北京雅丹石油技術有限公司從事研發工作,聯系電話:15201132526,e-mail:[email protected]

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