基于位置信息映射的IPv6网络编址寻址(T-ZKJXX 00022—2021).pdf

ICS 35.110 CCS L 79 团体标准 T/ZKJXX 000222021 基于位置信息映射的 IPv6 网络编址寻址 IPv6 network addressing and routing based on location information mapping 2021-12-28 发布 2021-12-28 实施 中关村空间信息产业技术联盟中关村空间信息产业技术联盟 发布发布 团体标准团体标准 T/ZKJXX 000222021 I 目次 前言.II 引言.III 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 缩略语.1 5 总体框架.2 系统架构.2 网络结构.3 用户终端接入过程.3 6 位置信息编码与 IPv6 编址.4 位置信息获取和内容要求.4 位置信息的编码.4 位置信息映射的 IPv6 单播地址.5 位置信息映射的 IPv6 组播地址.5 7 寻址与路由.6 网络路由.6 组播路由.7 附录 A（资料性）基于位置信息映射的 IPv6 网络编址寻址示例.8 A.1 米级精度示例.8 A.2 分米级精度示例.8 A.3 寻址与路由示例.8 参考文献.9 T/ZKJXX 000222021 II 前言 本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中关村空间信息产业技术联盟提出并归口。本文件起草单位：清华大学、新华三有限公司、北斗导航位置服务（北京）有限公司。本文件主要起草人：张千里、罗琳、肖计划。T/ZKJXX 000222021 III 引言 基于位置信息映射的IPv6网络编址寻址适用于无线自组织网络中的IPv6地址生成和路由，规范了通过位置信息映射生成IPv6地址，并利用这一地址进行路由的过程，实现了设备在没有通信基础设施的情况下，进行网络通信，为物联网下海量设备之间数据资源和计算资源的共享提供了便利。本标准对IPv6网络中基于位置信息映射的编址、IPv6网络中基于位置的路由等内容进行了定义。后续标准将会针对其中的各个组成部分和细分场景，进行进一步的规定。T/ZKJXX 000222021 1 基于位置信息映射的 IPv6 网络编址寻址 1 范围 本文件规定了基于位置信息映射的IPv6网络的总体架构、位置信息编码以及编址和寻址等方面的内容。本文件适用于基于IPv6的位置信息映射的无线自组织网络中的编址与路由。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2260 中华人民共和国行政区划代码 GB/T 10114 县以下行政区划代码编制规则 GB/T 18521 地名分类与类别代码编制规则 GB/T 39409 北斗网格位置码 YD/T 1442 IPv6网络技术要求地址、过渡及服务质量 YD/T 2637.1 自组织网络支持应急通信 第一部分：业务要求 3 术语和定义 YD/T 1442及YD/T 2637.1界定的以及下列术语和定义适用于本文件。IPv6 Internet Protocol Version 6 互联网协议版本6。来源：YD/T 14422006，3.1 IPv6 地址 IPv6 address IPv6地址是为接口或一组接口分配的一个128比特的标识符。来源：YD/T 14422006，4.1 IPv6 全球单播地址 IPv6 global unicast address 全球单播地址等效于公用IPv4地址。可在IPv6网络中进行全局路由和访问。全球单播地址的作用域（即一个 IPv6 网络区域，该地址在其中是唯一、可寻址的）是整个IPv6 互联网。链路本地地址 link-local address 前10比特前缀为1111111010的IPv6地址为链路本地地址，节点使用链路本地地址与同一个链路上的相邻节点进行通信。来源：YD/T 14422006，4.6.9 接口标识 Interface ID 接口标识用来分辨在一个链路中的多个接口。来源：YD/T 14422006，4.6.2 组播地址 Ipv6 multicast address T/ZKJXX 000222021 2 一个IPv6组播地址用于标识一组节点。来源：YD/T 14422006，4.8 IPv6 子网前缀 IPv6 network prefix IPv6地址中的高64比特部分。来源：YD/T 14422006，4.6.1 自组织网络 Ad Hoc Network 支持Ad hoc组网模式的无线区域网络，这类网络是不需要依靠现有固定网络基础设施，快速展开使用的网络。它是由一组带有无线收发装置的可移动终端节点组成的无中心网络，是可以不依赖人为操作自组织、自愈合的网络。网络中的各个节点相互协作完成信息交换，实现信息和服务共享。来源：YD/T 2637.12013，3.1 节点 Node 网络通信终端。在自组织网络中，通信终端可以为各种便携通信设备，如传感器节点、手机、PC等。来源：YD/T 2637.12013，3.2 4 缩略语 下列缩略语适用于本文件：IPv6：网际协议版本6（Internet Protocol Version 6）MLD：组播侦听者发现协议（Multicast Listener Discovery）ULA：唯一本地地址ULA（Unique Local Unicast）5 总体框架 系统架构 位置信息映射的IPv6网络系统见图1。对于节点而言，在管理子系统中增加了位置编址子系统，在路由子系统中增加了位置寻址子系统。位置信息映射系统由以下四个组成部分构成：a)位置信息获取子系统，针对不同的使用场景，获取地理坐标下的位置信息或语义位置信息，实现量化表示；b)位置信息编码子系统，则是为了满足 IPv6 地址的使用限制，将位置信息进行编码、压缩的子系统；c)位置编址子系统，将根据需求的不同，映射为 IPv6 单播地址，或组播地址；d)位置寻址子系统，在映射完成后，通过位置寻址子系统，实现位置信息映射的 IPv6 网络通讯。T/ZKJXX 000222021 3 位置信息获取子系统 位置信息编码子系统 位置寻址子系统 位置编址子系统 路由子系统 管理子系统 图1 系统架构 网络结构 具有相同的位置编码与映射算法、保持连通的IPv6网络，就形成了一个位置信息映射的IPv6无线自组织网络。无线自组织网络是一个无中心网络，网络中的各个节点相互协作完成信息交换，实现信息和服务共享，通过将位置信息编码到IPv6地址中，从源节点到目标节点的通讯可以按照距离目标节点最近的原则，通过中间节点转发进行，见图2。中间节点 中间节点 中间节点 目标节点 源节点 图2 网络结构示例 用户终端接入过程 用户终端接入过程见图3，网络设备获得位置信息后，对位置信息进行编码，并将位置编码映射到IPv6地址中，利用基于位置的路由，实现各个物联网主体之间的通信。T/ZKJXX 000222021 4 获取位置信息 位置信息编码 编码映射为 IPv6 单播地址 编码映射为 IPv6 组播地址 位置信息映射的 IPv6 网络通讯 图3 用户接入过程 6 位置信息编码与 IPv6 编址 位置信息获取和内容要求 位置信息可以从固定配置得来，例如携带定位模块客户端直接从定位模块获取位置信息，继续后续处理；也可以通过外部设备获得，例如未携带定位模块的客户端，使用IPv6网络的网络服务器或设备等获得位置信息。目标设备的位置信息可包括：经度信息、纬度信息和高度信息，也可为除经度信息、纬度信息和高度信息之外的其它信息。位置信息编码的精度与所使用的底层网络类型和应用类型有关，建议根据不同的底层网络类型来选择位置信息编码精度，具体推荐如表1。表1 不同底层网络的建议位置信息编码精度 底层网络类型 对应要求的位置精度范围 无线局域网 10 米级别或更高精度 蓝牙 米级别或更高精度 基于位置信息映射的IPv6编址示例见附录 A.1和A.2。位置信息的编码 6.2.1 编码算法一般要求 物联网设备在获取位置信息后，需要对位置信息进行编码。在同一个位置信息映射的IPv6网络内部，应保持位置信息编码方法的一致性。位置信息编码由位置原始数据、位置编码算法、必要的其他参数来组成。a)位置原始数据可以是二维的经纬度，也可以是三维的经度、纬度、高度数据。在室内时，也可以选择由其他坐标系规定的位置原始数据，以另外的坐标点为原点的编码方式。位置原始数据也可以是具有语义或区划含义的位置信息；b)位置编码算法定义了将位置原始数据编码的过程。位置编码算法由其他的标准另行定义，在位置信息映射的 IPv6 网络中，应保证所使用的位置编码算法的一致性；c)必要的其他参数用于规定编码精度、编码算法参数等其他一系列需要事先约定的信息。在位置信息映射的 IPv6 网络中，应保证所使用的参数都是相同的。T/ZKJXX 000222021 5 在一个位置信息映射的 IPv6 网络内部，需要保证所有这三者的一致性。位置信息编码将针对不同的应用场景，分别进行相应的编码，具体的编码方案由针对性的后续标准来进行约定。映射为IPv6全球单播地址时，位置信息编码长度不应当多于64比特。6.2.2 经纬度信息编码 对于经纬度点位置编码体系，应符合GB/T 39409的规定。在使用时，可以根据使用场景进行压缩。6.2.3 语义位置信息编码 针对语义位置信息，应符合GB/T 2260、GB/T 10114、GB/T 18521的规定。位置信息映射的 IPv6 单播地址 6.3.1 映射方法一般要求 位置编码映射到IPv6单播地址的方案，由映射位置、映射算法、映射参数来唯一指定。在同一个位置信息映射的IPv6网络中，应保证这三者都是相同的。对于不同的IPv6单播地址，位置编码映射到IPv6单播地址的位置可以有所不同。位置编码可以映射到IPv6地址的任何一个部分，将位置信息编码映射到后64比特的接口标识中时，应保证留有至少8比特的值用于产生随机性，例如，用后64比特中的前56比特作为位置信息编码，最后8比特为随机值。在同一个位置编码映射的IPv6网络中，应使用相同的映射参数。映射参数包括但不限于：映射的长度、映射算法所使用的参数如填充数据、密钥等。在同一个位置信息映射的IPv6网络中，应保证所使用的映射位置、映射算法、映射参数全部相同。6.3.2 面向唯一本地地址的映射 对于使用位置信息进行路由，可将位置信息编码映射到唯一本地地址ULA的子网前缀中。唯一本地地址为fc00:/7，第8比特为L比特，设置为1说明是本地指定的，位置编码可以映射到之后的56比特中，见图4。1111110 L 位置标识（56 比特）接口标识（Interface ID，64 比特）图4 位置信息映射到唯一本地地址中 6.3.3 映射算法的安全要求 位置编码的映射算法定义了如何将位置编码映射到IPv6地址中的方法。对于没有外在安全风险的私有网络，可以将位置编码直接嵌入到IPv6地址中。对于有安全风险的公网，应当采取加密处理，以避免位置信息泄露。如果所需要的数据长度超过了位置编码的长度，需要定义必要的填充数据。位置信息映射的 IPv6 组播地址 基于单播前缀的组播地址结构应符合RFC 3306要求，定义Reserved字段中第一比特为G比特，如果为1，表示是位置信息映射生成的组播地址，见图5。T/ZKJXX 000222021 6 8 比特 4 比特 4 比特 4 比特 108 比特 0XFF ff1 Scope ff2 Reserved Plen Network prefix Group ID 0 0 P T G 0 0 0 图5 基于位置网络前缀的 IPv6 组播地址 客户端根据定位信息所生成的位置组播地址结构包括了前缀掩码长度、基于位置生成的前缀信息和组ID，各字段含义见表2。表2 位置网络前缀组播结构各字段定义 字段 含义 0 xFF 最高 8 个比特取值为 1，表示此地址为 IPv6 组播地址 ff1 字段 占用 4 个比特。P 比特表示此 IPv6 组播地址是否为基于网络前缀的组播地址。T 比特表示是临时组播还是永久组播。Scope 字段 占用 4 个比特，表示组播组的应用范围，取值及含义如下：a)0、3、F 保留（reserved）b)1 接口本地范围（interface-local scope）c)2 链路本地范围（link-local scope）d)4 管理本地范围（admin-local scope）e)5 站点本地范围（site-local scope）f)6、7、9、AD 未分配（unassigned）g)8 机构本地范围（organization-local scope）h)E 全球范围（global scope）ff2 字段 占用 4 个比特。R 比特作为附加的标志位用于将来的赋值。Reserved 字段 占用 4 个比特。G 比特指示是否基于目标设备的位置信息生成。G 取值为 1 时，指示 IPv6组播地址是基于目标设备的位置信息生成；G 取值为 0 时，指示 IPv6 组播地址并非是目标设备的位置信息生成。Plen 字段 占用 8 个比特，表示网络前缀的有效长度。Network prefix 字段 占用 64 个比特，表示所属子网的网络前缀。当该组播地址是基于目标设备的位置生成时，该前缀表示目标设备的位置信息。Group ID 字段 占用 32 个比特，范围内唯一标识一个组播组。7 寻址与路由 网络路由 7.1.1 路由算法的一般要求 位置信息映射的IPv6网络中，既可以按照传统的路由协议进行路由，这时位置信息映射相当于实现了一种可扩展的自动地址划分方案，同时实现了更好的位置追溯功能；也可以使用位置路由协议进行路由，这时可以进一步成为自组织的IPv6网络。每个终端节点需要维护路由表，进行数据包路由，示例见附录 A.3。7.1.2 建立路由表的流程 路由表建立流程包括：T/ZKJXX 000222021 7 a)获取接口的 IPv6 地址和链路层地址；b)构建状态报告报文，周期广播发送状态报告报文，时间间隔由相应网络设置并保持一致；c)监听并接收邻居发来的状态报告报文，并记录当前时间作为该邻居的最新活跃时刻；d)对每个邻居地址，提取出地址中的位置信息。7.1.3 位置路由流程 位置路由流程包括：a)接收到数据包 P 后的路由算法如下：1)提取出数据包 P 的源地址 S，记录 S 的路由表下一跳为该数据包的来源；2)提取出数据包 P 的源地址 D，如果本机就是目标地址 D 则接收；3)如果 D 所在的子网本机可达，则直接发送给 D；4)如果在路由表中有 D 所在子网的下一跳信息，则将数据包转发给相应的下一跳；5)遍历邻居列表，如果 D 所在子网出现在邻居列表中，则转给相应的邻居；6)提取 D 中的位置信息，计算各个邻居到 D 的距离，取出其中距离最小的项，如果距离最小的项是来源节点，或者该距离大于本机到 D 的距离，则丢弃这一数据包并发送 ICMPv6 网络不可到达错误给源节点 S，否则转发该数据包给距离最小项对应的邻居节点。b)当数据包发送节点收到 ICMPv6 的不可到达信息时，将使用其他路由算法进行路由。组播路由 客户端按照位置信息，根据5.4节的方式生成位置组播地址，客户端发送组播监听发现报文加入位置组播组。组播路由器通过MLD报文可以获取所有的位置组播组，后续基于位置的应用将信息发送给该组播组即可。当设备位置变动离开时，客户端发送组播监听发现报文退出位置组播组，组播路由器将该设备信息从对应位置组播组中删除。T/ZKJXX 000222021 8 A A 附录A （资料性）基于位置信息映射的 IPv6 网络编址寻址示例 A.1 米级精度示例 在室内使用的场景下，可以使用室内自定义的坐标系。编码算法为使用第33到48比特编码米级精度下横坐标，第49到64比特编码米级精度下纵坐标。设网络设备A的位置坐标为(16米,16米)，映射到唯一本地地址中，映射算法为直接映射到前64比特的最后32比特中，后64比特全部设置为1，则其IPv6地址为“fd00:0:10:10:1/64”，其中“10”为十六进制的16。而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:10:10:2。设另一个网络设备B的位置坐标为(1米,1米)，其IPv6地址可以是“fd00:0:1:1:1/64”，而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:1:1:2。设另一个网络设备C的米级位置坐标为(8米,8米)，其IPv6地址可以是“fd00:0:8:8:1/64”，而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:8:8:2。A.2 分米级精度示例 如上例，在分米精度下，编码算法为使用第33到48比特编码横坐标，第49到64比特编码纵坐标。设网络设备A的米级位置坐标为(16米,16米)，映射到唯一本地地址中，映射算法为直接映射到前64比特的最后32比特中，后64比特全部设置为1，则其IPv6地址为“fd00:0:a0:a0:1/64”，其中“a0”为十六进制的160。而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:a0:a0:2。设另一个网络设备B的米级位置坐标为(1米,1米)，其IPv6地址可以是“fd00:0:a:a:1/64”，而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:a:a:2，其中“a”为十六进制的10。设另一个网络设备C的米级位置坐标为(8米,8米)，其IPv6地址是“fd00:0:50:50:1/64”，其中“50”为十六进制的80。而对于面向该站点范围的组播，则映射为ff35:0840:fd00:0:50:50:2。A.3 寻址与路由示例 假设(16,16)点的网络设备A向(1,1)点的设备B发送数据包，而二者之间并不直接相连，两者均与(8,8)点的网络设备C相连，则三个节点通过定期的邻居发现发现彼此的邻居。A通过路由计算，发现C与B更近，则将数据包发送给C，而C根据邻居发现B，从而将数据包转发给B。如上例，若C不与B相连，则C发现无法到达B，则发送ICMPv6网络不可到达错误给A，A在接收到这一错误后启动按需路由算法进行路由发现。若A向位置为(25,25)的网络设备发送数据包，A发现自己的邻居与(25,25)的距离均超过自己，则放弃发送，改用按需路由算法进行路由发现。T/ZKJXX 000222021 9 参考文献 1 Boucadair,M.andS.Venaas,“Updates to the IPv6 Multicast Addressing Architecture”,RFC 7371,September 2014 2 Haberman,B.and D.Thaler,“Unicast-Prefix-based IPv6 Multicast Addresses”,RFC 3306,August 2002 3 Hinden,R.and B.Haberman,“Unique Local IPv6 Unicast Addresses”,RFC 4193,October 2005 4 S.Deering,W.Fenner and B.Haberman,“Multicast Listener Discovery(MLD)for IPv6”,RFC 2710，October 1999