下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議—IPv6

1、引言

互聯(lián)網(wǎng)給人們的生活帶來了巨大的變化，它的影響已經(jīng)滲透到社會的各個方面，已經(jīng)成為國家信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的重要部分，并產(chǎn)生了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，基于IPv4的互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中越來越暴露出其不足之處。主要包括4個方面。

（1）有限的地址空間

在IPv4協(xié)議中，每一個網(wǎng)絡(luò)接口由長度為32位的IP地址標(biāo)識，這決定了IPv4的地址空間在理論上可以容納43億個主機(jī)，這一地址空間難以滿足未來移動設(shè)備和消費(fèi)類電子設(shè)備對IP地址的巨大需求。

（2）路由選擇效率不高

IPv4的地址由網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)地址兩部分構(gòu)成，以支持層次型路由結(jié)構(gòu)。IPv4地址的層次結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一的分配和管理，導(dǎo)致主干路由器中存在大量的路由表項(xiàng)。龐大的路由表增加了路由查找和存儲的開銷，成為目前影響提高互聯(lián)網(wǎng)效率的一個瓶頸。

（3）IPv4的安全性

網(wǎng)絡(luò)對凈荷數(shù)據(jù)的加密、凈荷的數(shù)字簽名、密鑰交換、實(shí)體的身份驗(yàn)證和資源的訪問控制一般由較高層處理，盡管數(shù)據(jù)本身是加密的，但攜帶它的IP數(shù)據(jù)仍會泄漏參與處理的進(jìn)程和系統(tǒng)的信息。

（4）其他問題

如配置復(fù)雜，對移動性支持不好，很難開展端到端的業(yè)務(wù)等。

這些問題已經(jīng)成為制約互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要障礙，只有通過下一代互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)才能徹底、有效地解決上述問題。

2、下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議——IPv6

為了徹底地解決IPv4協(xié)議存在的問題，IETF開始研發(fā)用來替代現(xiàn)行IPv4協(xié)議的一種新的協(xié)議即IPv6（Internet Protocol version 6），也被稱為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。IPv6繼承了IPv4的優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)IPv4 30年來的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了大幅度的修改和功能擴(kuò)充，取代IPv4，成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的主導(dǎo)協(xié)議。與IPv4相比，IPv6主要有如下改進(jìn)。

（1）IPv6提供巨大的地址空間

IPv6提供的地址長度由：IPv4的32 bit擴(kuò)展到128 bit。據(jù)預(yù)測，即使為每個移動電話都分配一個IP地址，IPv6提供的地址空間仍可以在2020年之前滿足互聯(lián)網(wǎng)的增長需求。

（2）IPv6具有與網(wǎng)絡(luò)適配的層次地址

IPv6采用類似CIDR的地址聚類機(jī)制層次的地址結(jié)構(gòu)。為支持更多的地址層次，網(wǎng)絡(luò)前綴可以分為多個層次，其中包括13 bit的TLA-ID、24 bit的NLA-ID和16 bit的SLA-ID。一般來說，IPv6的管理機(jī)構(gòu)對TLA的分配進(jìn)行嚴(yán)格管理，只將其分配給大型骨干網(wǎng)的ISP，然后骨干網(wǎng)ISP再可以靈活地為各個地區(qū)中、小ISP分配NLA，最后用戶從中、小ISP獲得地址。這樣不僅可以定義非常靈活的地址層次結(jié)構(gòu)，而且同一層次上的多個網(wǎng)絡(luò)在上層路由器中表示為一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)前綴，明顯減少了路由器必須維護(hù)的路由表項(xiàng)。

另外，IPv6在基本報(bào)頭之后還可以附加不同類型的擴(kuò)展報(bào)頭，這為定義可選項(xiàng)以及增加如下新功能提供了靈活性。

1）任播（Anycast）功能：Anycast是指向提供同一服務(wù)的所有服務(wù)器都能識別的通用地址發(fā)送IP分組，路由控制系統(tǒng)將該分組送至最近的服務(wù)器。例如，利用Anycast可以訪問離用戶最近的DNS和文件服務(wù)器等。這種服務(wù)有點(diǎn)像中國電信的114查號臺，只要撥通114，空閑的話務(wù)員立即作出應(yīng)答。

2）即插即用（Plug and Play）功能：在大規(guī)模的IPv4網(wǎng)絡(luò)中，管理員為每個主機(jī)手工配置IP。在IPv6中，端點(diǎn)設(shè)備可以將路由器發(fā)來的網(wǎng)絡(luò)前綴和本身的鏈路地址（即網(wǎng)卡地址）綜合，自動生成自己的IP地址，用戶不需要任何專業(yè)知識，只要將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)即可得到服務(wù)，這就是即插即用。它為基于IP的第三代移動通信和未來家電上網(wǎng)提供了方便。

3）安全功能：IPv6規(guī)定了“認(rèn)證頭標(biāo)（AuthenticationHeader）”和“封裝安全凈荷（ESP，Encapsu lation Security Pay-load）”來保證信息在傳輸中的安全。出于應(yīng)用考慮，IPv4的部分應(yīng)用中也被加入了IPSec，但是它不在IPv4協(xié)議棧中，是作為補(bǔ)丁的形式出現(xiàn)的，加上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，上層協(xié)議和應(yīng)用很難充分地利用這個措施來實(shí)現(xiàn)有效的安全控制。IPv6中IPSec被作為協(xié)議必須實(shí)現(xiàn)的一部分，可以為上層協(xié)議和應(yīng)用程序提供嚴(yán)格端到端的安全服務(wù)。

4）提供更高的服務(wù)質(zhì)量保證：IPv6數(shù)據(jù)包的格式包含一個8 bit的業(yè)務(wù)流類別（Class）和一個新的20 bit的流標(biāo)簽（Flow Label）。它的目的是允許發(fā)送業(yè)務(wù)流的源節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流的路由器在數(shù)據(jù)包上加上標(biāo)記，并進(jìn)行除默認(rèn)處理之外的不同處理。一般來說，在所選擇的鏈路上，可以根據(jù)開銷、帶寬、延時或其他特性對數(shù)據(jù)包進(jìn)行特殊處理。

3、從IPv4向IPv6的過渡策略

從IPv4向IPv6演進(jìn)不可能瞬間完成，必須是一個長期的、階段性的事件。首先，IPv6協(xié)議基本是對IPv4兼容的，在大部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，兩者是可以共存的，在很多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中也是可以通過某種機(jī)制進(jìn)行互通。因此，從IPv4向IPv6演進(jìn)將是一個長期、漸進(jìn)的工作。演進(jìn)的研究重點(diǎn)是如何在現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)向IPv6網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)過渡。

3.1　過渡策略的主要目標(biāo)

考慮到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)需求，在進(jìn)行IPv4向IPv6過渡策略的設(shè)計(jì)中，必須著重考慮如下方向性問題，也就是過渡策略所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)。

（1）逐步演進(jìn)、相互滲透、長期共存。過渡方式應(yīng)該是逐步的、漸進(jìn)性的，保護(hù)IPv4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資，確保在一個相當(dāng)長的時間內(nèi)，IPv4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在過渡時期中正常地獨(dú)立使用，并且可以與IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互連互通，互操作。

（2）地址兼容。當(dāng)IPv4網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)到IPv6時，IPv4的IP地址還可以繼續(xù)使用。

（3）降低費(fèi)用。在IPv4向IPv6過渡過程中，升級的費(fèi)用應(yīng)盡可能地低，過渡技術(shù)應(yīng)盡可能地簡單。這樣，才可能盡快地吸引廣大用戶主動向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡。

3.2　基本過渡策略

IETF的Ngtrans工作組針對IPv4向IPv6過渡的主要目標(biāo)，提出了一系列的相關(guān)解決方案。其中，具有代表性的解決方案有3種：雙協(xié)議棧方式、協(xié)議翻譯、隧道方式。

（1）雙協(xié)議棧方式

雙協(xié)議棧方式是指在節(jié)點(diǎn)中同時具有IPv4協(xié)議棧和IPv6協(xié)議棧，主機(jī)根據(jù)目的IP地址來決定采用IPv4還是IPv6協(xié)議發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。

雙協(xié)議棧是目前運(yùn)行最廣泛的過渡機(jī)制，不過雙協(xié)議棧只允許相同IP版本之間的通信，即IPv4和IPv4之間的通信，或IPv6和IPv6之間的通信，不同版本IP之間的通信需要通過協(xié)議翻譯來完成。在IPv4到IPv6的過渡初期，絕大多數(shù)終端或路由器都是純IPv4節(jié)點(diǎn)（只實(shí)現(xiàn)了IPv4協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)）或雙協(xié)議棧節(jié)點(diǎn)；在過渡中期，雙協(xié)議棧節(jié)點(diǎn)或純IPv6節(jié)點(diǎn)將是主要的通信實(shí)體；到過渡后期，所有接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備基本上都是純IPv6節(jié)點(diǎn)（只實(shí)現(xiàn)了IPv6協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)）。

（2）協(xié)議翻譯

目前最有名的協(xié)議翻譯機(jī)制是NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation）。NAT-PT為IPv6主機(jī)提供臨時使用的IPv4地址，通過與SIIT（Stateless IP/ICMP）協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳統(tǒng)的IPv4下的動態(tài)地址翻譯（NAT）以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層網(wǎng)關(guān)（ALG）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了只安裝IPv6的主機(jī)和只安裝IPv4的主機(jī)的大部分應(yīng)用的相互通信。NAT-PT還可以支持應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的功能，對IPv4或IPv6的DNS請求和應(yīng)答包以及FTP數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于IPv4地址的匱乏，NAT廣泛運(yùn)行于目前的IPv4互聯(lián)網(wǎng)�？梢詫�NAT升級成NAT-PT，使IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)IPv4向IPv6的平滑過渡。

（3）隧道方式

隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多局部的IPv6網(wǎng)絡(luò)，要將這些孤立的“IPv6島”相互聯(lián)通，必須使用隧道技術(shù)。隧道是將IPv6分組封裝在IPv4中，然后在隧道的另一端封裝。隧道的起點(diǎn)可以是GGSN、邊緣路由器或者終端；終點(diǎn)可以是IPv6主機(jī)或者IPv6網(wǎng)絡(luò)邊緣上的路由器。隧道要求在封裝/解封裝節(jié)點(diǎn)中支持雙IPv4/IPv6棧功能。利用隧道技術(shù)，可以通過現(xiàn)有的運(yùn)行IPv4協(xié)議的Internet骨干網(wǎng)絡(luò)（即隧道）將局部的IPv6網(wǎng)絡(luò)連接起來，因而是IPv4向IPv6過渡初期最易于采用的技術(shù)。

4、IPv6前景展望

利用IPv6技術(shù)構(gòu)建下一代網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺，可以開展諸如網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、VoIP、多點(diǎn)視頻會議、DVTS高清晰度傳輸系統(tǒng)等多項(xiàng)新型業(yè)務(wù)，也可以實(shí)現(xiàn)與移動通信、信息家電等多種應(yīng)用的融合。而且，IPv6可以為每個設(shè)備或終端都提供全球惟一的地址，可以保證端到端的通信，因而與端到端的業(yè)務(wù)模式是相適應(yīng)的。同時，網(wǎng)絡(luò)平臺針對傳統(tǒng)業(yè)務(wù)以及新型的端到端業(yè)務(wù)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商所關(guān)注的集中和安全管理的要求。更為重要的是，可以使目前的絕大多數(shù)IPv4用戶都能獲得IPv6地址，實(shí)現(xiàn)了IPv4用戶對IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫訪問。總之，IPv6技術(shù)為未來網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了一個基礎(chǔ)，而未來的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的一個重要特征就是機(jī)對機(jī)的時代，P2P將會成為主流應(yīng)用模式，因此不僅要發(fā)展IPv6技術(shù)本身，而且要看到IPv6所帶來的新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

5、結(jié)束語

IPv6是一門新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域內(nèi)新技術(shù)的發(fā)展，這一新技術(shù)將會逐漸為人們所接受。要徹底解決IP地址資源不足的問題，發(fā)展IPv6是最理想的方案。盡管IPv6的實(shí)際應(yīng)用仍需時日，但I(xiàn)Pv6正在加快步伐向前推進(jìn)，取代IPv4已是必然。

來源：全球IP通信聯(lián)盟