IPv4到Ipv6：互联网的发展趋势(doc17)(1)

IPv4到Ipv6:互联网的发展趋势一、概述随着互联网的迅速发展，使用Internet技术的TCP/IP协议取得了巨大的成功。但是，TCP/IP协议的研制者设有预料到Internet的规模会发展到今天这么大，从而使得现有的TCP/IP协议面临许多困难。1987年，人们便预计在1996年Internet将接入100,000个网络，这一预测看来是准确的。此外，虽然目前使用的32位IPv4地址结构能够支持40亿台主机和670万个网络，实际的地址分配效率，即使从理论上说也远远低于以上数值。使用A、B和C类地址，使这种低效率的情形变得更为严重。自八十年代后期，研究人员开始注意到了这个问题，并提出了研究下一代IP协议的设想。1990年，人们预计，按照当时的地址分配速率到1994年3月B类地址将会用尽，并提出了最简单的补救方法：分配多个C类地址以代替B类地址。但这样做也带来新的问题，即进一步增大了已经以惊人的速度增长的主干网路由器上的路由表。因此，Internet网络界面临着困难的选择，或者限制Internet的增长率及其最终规模，或者采用新的技术。1990年后期，IETF开始了一项长期的工作，选择接替现行IPv4的协议。此后，人们开展了许多工作，以解决IPv4地址的局限性，同时提供额外的功能。1991年11月，IETF组织了路由选择和地址工作组(ROAD)，以指导解决以上问题。1992年9月，ROAD工作组提出了关于过渡性的和长期的解决方案建议，包括采用CIDR路由聚集方案以降低路由表增长的速度，以及建议成立专门工作组以探索采用较大Internet地址的不同方案。1993年末，IETF成立了IPNG工作部，以研究各种方案，并建议如何开展工作。该工作部制订了IPng技术准则，并根据此准则来评价已经提出的各种方案。在经过深入讨论之后，SIPP(SimpleInternetProtocolPlus)工作组提供了一个经过修改的方案，IPng工作部建议IETF将这个方案作为IPng的基础，称为IPv6，并集中精力制定有关的文档。自1995年末起，陆续发表了IPv6规范等一批技术文档。二、IPv4和IPv6的特点比较20世纪的互联网协议随着移动互联网、语音/数据的集成以及嵌入式互连设备的快速发展，以互联网为核心的未来通信模式正在形成。到目前为止，互联网取得了巨大的成功，而这很大程度上归功于其核心通信协议IPv4的高度可伸缩性。IPv4的设计思想成功地造就了目前的国际互联网，并容纳了过去十年中网络规模的几何级数增长，其核心价值体现在简单、灵活和开放性等方面。但是，新应用的不断涌现使互联网呈现出新的特征，传统的互联网协议版本，即IPv4,已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量保证。IPv4的不足体现在以下方面：(1)有限的地址空间IPv4协议中每一个网络接口由长度为32位IP地址标识，这决定了IPv4的地址空间为232,大约理论上可以容纳43亿个主机，这一地址空间难以满足未来移动设备和消费类电子设备对IP地址的巨大需求量。加之存在地址分配的大量浪费，有预测表明，以目前Internet发展速度计算，所有IPv4地址将在2005～2010年间分配完。在二十世纪九十年代的研究人员已经意识到了IP地址空间以及分配存在的问题，并开发了一些新技术来改善地址分配和减缓IP地址的需求量，比如CIDR和NAT。这些技术一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但为基于IP的网络增加了复杂性，并且破坏了一些IP协议的核心特性，比如端到端原则，因此不能从根本上解决IPv4面对的困难。(2)路由选择效率不高IPv4的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次型的路由结构。子网和CIDR的引入提高了路由层次结构的灵活性。但由于历史的原因，IPv4地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数IP地址空间的拓扑结构只有两层或者三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。庞大的路由表增加了路由查找和存储的开销，成为目前影响提高互联网效率的一个瓶颈。同时，IPv4数据包的报头长度不固定，因此难以利用硬件对提取、分析路由信息，这对进一步提高路由器的数据吞吐率也是不利的。(3)缺乏服务质量保证IPv4遵循BestEffort原则，这一方面是一个优点，因为它使IPv4简单高效；另一方面它对互联网上涌现的新的业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体应用，这些应用要求提供一定的服务质量保证，比如带宽、延迟和抖动。研究人员提出了新的协议在IPv4网络中支持以上应用，如执行资源预留的RSVP协议和支持实时传输的RTP/RTCP协议。这些协议同样提高了规划、构造IP网络的成本和复杂性。IPv6是Internet协议的一个新版本，其设计思想是对IPv4加以改进，而不是对其进行革命性的改造。在IPv4中运行良好的功能在IPv6中都给予保留，而在IPv4中不能工作或很少使用的功能则被去掉或作为选项。为适应实际应用的要求，在IPv6中增加了一些必要的新功能。IPv6的主要特点如下：(1)经过扩展的地址和路由选择功能。IP地址长度由32位增加到128位，可支持数量大得多的可寻址节点、更多级的地址层次和较为简单的地址自动配置。改进了多目(multicast)路由选择的规模可调性，因为在多目地址中增加了一个“Scope”字段。(2)定义了任一成员(anycast)地址，用来标识一组接口，在不会引起混淆的情况下将简称“任一地址”，发往这种地址的分组将只发给由该地址所标识的一组接口中的一个成员。(3)简化的首部格式。IPv4首部的某些字段被取消或改为选项，以减少报文分组处理过程中常用情况的处理费用，并使得IPv6首部的带宽开销尽可能低，尽管地址长度增加了。虽然IPv6地址长度是IPv4地址的四倍，IPv6首部的长度只有IPv4首部的两倍。(4)支持扩展首部和选项。IPv6的选项放在单独的首部中，位于报文分组中IPv6首部和传送层首部之间。因为大多数IPv6选项首部不会被报文分组投递路径上的任何路由器检查和处理，直至其到达最终目的地，这种组织方式有利于改进路由器在处理包含选项的报文分组时的性能。IPv6的另一改进，是其选项与IPv4不同，可具有任意长度，不限于40字节。(5)支持验证和隐私权。IPv6定义了一种扩展，可支持权限验证和数据完整性。这一扩展是IPv6的基本内容，要求所有的实现必须支持这一扩展。IPv6还定义了一种扩展，借助于加密支持保密性要求。(6)支持自动配置。IPv6支持多种形式的自动配置，从孤立网络节点地址的“即插即用”自动配置，到DHCP提供的全功能的设施。(7)服务质量能力。IPv6增加了一种新的能力，如果某些报文分组属于特定的工作流，发送者要求对其给予特殊处理，则可对这些报文分组加标号，例如非缺省服务质量通信业务或“实时”服务。总之，IPv6高效的互联网引擎引人注目的是，IPv6增加了许多新的特性，其中包括：服务质量保证、自动配置、支持移动性、多点寻址（Multicast）、安全性。基于以上改进和新的特征，IPv6为互联网换上一个简捷、高效的引擎，不仅可以解决IPv4目前的地址短缺难题，而且可以使国际互联网摆脱日益复杂、难以管理和控制的局面，变得更加稳定、可靠、高效和安全。三、IPv6数据报格式IPv6数据报的首部虽然比IPv4首部长，但却大大地简化了。IPv4首部中的一些功能被放在扩展首部中或取消了。(1)版本(Version)。Internet协议版本号，IPng版本号为6。(4位字段)(2)流标号(FlowLabel)。如果一台主机要求网络中的路由器对某些报文进行特殊处理，如非缺省服务质量通信业务或实时服务，则可用这一字段对相关的报文分组加标号。(28位字段)(3)负荷长度(PayloadLength)。IPv6首部之后，报文分组其余部分的长度，以字节为单位。为了允许大于64K字节的负荷，如本字段的值为0，则实际的报文分组长度将存放在逐个路段(Hop-by-Hop)选项中。(16位无符号整数)(4)下一首部(NextHeader)。标识紧接在IPv6首部之后的下一首部的类型。下一首部字段使用与IPv4协议相同的值。(8位选择字段)(5)路径段限制(HopLimit)。转发报文分组的每个节点将路径段限制字节值减一，如果该字段的值减小为零，则将此报文分组丢弃。(8位无符号整数)(6)源地址。报文分组起始发送者的地址。(128位字段)(7)目的地址。报文分组预期接收者的地址(如果有一个可选的路由选择首部，有可能不是最终接收者)。(128位字段)在IPv6中，Internet层选项信息存放在单独的首部中，位于报文分组的IPv6首部和传送层首部之间。现已定义了几个这种扩展首部，各由一个下一首部值来标识，包括逐个路段路由选择、分片、验证、隐私权和端到端(End-to-End)等选项首部。四、目前IPv4和IPv6共存局面针对目前Internet上的各种IPv4与IPv6之间通信的情况，人们已经开发出了许多有效的过渡机制。1、IPv6的小岛之间通信的情况针对这一类问题，又可以划分多种情况：(1)手工配置多条隧道，适用于具备双协议栈的站点（sites）之间通信。所谓站点，既可以是一台主机，也可以是一系列主机。(2)自动隧道配置如TunnelBroker，适用于具备双协议站的主机之间通信。(3)6to4机制，适用于站点之间通信，为了实现这个机制，每个站点内部的主机可以仅仅配置IPv6协议栈，但是每个站点必须至少有一台6to4的路由器作为出入口，支持全球统一的6to4TLA（TopLevelAggregation）前缀格式，并实施特殊的封装和转发机制。(4)6over4机制，适用于具备双协议栈的主机之间通信。它利用IPv4的multicast机制来创建虚拟链路而不是显式的隧道。2、IPv6小岛与IPv4海洋之间通信的情况这一类问题下同样有多种情况，目前的过渡机制都是通过以下途径实现的：应用级转发；网络层翻译；为IPv6节点暂时分配IPv4地址。(1)双协议栈有限双协议栈，适用于具备双协议栈的站点的通信。(2)Socks64（Socket6to4）机制，适用于IPv6的站点和IPv4站点的通信。它实际上是一种网关的转发机制，实施socks64的网关为IPv6的节点提供分组的转发和翻译。(3)SIIT（StatelessIP/ICMPTranslator）机制，适用于IPv6的站点和IPv4站点的通信。它实际上在IPv4和IPv6的分组报头之间进行翻译，使用IPv4映射的IPv6地址进行通信。(4)NAT-PT（NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation）机制，适用于IPv6only站点和IPv4only站点之间的通信。它进行IPv6和IPv4地址之间的翻译。(5)BIS（Bump-in-the-Stack）机制，适用于具备双协议栈的主机与IPv4的世界通信。它在IPv4的协议栈中插入三个模块：域名解析器、地址映射器和翻译器。3、过渡过程的产生背景IP协议是互联网体系结构的核心，它必须具备相对的稳定性。IPv6作为InternetProtocol的新版本，其根本目的是继承和取代IPv4。因此，人们在规划IPv6的时候，就把眼光投向了包括地址在内的上述重要需求，希望能够解决这些目前已经出现和将来可能出现的问题。从IPv4到IPv6的改变将不可避免的带来Internet上新的革命，无论是硬件还是软件都将有全新的发展。但是，原有的IPv4协议已经成功的实施了将近二十年，在Internet上，甚至有许多通信协议标准比Internet还要早，Internet协议和标准化是有一个简单的原则的。只要可以应用现有的协议标准，就使用它们；只有当现有的标准不够时才制定新的协议，而且只要能够得到这些新的标准，而它们又能够提供等价的功能，就使用这些新的标准。所以IPv6协议的意图并不是排斥和避免已有的标准。它的产生只是因为传统的IPv4不能满足需要。