IPv6技术白皮书

IPv6技术白皮书（二）发布日期：2010-08-19访问次数:36字号：[大中小]第二章IPv6的产生2.1什么是IPv6协议？IPv6协议是IP协议第6版本，是作为IPv4协议的后继者而设计的新版本的IP协议。IPv6相比IPv4主要有以下一些变化：扩展的寻址能力IPv6将IP地址长度从32位扩展到128位，支持更多级别的地址层次、更多的可寻址节点数以及更简单的地址自动配置。通过在组播地址中增加一个“范围”域提高了多点传送路由的可扩展性。还定义了一种新的地址类型，称为“任意播地址”，用于发送包给一组节点中的任意一个；简化的报头格式一些IPv4报头字段被删除或变为了可选项，以减少包处理中例行处理的消耗并限制IPv6报头消耗的带宽；对扩展报头和选项支持的改进IP报头选项编码方式的改变可以提高转发效率，使得对选项长度的限制更宽松，且提供了将来引入新的选项的更大的灵活性；标识流的能力增加了一种新的能力，使得标识属于发送方要求特别处理（如非默认的服务质量获“实时”服务）的特定通信“流”的包成为可能；认证和加密能力IPv6中指定了支持认证、数据完整性和（可选的）数据机密性的扩展功能。2.2IPv6最初出现是在什么时候？导致IPv6出现的原因是什么？IETF于1992年开始开发IPv6协议，1995年12月在RFC1883中公布了建议标准（proposalstandard），1996年7月和1997年11月先后发布了版本2和2.1的草案标准（draftstandard），1998年12月发布了标准RFC2460。IPv6是为了解决现行Internet出现的问题而诞生的。现存的IPv4网络潜伏着两大危机：地址枯竭和路由表急剧膨胀。IPv6的出现将从根本上解决这些问题。IPv6继承了IPv4的优点，并根据IPv4多年来运行的经验进行了大幅度的修改和功能扩充，比IPv4处理性能更加强大、高效。与互联网发展过程中涌现的其它技术概念相比，IPv6可以说是引起争议最少的一个。人们已形成共识，认为IPv6取代IPv4是必然发展趋势，其主要原因归功于IPv6几乎无限的地址空间。2.3什么是IPng？IPng的设计目标是什么？早在20世纪90年代初期，互联网工程任务组IETF（InternetEngineeringTaskForce）就开始着手下一代互联网协议IP-thenextgeneration（IPng）的制定工作。IETF在RFC1550里进行了征求新的IP协议的呼吁，并公布了新的协议需要实现的主要目标是：·支持几乎无限大的地址空间；·减小路由表的大小；·简化协议，使路由器能更快地处理数据包；·提供更好的安全性，实现IP级的安全；·支持多种服务类型，尤其是实时业务；·支持多点传送，即支持组播；·允许主机不更改地址实现异地漫游；·支持未来协议的演变；·允许新旧协议共存一段时间；·支持未来协议的演变以适应底层网络环境或上层应用环境的变化；·支持自动地址配置；·协议必须能扩展，它必须能通过扩展来满足将来因特网的服务需求；扩展必须是不需要网络软件升级就可实现的；·协议必须支持可移动主机和网络。2.4针对IPng的设计目标有哪些提案？20世纪90年代初期，IETF提出了IPng的设计原则之后，共有如下针对IPng的提案被提出：TUBA：含有更多地址的TCP和UDP，建议采用ISO/OSI的CLNP协议来代替IPv4，这种解决方案允许用户有20字节的NSAP地址，以及一个可以使用的OSI传输协议的平台；IPv7，TP/IX，CATNIP：IPv7是1992年由RobertUllmann提出的。1993年，RFC1475进行了更详细的描述，其标题为“TP/IX：下一代的Internet”，TP/IX有64位地址。TP/IX后来演变成了RFC1707中定义的另一个协议CATNIP（CommonArchitecturefortheInternet）。该方案包含了诸如快速信息包处理和新的RAP路由协议等观点，试图为IP、CLNP和IPX等信息包定义一个统一的格式，为众多的传输协议如OSI/TP4、TCP、UDP和SPX等提供支持；IPinIP，IPAE：IPinIP是1992年提出的建议，计划采用两个IPv4层来解决互联网地址的匮乏：一层用于全球骨干网络，另一层用于某些特定的范围。到了1993年，这个建议得到了进一步的发展，名称也改为了IPAE（IPAddressEncapsulation），并且被采纳为SIP的过渡方案；SIP（SimpleIP）：由SteveDeering在1992年11月提出的，他的想法是把IP地址改为64位，并且去除IPv4中一些已经过时的字段。这个建议由于其简单性立刻得到了许多公司的支持；PIP（Paul'sInternetProtocol）：由PaulFrancis提出，PIP是一个基于新的结构的IP。PIP支持以16位为单位的变长地址，地址间通过标识符进行区分，它允许高效的策略路由并实现了可移动性。1994年9月，PIP和SIP合并，称为SIPP；SIPP（SimpleIPPlus）：试图结合SIP的简单性和PIP路由的灵活性。SIPP设计为在高性能的网络上运作，比如ATM，同时也可以在低带宽的网络上运行，如无线网络。SIPP去掉了IPv4报头的一些字段，使得报头很小，并且采用64位地址。与IPv4将选项作为IP头的基本组成部分不同，SIPP中把IP选项与报头进行了隔离。选项（如果有）将被放在报头后的数据报中并位于传输层协议头之前。使用这种方法后，路由器只有在必要的时候才会对选项头进行处理，这样就提高了对于所有数据进行处理的性能。2.5IPv6是如何成为IPng的标准的？1994年7月，IETF决定以SIPP作为IPng的基础，同时把地址数由64位增加到128位。新的IP协议称为IPv6，其版本是在1994年由IETF批准的RFC1752。制定IPv6的专家们充分总结了早期制定IPv4的经验以及互联网的发展和市场需求，认为下一代互联网协议应侧重于网络的容量和网络的性能。IPv6继承了IPv4的优点，摒弃了它的缺点。IPv6与IPv4是不兼容的，但它同所有其他的TCP/IP协议族中的协议兼容，即IPv6完全可以取代IPv4。同IPv4相比较，IPv6在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有明显的改进，是下一代互联网可采用的比较合理的协议。2.6IPv6和IPng的区别是什么？目前，国际上主要由IETF(internetengeeringtaskforce)负责IPv6的标准制定工作。IPng问题就是在IPv4的地址空间出现危机时提出的，地址即将耗尽和路由表的过度膨胀是促使IPng问题产生的直接原因。IETF的IPng工作组在1994年9月提出了一个正式的草案“TheRecommendationfortheIPNextGenerationProtocol”；1995年底确定了IPng的协议规范，分配了版本号6（版本号5已经分配给另一个草案），称为“IPversion6”（IPv6），同现在使用的版本4相区别；1998年又作了较大的改动。简单说，IPng更像是为“修订IP”而提出的一个概念性的名字，没有一个具体的协议叫做IPng，它是所有有关的下一代互联网协议的总称，而IPv6是IPng协议中的一个具体的协议。2.7为什么在IPv4后直接就用IPv6，而不是IPv5？IPv4是在20世纪80年代初期实现的，在90年代初期提出了以新的版本代替IPv4的提议，主要是为了克服IPv4的地址局限性。在1994年7月选出了继任者并命名为IPv6。作为一种网络设备地址表示的手段，IPv6是IP的有效新一代地址表示的协议。其实也有IPv5，只是IPv5已经用在TCP/IP协议族中的视频流媒体服务方面了。第三章IPv6协议技术特点3.1IPv6相对于IPv4有哪些较为显著的优势？相对于IPv4，IPv6有如下一些显著的优势：（1）地址容量大大扩展，由原来的32位扩充到128位，彻底解决IPv4地址不足的问题；支持分层地址结构，从而更易于寻址；扩展支持组播和任意播地址，这使得数据包可以发送给任何一个或一组节点；（2）大容量的地址空间能够真正的实现无状态地址自动配置，使IPv6终端能够快速连接到网络上，无需人工配置，实现了真正的即插即用；（3）报头格式大大简化，从而有效减少路由器或交换机对报头的处理开销，这对设计硬件报头处理的路由器或交换机十分有利；（4）加强了对扩展报头和选项部分的支持，这除了让转发更为有效外，还对将来网络加载新的应用提供了充分的支持；（5）流标签的使用让我们可以为数据包所属类型提供个性化的网络服务，并有效保障相关业务的服务质量；（6）认证与私密性：IPv6把IPSec作为必备协议，保证了网络层端到端通信的完整性和机密性；（7）IPv6在移动网络和实时通信方面有很多改进。特别地，不像IPv4，IPv6具备强大的自动配置能力从而简化了移动主机和局域网的系统管理。3.2报头结构3.2.1IPv6的报头结构是怎样的？新的IPv6报头的结构比IPv4简单得多，IPv6报头中删除了IPv4报头中许多不常用的域，放入了可选项和报头扩展中；IPv6中的可选项有更严格的定义。IPv4中有10个固定长度的域、2个地址空间和若干个选项，IPv6中只有6个域和2个地址空间。虽然IPv6报头占40字节，是24字节IPv4报头的1.6倍，但因其长度固定（IPv4报头是变长的），故不需要消耗过多的内存容量。IPv4中的报头长度（headerlength）、服务类型（typeofservice，TOS）、标识符（identification）、标志（flag）、分段偏移（fragmentoffset）和报头校验和（headerchecksum）这6个域被删除。报文总长（totallength）、协议类型（protocoltype）和生存时间（timetolive，TTL）3个域的名称或部分功能被改变，其选项（options）功能完全被改变，新增加了2个域，即优先级和流标签。下图为具体的IPv4与IPv6报头比较。表1IPv4包头格式4bit版本号4bit报头长度8bit服务类型16bit数据包长度标识符（16bit）标志(4bit)分段偏移（12bit）生存时间（8bit）传输协议（8bit）报头校验和（16bit）源IP地址（32bit）目的IP地址（32bit）选项（24bit）填充(8bit)表2ipv6包头格式4bit版本号4bit优先级24bit流标签净荷长度(16bit)下一报头(8bit)HOP限制(8bit)源IP地址（128bit）目的IP地址（128bit）3.3地址问题3.3.1为什么IPv6协议的地址长度是128位？有些人也许要问，IPv4地址不够用，那我在IPv4上再增加几位地址表示就行了，何必非要是IPv6的128位呢？这种提问是对芯片设计及CPU处理方式不理解造成的，同时也对未来网络的扩展没有充分的预见性。芯片设计中数值的表示我们知道是全用“0”、“1”代表，CPU处理字长发展到现在分别经历了4位、8位、16位、32位、64位等，我们知道，在计算机中，当数据能用2的指数次幂字长位的二进制数表示时，CPU对数值的处理效率最高。IPv4地址对应的是32比特字长就是因为当时的互联网上的主机CPU字长为32位。现在的64位机已十分普及，128位机正在成长中。将地址定为64位在网络扩展性上显得不足，定为其它的一个长度在硬件芯片设计、程序编制方面的效率都将下降，因此从处理效率和未来网络扩展性上考虑，将IPv6的地址长度定为128位是十分合适的。3.3.2IPv6的128位地址是一个什么概念？IPv6提供128位的地址空间，IPv6所能提供的巨大的地址容量可以从以下几个方面来说明：共有2128个不同的IPv6地址，也就是全球可分配地址数为340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,