IPV6為下一代網絡奠定堅實的基礎

2019-11-03 08:59:44

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供稿：網友

徐貴寶

　　——ipv6地址結構體系研究的進展與地址分配策略

　　一、引言

　　下一代網絡(NGN)是以IP為中心，支持語音、數據和多媒體業務的全業務網絡。因此，IP協議的研究對下一代網絡的發展至關重要。然而，IPV4已經很難獨自擔當起支撐下一代網絡發展的重任。相對于IPv4而言，IPv6改進了許多功能，如單播和組播地址空間、任意廣播地址、分層路由的集體尋址等。通過這些改進，IPv6擴大了地址空間，提高了網絡的整體吞吐量，改善了服務質量和安全性，增強了對即插即用和移動性的支持，更好地實現了多播功能，從而使IPv6成為下一代網絡的基礎。目前，IETF及相關機構正在努力完善IPv6地址結構體系和地址分配策略，使之能更好地為下一代網絡服務。

　　二、IPv6地址結構體系研究的進展

　　RFC3513是IETF最近公布的IPv6地址結構體系，該體系取消了早期公布的RFC2373。雖然在RFC3513中保留了RFC2373的部分內容，IPv6地址仍分為單播、任播、組播三種類型，地址和地址前綴的表示方法也未變，但在其它許多方面作了重大調整。另外，IETF還在RFC3587公布了新的IPv6全球單播地址格式，并取消了RFC2374。

　　1.大大擴展了全球單播地址空間

　　在RFC3513中，IETF對IPv6的地址類型及其所占地址空間的比重進行了重新調整，調整的結果如表1所示。

表1　IPv6的地址類型及其所占地址空間的比重

地址類型	二進制前綴	IPv6符號	占地址空間的比重
不確定型	00…0(128位)	∷/128	1/2¹²⁸
環回	00…1(128位)	∷1/128	1/2¹²⁸
組播	11111111	FF00∷/8	1/256
本地鏈路單播	1111111010	FF80∷/10	1/1024
本地站點單播	1111111011	FFCO∷/10	1/1024
全球單播	（所有其他）

　　通過與RFC2373對比可知，RFC3513取消了為NSAP和IPX等保留的地址，將原來的保留地址全部劃入了全球單播地址的行列，從而大大擴展了全球單播地址的空間。

　　2.給出了新的全球單播地址格式

　　RFC3513給出了新的IPv6全球單播地址通用格式，見圖1。

n bits	m bits	128-n-m bits
全球路由前綴	子網ID	接口ID

圖1　新的IPv6全球單播地址的通用格式

　　在圖1中，全球路由前綴是分配給站點(一組子網/鏈接)的一個典型層次結構值，子網ID是一個站點內子網的標識。全球路由前綴由RIR和ISP設計為分層結構，子網域由站點管理員設計為分層結構。在RFC3513中還刪除了格式前綴(FP)這個術語，以保證執行簡便，而不需要掌握任何有全球單播格式前綴的知識。

　　由于RFC3513要求所有的單播地址(除了以二進制00O開頭的地址外)有64位接口ID并具有改進EUI-64格式的結構(以二進制000開頭的全球單播地址在接口標識大小和結構方面沒有這個限制)，即要求n+m=64，為進一步明確IPv6全球單播地址格式，RFC3587給出了新的格式，見圖2。

n bits	64-n bits	64 bits
全球路由前綴	子網ID	接口ID

圖2　RFC3587給出的IPv6全球單播地址新格式

　　RFC3513亦規定，IANA對IPv6全球單播地址的空間分配權限只局限于以二進制001開頭的地址范圍。RFC3587雖廢除了RFC2374中全球可聚集單播地址的前綴格式001，但同時又指出，只有001前綴格式供IANA分配，其余的全球單播地址空間(大約是IPv6地址空間的85%)要保留下來，以備將來定義和使用，暫時不再由IANA分配。所以，由IANA代理、與RFC3177中的建議相一致的2000∷/3前綴的全球單播地址就成了如圖3所示的格式。

3 bits	45 bits	16 bits	64 bits
001	全球路由前綴	子網ID	接口ID

圖3　IANA代理的2000∷/3前綴的IPv6全球單播地址格式

　　根據RFC3177，RFC3513和RFC3587，并結合目前LIR的分配情況，可將IANA有權分配的全球單播地址格式表示為圖4所列的形式。

3	45		16	64
001	29 bits	16 bits	16 bits	64 bits
LIR/32
客戶站點/48
子網/64
設備/128

圖4　IANA有權分配的IPv6全球單播地址格式

　　從該格式可以看出，在IANA有權分配的地址空間中，前三個比特是固定的，29比特地址空間分配給各LIR，LIR可將后面的16比特地址空間分配給客戶站點。這樣，客戶站點前綴即為48比特，并具有16比特的子網劃分空間。

　　3.進一步明確了本地使用的IPv6單播地址

　　本地使用的單播地址有兩種，分別是鏈路本地地址和站點本地地址。

　　鏈路本地地址格式見圖5。

10 bits	54 bits	64 bits
1111111010	0	接口ID

圖5　鏈路本地地址格式

　　鏈路本地地址用于單個鏈接，可進行自動地址配置、鄰居發現或在沒有路由器時進行單個鏈接編址。RFC3513規定，路由器不能轉發任何到達其他鏈路的具有鏈路本地源或目的地址的包。站點本地地址格式見圖6。

10 bits	54 bits	64 bits
1111111011	子網ID	接口ID

圖6　站點本地地址格式

　　站點本地地址用于單個站點，即用于不需要全球前綴站點的內部編址。盡管子網ID可以長達54位，但最好還是保證全球鏈接站點能在站點本地前綴和全球前綴中使用相同的子網ID。RFC3513規定，路由器不能轉發站點以外的任何具有站點本地源或目的地址的包。

　　4.鞏固了IPv4和IPv6聯合應用的基礎

　　在RFC3513進一步明確了“內嵌IPv4地址的IPv6地址”的概念?！皟惹禝Pv4地址的IPv6地址”包括“IPv4兼容的IPv6地址”和“IPv4映射的IPv6地址”?！癐Pv4兼容的IPv6地址”的格式如圖7所示。

80 bits	16 bits	32 bits
0000………………0000	0000	IPv4地址

圖7　IPv4兼容的IPv6地址格式

　　這里使用的IPv4地址必須是全球唯一IPv4單播地址?！癐Pv4映射的IPv6地址”用于代表IPv4節點的IPv6地址，其格式如圖8所示。

80 bits	16 bits	32 bits
0000………………0000	FFFF	IPv4地址

圖8　IPv4映射的IPv6地址格式

　　IPv4兼容地址和IPv4映射地址用于與傳統網絡之間的互聯互通，以使IPv4網絡和IPv6網絡之間能進行無縫通信。

　　三、地址注冊機構的IPv6地址分配策略

　　雖然新的IPv6地址結構已經發布，但還沒有相應的新的地址分配策略出臺，地址分配仍沿用按RFC3177制定的分配方法(RIPE-267)。

　　目前，IPv6的地址空間管理是按規定的等級結構在全球范圍內分配，即IANA->區域注冊機構RIR(->國家注冊機構NIR)->ISP/本地注冊機構LIR->最終用戶(或ISP)。地址分配的方法分為兩種。一種是上層注冊機構將抵制劃分給下層注冊機構進行管理，稱為分配。另一種是注冊機構將地址劃分給用戶使用，稱為指派。為了互聯網發展的長期利益，IETF將IPv6地址空間管理的目標確定為保證世界范圍內的唯一性、統一在注冊數據庫中注冊、盡最大可能保證易聚合、避免無謂的空間浪費、分配公平公正及注冊管理開銷的最小化等。上面所描述的這些管理目標經常相互沖突或與某些注冊機構(IR)個體及終端用戶的需要相沖突，故必須尋求申請者的需要與整個互聯網社區的需要之間相互平衡，并能正確地判斷出哪方面的需要更為重要。一般情況下，在IPv6地址分配策略中，聚合的目標被認為是最重要的。

　　此外，IPv6地址空間管理還要遵循如下基本原則：

　　·不能把地址空間當作私有財產。IPv6單播地址空間只能憑許可證使用而不能擁有。尤其IP地址是基于許可機制進行分配和指派的，許可證需進行周期性更新。許可證的批準取決于其初次申請或續借申請時的特殊要求。

　　·不能保證路由的可選性。即不能保證所分配的任何地址在全球范圍都能進行路由選擇。因此，要求RIR采取措施減少產生地址空間碎片的可能性，以避免路由的可選性受影響。

　　·IPv6地址空間的最小地址分配塊為32比特。RIR使用最小地址塊進行IPv6地址分配，這樣做的目的是為了使基于前綴的過濾更加容易。對于已經持有IPv6地址空間的組織，也就是那些已經按照原有分配策略獲得35比特IPv6地址的注冊機構，一般不需要提供證明文件就可以直接將他們所分配的地址擴展到32比特。該32比特地址塊包含已經分配的地址塊(多數情況下為一個或多個35比特地址塊)，RIR已經將這些地址預留給原有組織以進行后續分配。超過最小地址塊(32比特)的額外地址空間的申請需要在評估后再決定是否分配。

　　·兼顧原有IPv4基礎設施。已有的IPv4服務提供商由現有業務向IPv6過渡而申請IPv6地址空間時，可將現在IPv4客戶數一并考慮。

　　LIR在將地址空間指派給用戶時，要按照已有的RFC3177操作，即通常情況下，采用48比特進行分配，除非特大客戶；已知一個且僅有一個子網需要設計時，采用64比特進行分配；僅有一個設備連接時，采用比特進行分配。四、IPv6地址分配策略發展趨勢

　　根據最新的IPv6地質結構體系的特點，結合目前地址分配的現狀，可以看出IPv6地址分配策略正在向如下的趨勢發展：

　　1.有利于市場推廣和商業應用

　　雖然IPv6有許多IPv4所不具備的優點，但是我們也已經看到，IPv6的市場推廣工作非常令人不滿意。一方面的原因在于，IPv6并沒有為用戶帶來所期望獲得的好處：另一方面的原因也在于，在IPv6的地址申請時有較多的繁瑣細節，用戶認為暫時沒有必要去找那些麻煩。

　　正如RFC3177中指出，IPv6地址空間決不是像IPv4地址空間那樣有限，本來由于其他的原因就已經使得IPv6的市場非常低迷了，而毫無理由的保留行為更加重了其低進的程度。因此從市場前途方面來考慮，也應該使用戶或ISP很容易地獲得與他們實際所需的數量一樣多的IPv6地址，而不期望其立即使用這些地址或度量其使用效率有多么低。這樣，通過減少跟蹤和評估的緊迫性，使得注冊操作更高效、更集中。在當前的地址分配策略中(RIPE-267)中規定，分給小企業或大企業一個48比特地址，而且可以為特大客戶分一個47比特或更短前綴的地址、或者是多個48比特地址；再加上RFC3513和RFC3587這兩個文檔，用戶可以非常容易地改變ISP，在申請地址空間時也不再需要費力地闡述自己是否有正當的理由來申請這些地址。所有這些都有市場推廣和商業應用方面的考慮。

　　2.便于移動、需時即連或永遠在線

　　目前，移動通信網絡的需求已經越來越大，如移動電話、汽車辦公等等；而隨著藍芽技術等的出現，使得需時即連或永遠在線都成為可能，并已經成為網絡用戶發展的新趨勢。在RFC3177中，已經建議為移動用戶分配一個靜態64位前綴地址，以便多個設備通過一個子網進行聯接；而對于那些有需時即連或永遠在線的家庭網絡客戶則分給一個48位地址。

　　3.便于管理與應用

　　隨著網絡應用的發展，網絡規模越來越大，網絡結構也越來越復雜，即使是比較簡單的功能，實現起來可能也會由于地址結構的原因而非常繁瑣。比如，在站點從一個前綴換到另一個前綴的簡單操作(包括兩個前綴并列運行)的整個過程中，如果前綴長度不同(與站點的大小和復雜性有關)，操作就會極為復雜。而如果用戶已經采用6to4技術建立了自己的網絡，需要改變網絡前綴時，地址遷移也是一個非常復雜的工作。

　　為了盡量減少上述類似的情況發生，避免給管理和應用帶來不必要的麻煩，IETF正努力從地址劃分的技術上解決這些問題。在RFC3177中就提供了一種方法，就是將地址前綴分界固定為48比特，這樣就可以保證用戶在改變即時不需要高昂代價進行子網重構與合并。在RFC3513新給出的地址結構中，全球路由前綴使用類似CIDR的結構。而通過RFC3513和RFC3587兩個文件，使得每個用戶(除了大用戶和移動節點外，不管是公司用戶還是個人用戶)都可以獲得48比特前綴和16比特子網空間，而且還簡化多了多穴網絡和多穴主機的情形。

　　4.考慮用戶網絡的服務質量保證

　　雖然互聯網絡是一個“盡力而為”的網絡，但并不能由此就認為它不考慮對用戶的。在RIPE-267中規定，RIR必須采取措施，減少產生地址空間碎片的可能性，以免導致可路由性損失；而在IPv6地址策略中，把聚合作為最重要的目標，也正是基于這一點地考慮。目前，IETF正在尋找不過度損失路由聚集和/或最優路由選擇的方法，以解決IPv6多穴網絡的路由質量問題。

　　五、結束語

　　IPv6協議龐大的地址空間為下一代網絡的發展奠定了堅實的基礎。IETF及相關機構正在努力挖掘其巨大潛力，不斷地完善其地址結構體系和地址分配策略，使之能在市場方面取得成功，并在應用方面為用戶提供完美的服務。我們已經看到，這些努力已經取得了相當大的成績，IPv6網絡相關技術研究已經在世界范圍內轟轟烈烈地開展起來，有些國家甚至已經開始商用。我們相信，隨著IPv6技術的不斷成熟，IPv6網絡的商用化進程將會不斷加快，必將會大大地推動下一代網絡的發展。

　　
摘自　泰爾網

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