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淺談IPv6技術

2019-11-03 09:02:14
字體：大 中 小
來源：轉載
供稿：網友
王宇


　　摘要 本文簡單介紹了ipv6的基本技術原理和特點，以及幾種IPv6的應用，同時給出了當前通用的幾種IPv4到IPv6的過渡技術和實現方法。

　　關鍵詞 互聯網協議 IPv4 IPv6

一、概述

　　IPv6 是“互聯網協議第六版”的縮寫。IPv6是由IETF設計的下一代互聯網協議，目的是取代現有的互聯網協議第四版（IPv4）。IPv4的設計思想成功地造就了目前的國際互聯網，其核心價值體現在：簡單、靈活和開放性。但隨著新應用的不斷涌現，傳統的IPv4協議已經難以支持互聯網的進一步擴張和新業務的特性，比如實時應用和服務質量保證等。其不足主要體現在以下幾方面：

　?。?）地址資源即將枯竭：IPv4提供的IP地址位數是32位，也即1億個左右的地址。隨著連接到Internet上的主機數目的迅速增加，有預測表明，所有IPv4地址將在2005～2010年間分配完畢。

　　（2）路由表越來越大：由于IPv4采用與網絡拓撲結構無關的形式來分配地址，所以隨著連入網絡數目的增漲，路由器數目飛速增加，相應地，決定數據傳輸路由的路由表也就不斷增大。

　　（3）缺乏服務質量保證：IPv4遵循Best Effort原則，這一方面是一個優點，因為它使IPv4簡單高效；但另一方面它對互聯網上涌現出的新業務類型缺乏有效的支持，比如實時和多媒體應用，這些應用要求提供一定的服務質量保證，如帶寬、延遲和抖動等。

　?。?）地址分配不便：IPv4是采用手工配置的方法來給用戶分配地址，這不僅增加了管理和規劃的復雜程度，而且不利于為那些需要IP移動性的用戶提供更好服務。

　　IPv6能夠解決IPv4的許多問題，如地址短缺、服務質量保證等。同時，IPv6還對IPv4作了大量的改進，包括路由和網絡自動配置等。IPv6和IPv4將在過渡期內共存幾年，并由IPv6漸漸取代IPv4。

二、IPv6核心技術

　　在地址長度上，IPv6與IPv4相比，很明顯的一個改善就是IPv6的128位地址長度可以提供充足的地址空間，同時它還為主機接口提供不同類型的地址配置，其中包括：全球地址、全球單播地址、區域地址、鏈路本地地址、地區本地地址、廣播地址、多播群地址、任播地址、移動地址、家鄉地址、轉交地址等。IPv6的另一個基本特性是它支持無狀態和有狀態兩種地址自動配置的方式。其中無狀態地址自動配置方式是：需要配置地址的節點使用一種鄰居發現機制獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它使用另一種即插即用的機制，在沒有任何人工干預的情況下，獲得一個全球唯一的路由地址。另外IPv6還在以下幾方面表現出很高的特性。

　　1. 服務質量方面

　　IPv6數據包的格式包含一個8位的業務流類別（Class）和一個新的20位的流標簽（Flow Label）。它的目的是允許發送業務流的源節點和轉發業務流的路由器在數據包上加上標記，中間節點在接收到一個數據包后，通過驗證它的流標簽，就可以判斷它屬于哪個流，然后就可以知道數據包的QoS需求，并進行快速的轉發。附表為IPv4與IPv6數據包格式的比較：

　　2. 安全方面

　　在安全性方面，IPv6與IP安全性（IPSec）機制和服務更加緊密結合。雖然兩種IP標準目前都支持IPsec（IP安全協議），但是IPv6是將安全作為自身標準的有機組成部分，安全的部署是在更加協調統一的層次上，而不像IPv4那樣通過疊加的解決方案來實現安全。通過IPv6中的IPsec可以對IP層上（也就是運行在IP層上的所有應用）的通信提供加密/授權，可以實現遠程企業內部網（如企業VPN網絡）的無縫接入，并且可以實現永遠連接。除了這一強制性安全機制外，IPSec還提供兩種服務。認證報頭（AH）用于保證數據的一致性，而封裝的安全負載報頭（ESP）用于保證數據的保密性和數據的一致性。在IPv6包中，AH和ESP都是擴展報頭，可以同時使用，也可以單獨使用其中一個。作為IPSec的一項重要應用，IPv6集成了虛擬專網（VPN）的功能。

　　3. 移動IPv6方面

　　移動性無疑是互聯網上最精彩的服務之一。移動IPv6協議為用戶提供可移動的IP數據服務，讓用戶可以在世界各地都使用同樣的IPv6地址，非常適合未來的無線上網。

　　IPv6中的移動性支持是在制訂IPv6協議的同時作為一個必需的協議內嵌在IP協議中的。不同于IPv4的移動性支持是作為一種對IP協議附加的功能提出的，不是所有的IPv4實現都能夠提供對移動性的支持，其效率沒有移動IPv6高。更重要的是，IPv4有限的地址空間資源無法提供所有潛在移動終端設備所需的IP地址，難以實現移動IP的大規模應用。和IPv4相比，IPv6的移動性支持取消了異地代理，完全支持路由優化，徹底消除了三角路由問題，并且為移動終端提供了足夠的地址資源，使得移動IP的實際應用成為可能。

　?。╝）當移動節點處于本地網絡時，通過接收本地網絡上路由器的路由器通告來進行地址配置；獲取網絡參數。

　　（b）當移動節點接入異地網絡后，不再收到來自本地網絡的路由器通告；而是收到來自異地網絡上路由器的路由器通告，移動節點利用接收到的異地網絡路由器通告進行移動檢測。

　?。╟）移動節點配置好在異地網絡的轉交地址后，就向本地代理發送綁訂更新報文，通知其自己的轉交地址，并注冊。

　?。╠）移動節點同時向通信節點發送綁訂更新報文，通知其自己的轉交地址。

　?。╡）這樣，本地代理就可以通過隧道的方式向移動節點轉發來自通信節點的報文。

　?。╢）如果通信節點通過接收來自移動節點的綁定更新，獲取了移動節點的轉交地址，則可以直接與移動節點通信，而無需通過本地代理，實現路由優化。

　　4. 組播技術

　　組播是一種允許一個或多個發送者（組播源）發送單一的數據包給多個接收者（一次的，同時的）的網絡技術，它適用于一點到多點或多點到多點的數據傳輸業務。組播實現的基本原則是：依托IP協議完成組播，IP組播強制網絡在數據分發樹的分叉處進行信息包的復制。IP組播的實現包括三個部分：尋址、組播成員管理和組播路由協議。

　　組播尋址：IPv6為組播預留了一定的地址空間，其地址高8位為"11111111"，后跟120位組播組標識。此地址僅用作組播數據包的目標地址，組播源地址只能是單播地址。發送方只需要發送數據給該組播地址，就可以實現對多個不同地點用戶數據的發送，而不需要了解接收方的任何信息。

　　組播成員管理：組播使用IGMP（Internet Group Manager PRotocol）協議實現用戶的動態注冊過程。在主機與組播路由器之間通過IGMP協議建立并維護組播組成員的關系。組播轉發路由器通過IGMP協議了解其在每個接口連接的網段上是否存在某個組播組的接收者，即組成員。如果出現成員，組播路由器將組播數據包轉發到這個網段；如果沒有則停止轉發或不轉發，以節省帶寬。

　　組播路由協議：組播路由協議的作用是建立和維護組播路由表，以充分利用帶寬。組播路由協議分為兩種類型：密集模式和稀疏模式。密集模式組播路由協議指組播成員在整個網絡上密集分布，即許多子網至少包含一個成員，帶寬充裕，但其不適用于規模大的適用于組播成員在網絡中稀疏分布，且未必有充裕帶寬可用的網絡。

三、IPv4到IPv6的過渡技術

　　如何完成從IPv4到IPv6的轉換是IPv6發展中需要解決的第一個問題。目前，IETF已經成立了專門的工作組，研究IPv4到IPv6的轉換問題，并且提出了很多方案，主要包括以下幾個類型：

　　1. 網絡過渡技術

　?。╨）隧道技術：隨著IPv6網絡的發展，出現了許多局部的IPv6網絡，利用隧道技術可以通過現有的運行IPv4協議的Internet骨干網絡（即隧道）將局部的IPv6網絡連接起來，因而是IPv4向IPv6過渡的初期最易于采用的技術。隧道技術的方式為：路由器將IPv6的數據分組封裝入IPv4，IPv4分組的源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的IPv4地址。在隧道的出口處，再將IPv6分組取出轉發給目的站點。

　?。?）網絡地址轉換/協議轉換技術：網絡地址轉換/協議轉換技術NAT-PT（Network Address Translation - Protocol Translation）通過與SIIT協議轉換和傳統的IPv4下的動態地址翻譯（NAT）以及適當的應用層網關（ALG）相結合，實現了只安裝了IPv6的主機和只安裝了IPv4機器的大部分應用的相互通信。

　　2. 主機過渡技術

　　IPv6和IPv4是功能相近的網絡層協議，兩者都基于相同的物理平臺，而且加載于其上的傳輸層協議TCP和UDP又沒有任何區別?？梢钥闯觯绻慌_主機同時支持IPv6和IPv4兩種協議，那么該主機既能與支持IPv4協議的主機通信，又能與支持IPv6協議的主機通信，這就是雙協議棧技術的工作機理。

　　3. 應用服務系統（DNS）過渡技術

　　在IPv4到IPv6的過渡過程中，作為Internet基礎架構的DNS服務也要支持這種網絡協議的升級和轉換。IPv4和IPv6的DNS記錄格式等方面有所不同，為了實現IPv4網絡和IPv6網絡之間的DNS查詢和響應，可以采用應用層網關DNS-ALG結合NAT-PT的方法，在IPv4和IPv6網絡之間起到一個翻譯的作用。例如，IPv4的地址域名映射使用“A”記錄，而IPv6使用“AAAA”或“A6”記錄。那么，IPv4的節點發送到IPv6網絡的DNS查詢請求是“A”記錄，DNS-ALG就把“A”改寫成“AAAA”，并發送給IPv6網絡中的DNS服務器。當服務器的回答到達DNS-ALG時，DNS-ALG修改回答，把“AAAA”改為“A”，把IPv6地址改成DNS-ALG地址池中的IPv4轉換地址，把這個IPv4轉換地址和IPv6地址之間的映射關系通知NAT-PT，并把這個IPv4轉換地址作為解析結果返回IPv4主機。IPv4主機就以這個IPv4轉換地址作為目的地址與實際的IPv6主機通過NAT-PT通信。

　　上述技術很大程度上依賴于從支持IPv4的互聯網到支持IPv6的互聯網的轉換，我們期待IPv4和IPv6可在這一轉換過程中互相兼容。目前，6to4機制便是較為流行的實現手段之一。

四、幾種IPv6應用介紹

　　從語音、數據到視頻，從對現有網絡應用更卓越的支持與改善，到IPv6獨具特色的創新業務，IPv6帶給我們的全方位、高品質的應用與服務前景是美妙而廣闊的。以下簡單介紹幾種IPv6的應用：

　　1. 視頻應用

　　IPv6對于視頻應用的意義在于：解決了地址容量問題，優化了地址結構以提高選路效率，提高了數據吞吐量，以適應視頻通信大信息量傳輸的需要。IPv6還加強了組播功能，實現基于組播、具有網絡性能保障的VC視頻會議、高清晰度數字電視、VOD視頻點播、網絡視頻監控應用。這是只有高帶寬、高性能的下一代互聯網才能支持的典型應用，具有交互協同技術特性。IPv6對于IPv4的最大革新之處在于它對于QoS的考慮，對各種多媒體信息根據緊急性和服務類別確定數據包的優先級。此外，IPv6采用必選的IPSec很好地保證了網絡的安全性。

　　2. 移動智能終端應用

　　傳統的移動通信技術主要是為了支撐話音業務，雖然隨著用戶需求的提出和技術的發展，目前已經有了基于WAP或GPRS提供IP業務的蜂窩電話產品，但是現有的技術遠遠無法滿足未來通信的需要，第三代移動通信將采用分組交換的設備來代替電路交換設備，IP業務將是第三代移動通信業務中的重要組成部分。

　　由于IP的諸多優點和全球IP浪潮的影響，3G演變為全IP的趨勢越來越明顯。作為移動通信的核心，3G為了滿足始終在線的需求，需要很大的地址空間，只有IPv6才能滿足這種需求。3GPP RAN WG3已經要求，對于Iu、Iub以及Iur接口，如果要提供IP傳輸，則UTRAN節點必須支持IPv6，對IPv4的支持則是可選的。

　　3G的發展方向將是一個全IP的分組網絡，3G業務將以數據和互聯網業務為主，在3G網絡上將承載著實時話音、移動多媒體、移動電子商務等多種業務，因此在計費、漫游、應用、終端等方面會更加復雜，IPv6將是實現這些服務的關鍵。如果說3G的發展推動了IPv6的發展和標準化，那么IPv6協議的諸多優越特性則為3G網絡的發展奠定了堅實的基礎，IPv6有龐大的地址空間、對移動性有良好的支持、有服務質量的保證機制、安全性和地址自動分配機制等。3GPP將IPv6作為3G必須遵循的標準，國內外很多通信廠商正致力于構建基于IPv6的全IP的3G核心網（All-IP Core）。

　　3. 無線網絡應用

　　 最近，無線網絡WLAN在中國的熱點地區漸成亮點，隨著網絡技術和業務的發展，人們將會提出多種接入方式無縫互連的要求，即忽略藍牙、無線局域網和廣域網（GSM/CDMA）之間的技術差異，使得在不同網絡環境下用戶的連接和所使用的業務不會中斷，真正實現不間斷的連接。采用移動IPv6將使這一目標的實現更加容易。

　　實現用戶通信的同一性：目前一個人擁有多個不同類型的終端（如手機、PDA、筆記本電腦等）的現象已不鮮見，這些終端普遍都有上網功能，但這些終端的上網是互不相干的，通信的內容、方式也因終端而異。然而從用戶的角度來看，實現通信的同一性是至關重要的，未來用戶應該只關注自己的應用而將終端淡化成一種手段，而以IPv6大量的地址資源和其它先進的性能做基礎，完全可以實現通信的同一性。

　　實現多種接入方式的無縫互聯：未來各種接入網技術仍然共存，如在PAN中采用藍牙技術、LAN中采用無線局域網（802.11）、WAN中采用WCDMA/GSM等，而無線技術最終將使人們忽略接入技術的不同而實現隨時隨地的網絡連接，用戶能夠使用一種多模的終端來通過全球移動網絡以及有限范圍的WLAN或藍牙系統來接入IP網絡或因特網，用戶從某種接入技術覆蓋的區域移動到另外一種接入技術覆蓋的區域時仍然能夠保持不間斷的連接。

五、總結與展望

　　業界的一種觀點認為，未來的網絡將是全IP網絡，全IP能無縫集成各種接入方式，將寬帶、移動因特網和現有的無線系統都集成到IP層中，通過一種網絡基礎設施提供所有通信服務，并為運營商帶來許多好處，如節省成本、增強網絡的可擴展性和靈活性、提高網絡運作效率、創造新的收入機會等等。要實現全IP網絡，采用移動IPv6是最基本的要求。

　　在電信網方面，越來越多的人認為未來的電信網絡是基于IP技術的網絡。IP電信網和傳統的電信網絡存在很大的不同，其力圖將自由的IP網絡變成有序的、可管理的、有QoS保障的，以提供增值業務為主的網絡。在組建IP電信網時，IPv6是首選的技術之一。

　　除此之外，在線游戲，網絡家電，智能終端的不斷發展也會是IPv6應用的一個有力的推動因素。總之，要提供whoever、whenever、whereever始終在線的服務，只有IPv6才能滿足要求。

　　隨著我國大規模IPv6網絡部署的全面展開，可以預見的是：IPv6關鍵技術研究、重大應用示范以及應用推廣亦將于2004年到2005年陸續啟動并全面鋪開。中國將在全球IPv6的部署進程中發揮越來越重要的作用。將于2004年4月在北京召開的第三屆全球IPv6高峰論壇的主題就是：中國--IPv6引擎。我們完全有理由相信，屆時，IPv6產業界的支持者和推動者們將會分享到更多和更新的IPv6網絡部署以及應用探索的實踐成果與經驗。


----《中國數據通信》

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