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IPV6:下一代互联网的基石
发布日期: 2016-03-16 浏览次数: 保护色: 字号:[ ]
第一版 引言

本文地址:http://www.tonyrameymusic.com/art/2016/3/16/art_5538_112082.html
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  随着固定宽带、3G网络、智能手机、平板电脑在人们日常生活中的普及,互联网所能带来的便利深入人心,但上述场景现在看来似乎只是美好的设想。

  事实上,随着下一代移动互联网发展大局的拉开,这一切都有可能在不远的将来成为现实。而IPv6正是下一代互联网的起点。

第二版  背景

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  目前我们使用的第二代互联网IPv4技术,核心技术属于美国。它的最大问题是网络地址资源有限,从理论上讲,编址1600万个网络、40亿台主机。但采用A、B、C三类编址方式后,可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣,以至目前的IP地址近乎枯竭。其中北美占有3/4,约30亿个,而人口最多的亚洲只有不到4亿个,中国只有3千多万个,只相当于美国麻省理工学院的数量。地址不足,严重地制约了我国及其他国家互联网的应用和发展。

  一方面是地址资源数量的限制,另一方面是随着电子技术及网络技术的发展,计算机网络将进入人们的日常生活,可能身边的每一样东西都需要连入全球因特网。在这样的环境下,IPv6应运而生。单从数字上来说,IPv6所拥有的地址容量是IPv4的约8×10^28倍,达到2^128-1个。这不但解决了网络地址资源数量的问题,同时也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。

  但是与IPv4一样,IPv6一样会造成大量的IP地址浪费。准确的说,使用IPv6的网络并没有2^128-1个能充分利用的地址。首先,要实现IP地址的自动配置,局域网所使用的子网的前缀必须等于64,但是很少有一个局域网能容纳2^64个网络终端;其次,由于IPv6的地址分配必须遵循聚类的原则,地址的浪费在所难免。

  但是,如果说IPv4实现的只是人机对话,而IPv6则扩展到任意事物之间的对话,它不仅可以为人类服务,还将服务于众多硬件设备,如家用电器、传感器、远程照相机、汽车等,它将是无时不在,无处不在的深入社会每个角落的真正的宽带网。而且它所带来的经济效益将非常巨大。

  当然,IPv6并非十全十美、一劳永逸,不可能解决所有问题。IPv6只能在发展中不断完善,也不可能在一夜之间发生,过渡需要时间和成本,但从长远看,IPv6有利于互联网的持续和长久发展。 目前,国际互联网组织已经决定成立两个专门工作组,制定相应的国际标准。

第三版  IPv6定义和特点

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  IPv6是"Internet Protocol Version 6"的缩写,也被称作下一代互联网协议,它是由IETF设计的用于替代现行版本(IPv4)的一种新的IP协议。现在的互联网大多数应用的是IPv4协议,但IPv4协议已经使用了20多年,随着Internet的发展,IPv4已经暴露出了许多问题,而其中最重要的一个问题就是IP地址资源的短缺。为了彻底解决IPv4存在的问题,IETF从1995年开始就着手研究开发下一代IP协议,即IPv6。IPv6具有长达128位的地址空间,可以彻底解决IPv4地址不足的问题,IPv6还采用了分级地址模式、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外,在IPv6的设计过程中还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题,主要有端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。

  目前全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议,是TCP/IP协议族的核心协议。   

  由于IPv4已经耗尽,IPv6已经渐渐进入过度阶段。IPv6正处在不断发展和完善的过程中,它在不久的将来将取代目前被广泛使用的IPv4。每个人将拥有更多IP地址。

  IPv6 - 特点和优势

  特点

  (1)IPV6地址长度为128比特,地址空间增大了2的96次方倍;

  (2)灵活的IP报文头部格式。使用一系列固定格式的扩展头部取代了IPV4中可变长度的选项字段。IPV6中选项部分的出现方式也有所变化,使路由器可以简单路过选项而不做任何处理,加快了报文处理速度;

  (3)IPV6简化了报文头部格式,字段只有8个,加快报文转发,提高了吞吐量;

  (4)提高安全性。身份认证和隐私权是IPV6的关键特性;

  (5)支持更多的服务类型;

  (6)允许协议继续演变,增加新的功能,使之适应未来技术的发展;

  与IPV4相比,IPV6具有以下几个优势:

  (1)IPv6具有更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32,即有2^32-1(符号^表示升幂,下同)个地址;而IPv6中IP地址的长度为128,即有2^128-1个地址。

  (2)IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类(Aggregation)的原则,这使得路由器能在路由表中用一条记录(Entry)表示一片子网,大大减小了路由器中路由表的长度,提高了路由器转发数据包的速度。

  (3)IPv6增加了增强的组播(Multicast)支持以及对流的支持(Flow Control),网络博彩公司:这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会,为服务质量(QoS,Quality of Service)控制提供了良好的网络平台。

  (4)IPv6加入了对自动配置(Auto Configuration)的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展,使得网络(尤其是局域网)的管理更加方便和快捷。

  (5)IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验,极大的增强了网络的安全性。

第四版 IPv6地址的结构分类

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  IPv6地址可分为三种:

  IPv6的地址格式与IPv4不同,取消了IPv4地址分类的概念。IPv6的地址长度为128位,由8个地址节组成,每节包含16个地址位,地址节以4个十六进制数表示,地址节之间用冒号分隔,例如:B91C:FA81:FFFF:DE00:5564:9881:AACC:B48C。

  IPv6中地址有三种类型:单点传送(Unicast)、多点传送(Multicast)、任意点传送(Anycast),也有文献称之为单播、组播、泛播地址。所有类型的IPv6地址都是属于接口(Interface)而不是节点(node)。

  单播(unicast)地址

  单播地址标示一个网络接口。协议会把送往地址的分组投送给其接口。IPv6的单播地址可以有一个代表特殊地址名字的范畴,如link-local地址和唯一区域地址(ULA,unique local address)。单播地址包括可聚类的全球单播地址、链路本地地址等。

  任播(anycast)地址

  任播地址也称泛播地址,任播地址用于指定给一群接口,通常这些接口属于不同的节点。若分组被送到一个任播地址时,则会被转送到成员中的其中之一。通常会根据路由协定,选择"最近"的成员。任播地址通常无法轻易分别:它们拥有和正常单播地址一样的结构,只是会在路由协定中将多个节点加入网络中。任播地址从单播地址中分配。

  多播(multicast)地址

  多播地址也称组播地址。多播地址也被指定到一群不同的接口,送到多播地址的分组会被传送到所有的地址。多播地址由皆为一的字节起始,亦即:它们的前置为FF00::/8。其第二个字节的最后四个比特用以标明"范畴"。

  一般有node-local(0x1)、link-local(0x2)、site-local(0x5)、organization-local(0x8)和global(0xE)。多播地址中的最低112位会组成多播组群识别码,不过因为传统方法是从MAC地址产生,故只有组群识别码中的最低32位有使用。定义过的组群识别码有用于所有节点的多播地址0x1和用于所有路由器的0x2。

  另一个多播组群的地址为"solicited-node多播地址",是由前置FF02::1:FF00:0/104和剩余的组群识别码(最低24位)所组成。这些地址允许经由邻居发现协议(NDP,Neighbor Discovery Protocol)来解译链接层地址,因而不用干扰到在区网内的所有节点。

第五版 IPv4到IPv6的过渡技术

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  由于Internet的规模以及目前网络中数量庞大的IPv4用户和设备,IPv4到v6的过渡不可能一次性实现。而且,目前许多企业和用户的日常工作越来越依赖于Internet,它们无法容忍在协议过渡过程中出现的问题。所以IPv4到v6的过渡必须是一个循序渐进的过程,在体验IPv6带来的好处的同时仍能与网络中其余的IPv4用户通信。IETF制定了推动IPv4向IPv6过渡的方案,包括三个机制:兼容IPv4的IPv6地址、双IP协议栈和基于IPv4隧道的IPv6。

  IPv6在设计的过程中就已经考虑到了IPv4到IPv6的过渡问题,并提供了一些特性使过渡过程简化。例如,IPv6地址可以使用IPv4兼容地址,自动由IPv4地址产生;也可以在IPv4的网络上构建隧道,连接IPv6孤岛。目前针对IPv4-v6过渡问题已经提出了许多机制,它们的实现原理和应用环境各有侧重,这一部分里将对IPv4-v6过渡的基本策略和机制做一个系统性的介绍。

  在IPv4-v6过渡的过程中,必须遵循如下的原则和目标:

  ?保证IPv4和IPv6主机之间的互通;

  ?在更新过程中避免设备之间的依赖性(即某个设备的更新不依赖于其它设备的更新);

  ?对于网络管理者和终端用户来说,过渡过程易于理解和实现;

  ?过渡可以逐个进行;

  ?用户、运营商可以自己决定何时过渡以及如何过渡。

  主要分三个方面:IP层的过渡策略与技术、链路层对IPv6的支持、IPv6对上层的影响

  对于IPV4向IPV6技术的演进策略,业界提出了许多解决方案。特别是IETF组织专门成立了一个研究此演变的研究小组NGTRANS,已提交了各种演进策略草案,并力图使之成为标准。纵观各种演进策略,主流技术大致可分如下几类:

  双栈策略

  实现IPv6结点与IPv4结点互通的最直接的方式是在IPv6结点中加入IPv4协议栈。具有双协议栈的结点称作“IPv6/v4结点”,这些结点既可以收发IPv4分组,也可以收发IPv6分组。它们可以使用IPv4与IPv4结点互通,也可以直接使用IPv6与IPv6结点互通。双栈技术不需要构造隧道,但后文介绍的隧道技术中要用到双栈。 IPv6/v4结点可以只支持手工配置隧道,也可以既支持手工配置也支持自动隧道。

  隧道技术

  在IPV6发展初期,必然有许多局部的纯IPV6网络,这些IPV6网络被IPV4骨干网络隔离开来,为了使这些孤立的“IPV6岛”互通,就采取隧道技术的方式来解决。利用穿越现存IPV4因特网的隧道技术将许多个“IPV6孤岛”连接起来,逐步扩大IPV6的实现范围,这就是目前国际IPV6试验床6Bone的计划。

  工作机理:在IPV6网络与IPV4网络间的隧道入口处,路由器将IPV6的数据分组封装入IPV4中,IPV4分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPV4地址。在隧道的出口处再将IPV6分组取出转发给目的节点。

  隧道技术在实践中有四种具体形式:构造隧道、自动配置隧道、组播隧道以及6to4。

  TB(Tunnel Broker,隧道代理)

  对于独立的v6用户,要通过现有的IPv4网络连接IPv6网络上,必须使用隧道技术。但是手工配置隧道的扩展性很差,TB的主要目的就是简化隧道的配置,提供自动的配置手段。对于已经建立起IPv6的ISP来说,使用TB技术为网络用户的扩展提供了一个方便的手段。从这个意义上说,TB可以看作是一个虚拟的IPv6 ISP,它为已经连接到IPv4网络上的用户提供连接到IPv6网络的手段,而连接到IPv4网络上的用户就是TB的客户。

  双栈转换机制(DSTM)

  DSTM的目标是实现新的IPv6网络与现有的IPv4网络之间的互通。使用DSTM,IPv6网络中的双栈结点与一个IPv4网络中的IPv4主机可以互相通信。DSTM的基本组成部分包括:

  ?DHCPv6服务器,为IPv6网络中的双栈主机分配一个临时的IPv4全网唯一地址,同时保留这个临时分配的IPv4地址与主机IPv6永久地址之间的映射关系,此外提供IPv6隧道的隧道末端(TEP)信息;

  ?动态隧道端口DTI:每个DSTM主机上都有一个IPv4端口,用于将IPv4报文打包到IPv6报文里;

  ?DSTM Deamon:与DHCPv6客户端协同工作,实现IPv6地址与IPv4地址之间的解析。

  协议转换技术

  其主要思想是在V6节点与V4节点的通信时需借助于中间的协议转换服务器,此协议转换服务器的主要功能是把网络层协议头进行V6/V4间的转换,以适应对端的协议类型。

  优点:能有效解决V4节点与V6节点互通的问题。

  缺点:不能支持所有的应用。这些应用层程序包括:① 应用层协议中如果包含有IP地址、端口等信息的应用程序,如果不将高层报文中的IP地址进行变换,则这些应用程序就无法工作,如FTP、STMP等。② 含有在应用层进行认证、加密的应用程序无法在此协议转换中工作。

  SOCKS64

  一个是在客户端里引入SOCKS库,这个过程称为“socks化”(socksifying),它处在应用层和socket之间,对应用层的socket API和DNS名字解析API进行替换;

  另一个是SOCKS网关,它安装在IPv6/v4双栈结点上,是一个增强型的SOCKS服务器,能实现客户端C和目的端D之间任何协议组合的中继。当C上的SOCKS库发起一个请求后,由网关产生一个相应的线程负责对连接进行中继。SOCKS库与网关之间通过SOCKS(SOCKSv5)协议通信,因此它们之间的连接是“SOCKS化”的连接,不仅包括业务数据也包括控制信息;而G和D之间的连接未作改动,属于正常连接。D上的应用程序并不知道C的存在,它认为通信对端是G。

  传输层中继(Transport Relay)

  与SOCKS64的工作机理相似,只不过是在传输层中继器进行传输层的“协议翻译”,而SOCKS64是在网络层进行协议翻译。它相对于SOCKS64,可以避免“IP分组分片”和“ICMP报文转换”带来的问题,因为每个连接都是真正的IPV4或IPV6连接。但同样无法解决网络应用程序数据中含有网络地址信息所带来的地址无法转换的问题。

  应用层代理网关(ALG)

  ALG是Application Level Gateway的简称,与SOCKS64、传输层中继等技术一样,都是在V4与V6间提供一个双栈网关,提供“协议翻译”的功能,只不过ALG是在应用层级进行协议翻译。这样可以有效解决应用程序中带有网络地址的问题,但ALG必须针对每个业务编写单独的ALG代理,同时还需要客户端应用也在不同程序上支持ALG代理,灵活性很差。显然,此技术必须与其它过渡技术综合使用,才有推广意义。

  过渡策略总结

  双栈、隧道是主流

  所有的过渡技术都是基于双栈实现的

  不同的过渡策略各有优劣、应用环境不同

  网络的演进过程中将是多种过渡技术的综合

  根据运营商具体的网络情况进行分析

  由不同的组织或个人提出的IPV4向IPV6平滑过渡策略技术很多,它们都各有自己的优势和缺陷。因此,最好的解决方案是综合其中的几种过渡技术,取长补短,同时,兼顾各运营商具体的网络设施情况,并考虑成本的因素,为运营商设计一套适合于他自己发展的平滑过渡解决方案。

第六版 中国的IPV6使用

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  IPv6的发展并非一直顺风顺水,走向现实,还需要面对技术兼容性、转换成本高等诸多挑战。

  虽然前景美好,但是相对于已经在网络世界使用了将近30年的IPv4而言,IPv6毕竟还只是新生儿,要想实现成功交班,仍需要解决不少实际问题。

  中兴通讯IPv6总工程师孔勇介绍,早在1998年,我国就开始了IPv6的相关实验研究,不过直到2008年随着电信运营商的全面介入,IPv6的商业化进程才开始渐入佳境。

  据广东省通信管理局局长古伟中介绍,根据工信部制定的规划,到“十二五”期末,我国IPv6宽带接入用户数超过2500万。据有关机构预测,随着下一代互联网建设今年内全面展开,2015年,我国互联网行业的规模有望突破1.5万亿元,其中仅三网融合所带来的IPTV发展商机,就有可能多达数千亿元。

  时间表的确定并不意味着一切就会顺风顺水,IPv6的发展从纸面走向现实还需要面对诸多挑战。

  “技术兼容性问题应该是首要问题。虽然在网络协议、设备标准等方面已经能够满足国内IPv6网络建设需要,但是在过渡类标准、应用类标准方面还尚未完善,需要重点研究。”刘多称,从IPv4向IPv6的过渡,对于如何缩短新老两代互联网共存的过渡期以及降低转换成本等问题,目前业界仍没有形成最佳的解决方案,这种情况可能会导致运营商的投资成本高企。据测算,一个拥有30万宽带用户的城市,从IPv4改造到IPv6,运营商网络改造、内容服务迁移所需投资高达3000万—5000万元人民币。

  然而技术问题还不是唯一的难题。“发展下一代互联网最大的难题是服务。”中国工程院院士邬贺铨称,如果没有对应服务,仅加大带宽,网民看到的内容还和原来一样,可能就不愿意多付费,运营商就不能得到回报,自然也不愿投入太多资金。

  目前中国电信已经提出了向IPv6过渡的计划,计划共分三步走:试商用阶段:启动网络和平台支持IPv6的改造,确定网络及业务过渡方案、现网商业化试点,基本具备引入IPv6业务的网络条件;规模商用阶段:IPv4/IPv6网络和业务共存,网络和平台规模改造,业务逐步迁移,新型应用和用户规模持续扩大;全面商用阶段:新型应用占据主导,IPv4网络和业务平台逐步退出。

  天地互连信息技术有限公司总裁刘东透露,中国电信预计在2015年使IPv6占据主导地位,2020年实现IPv4地址完全退网。

  多年来,在我国IPv6网络发展缓慢,“商业应用匮乏”一直被业界认为是主要原因。但随着国家层面希望在下一代互联网上争取更多的技术话语权,以及物联网的加速应用,使得IPv6网络尽快落地成为可能。?

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