下一代互联网技术——IPv6

郑健江

【摘要】 主要对IPv6的结构进行分析,重点阐述IPv4过渡到IPv6的两种基本方法双协议栈和隧道技术。

【关键词】 IPv6;双协议栈;隧道

一、IPv6的提出

因特网近几年的发展速度非常快,以IPv4为基础的因特网所固有的缺陷和局限性日益凸现。其中最为突出的是IP地址资源匮乏,IPv4是一个由32位二进制构成的地址,全球一共有40多亿个。因特网起源于美国,故给自己预留了足够的IP地址,我国申请到的IP地址仅3千多万个,只相当于美国麻省理工学院一个学校分配到的IP地址。早在两年前专家预计到2010年全球的IP地址将用完,IPv4的生命将走到尽头。后来采取了无类域间路由选择(CIDR)和网络地址转换(NAT)等有效措施来缓解IPv4地址资源匮乏的问题,都是治标不治本的,专家预计到2012年所有IPv4地址将全部分配完,最终IP地址会耗尽。IPv4自身存在的问题使得因特网发展受到限制,如安全保障、服务质量与运营管理等方面。

从根本上解决IP地址紧缺,全世界公认的最好办法是发展IPv6技术,这也是现在全球网络专家正在解决的问题。IPv6是IPv4的升级版本,每个IP地址由128位的二进制数构成,长度是IPv4的4倍,届时全球每个人可分到100万个,即使以后家里的所有家用电器都接入因特网,IP地址都是取之不完用之不竭的。IPv6较IPv4除解决IP地址匮乏之外,还有许多优势

1.IPv6的路由表比IPv4更小。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类原则,在路由器能在路由表中使用一条记录来表示一个子网,这使得路由器中路由表的长度减小了不少,提高路由器转发数据包的速度。

2.IPv6比IPv4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。

3.IPv6对组播和流的支持较IPv4增强了不少,这对多媒体在因特网上的发展奠定了坚实的基础,为服务质量(QoS)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。

二、IPv6的结构

IPv6的128位地址按每16位划分为一个位段,每个位段被转换为一个4位的十六进制数,并用“:”隔开,这种表示法称为冒号十六进制表示法(colon hexadecimal)。如可以按一下步骤形成一个冒号十六进制IPv6。

(1)用二进制格式表示128位的一个IPv6地址:

1001010101011101000101110000010101011111000000111111100000011111

1000000111000110011001111110101010000000010111111110101010110101

(2)将这个128位的地址按每16位划分为8个位段:

1001010101011101 0001011100000101 0101111100000011 1111100000011111

1000000111000110 0110011111101010 1000000001011111 1101010101101011

(3)将每个位段转换成十六进制数,并用冒号隔开,结果如下:

955D:1705:5F03:F81F:81C6:67EA:805F:D56B

因十六进制与二进制之间的进制转换比十进制和二进制之间的进制转换更容易,故IPv6的地址表示法采用十六进制数,每一位十六进制数对应4位二进制数。IPv6不支持子网掩码,它只支持前缀长度表示法。前缀是IPv6地址的一部分,用作IPv6路由或子网标识。前缀的表示方法与IPv4中的无类域间表示方法基本相同,如564A:F0::95AB:6871:578B/60表示该IP地址的前60位为网络号。

三、从IPv4到IPv6过渡的基本方法

从IPv4到IPv6的过渡方法有多种,最基本的是:双IP层或双协议栈和隧道技术。

1.双IP层或双协议栈。双IP层是指在从IPv4完全过渡到IPv6之前,部分主机和路由器装有两个协议,即使IPv4和IPv6协议。故该类型主机或路由器既能与IPv6的系统通信,又能与IPv4的系统通信。具有双IP层的主机或路由器应当具有两个IP地址,分别是IPv4和IPv6地址。双IP主机在与IPv6主机通信时采用IPv6地址,而与IPv4主机通信时就采用IPv4地址。双IP层主机的TCP或UDP协议都可以通过IPv4网络、IPv6网络或者IPv6穿越IPv4的隧道的通信来实现的(如图1所示)。

双协议栈技术的优点是互通性好,容易理解和实现。缺点是显而易见的,即需给每个运行IPv6协议的网络设备和终端分配IPv4地址,不能解诀IPv4地址匮乏的问题。在IPv6网络建设初期,IPv4地址相对充足,该方案是可行的。但当IPv6网络发展到一定阶段,为每个节点分配IPv4地址将很难实现。

2.隧道技术。隧道技术是向IPv6过渡阶段使用的较为成熟的技术。当IPv6分组进入IPv4网络时,将IPv6分组封装成为IPv4分组,整个IPv6分组成为IPv4分组的数据部分。当IPv4分组离开IPv4网络时,再将其数据部分交给主机的IPv6协议,这就好像在IPv4网络中打通了一个隧道来传输IPv6数据分组(如图2所示)。

隧道配置是用于建立隧道的。隧道的配置主要分为路由器-路由器、主机-路由器和主机-主机三种类型。

(1)路由器-路由器隧道结构(如图3所示)。在该结构中,隧道的端点是两台路由器,该路由器分别有两个IP地址,即一个IPv4地址和一个IPv6地址。隧道用于连接位于IPv4网络的两个端点之间的逻辑链路。两个路由器都有一个表示IPv6穿越IPv4网络的隧道的接口和对应的路由。

(2)主机-路由器隧道结构(如图4所示)。在该结构的隧道配置中,由IPv4网络中的IPv6/IPv4主机创建一个IPv6跨越IPv4网络的隧道,作为从源节点到目的节点之间路径中的第一段。对于穿越IPv4网络的IPv6分组来说,穿越隧道相当于只经过一个路由。IPv4/IPv6路由器创建一个表示IPv6穿越IPv4网络隧道的隧道接口,并在路由表中添加一条默认路由。

(3)主机-主机隧道结构(如图5所示)。在该结构的隧道配置中,由IPv4网络中的IPv4/IPv6主机创建一个IPv6跨越IPv4网络的隧道,作为从源节点到目的节点整个路径,对于穿越IPv4网络的IPv6分组来说,穿越隧道相当于只经过一个路由器。

隧道技术的优点在于隧道的透明性,即IPv6主机之间的通信可以忽略隧道的存在,不用理解隧道中使用的技术,隧道只起到物理通道的作用,且不需要大量的IPv6专用路由器设备和专用链路,可减少投资成本。隧道技术也有其自身的缺点:在IPv4网络上配置IPv6隧道是非常复杂的,且隧道技术不能实现IPv4主机和IPv6主机之间地通信。

随着因特网的不断发展,IPv4地址在几年内将会结束自己的生命,IPv4向IPv6过渡势在必行,在完全过渡到IPv6的过程中IPv4和IPv6会有一个长期共存的阶段。在IPv4过渡到IPv6的过程中会面临各种技术挑战,但没有一种成熟的过渡技术能够完全满足任意IPv4网络向IPv6网络的过渡,所以在进行过渡过程中需要根据具体的网络拓扑和应用场景,从已有的成熟的过渡方案中选择一种或者几种技术相结合来实现IPv4网络向IPv6网络的过渡。

参考文献

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[2]付涛.现阶段IPv4向IPv6过渡的策略探讨[J].中国教育信息化·基础教育.2008(9)

[3]张乐,夏昕,陈萌.IPv4向IPv6过渡策略研究综述[J].科技广场.2008(12)