基于IPv6的家庭網絡技術

2019-11-03 09:01:15

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供稿：網友

賴敏王芳顧新

　　摘要：對比ipv4協議的不足，討論了IPv6協議在構建家庭網絡方面的優點。IPv6具備的一系列先進特性，如地址空間充足、自動配置能力強、改進的移動性以及安全性，使其可以廣泛應用于家庭網絡的構建。指出要構建高效的家庭網絡，開發出吸引用戶的家庭網絡服務，必須將IPv6、家庭網關和ISP三者相結合。

　　關鍵詞：家庭網絡 IPv6 網絡結構網絡服務

　　隨著諸如IEEE1394和藍牙等新標準的提出和完善，越來越多的家電設備將具備網絡連接和數據通信的能力。通過內置在新一代家電產品中的各種嵌入式芯片和處理器，用戶將可以通過網絡遠程訪問家中電器設備并對其進行控制。用戶家里的各類電器如電視、碼設備如數字相機、攝像機以及家庭局域網等將可以通過一個被稱為家庭網關（home gateway）的設備連接到外部Internet上。

　　一、家庭網絡的技術要求

　　要大規模地應用家庭網絡，構建家庭網絡的技術必須滿足一些重要的要求。滿足這些要求是為了讓那些一點技術都不懂的用戶愿意去使用家庭網絡。如果操作過于復雜，家庭網絡的市場將僅僅局限于愿意花費時間和精力去學習新技術的用戶。

　　第一個要求是要有足夠的地址空間。這樣才能為大量的家用電器設備都分配一個惟一的IP地址，否則我們只能利用諸如地址翻譯機制、私有地址空間等技術來繞過這一限制，但這樣一來將會影響到使家庭網絡深具吸引力的一些應用，如VoIP、在線游戲等。

　　第二個要求是用戶只需對家庭網絡進行非常少量的配置和維護。如果用戶需要花費大量的時間去安裝和維護家庭網絡，那么他們對使用這些新技術的熱情就會大大降低。配置、維護和操作越簡單，就越容易被廣大消費者接受。這一要求不僅要在家庭網絡最初安裝的時候得到滿足，在已有家庭網絡中引入新的設備時也要滿足。

　　第三個要求是可以讓各種各樣的家電設備參與到家庭網絡中來。家庭網絡中的設備不應該僅僅局限于目前可以聯網的設備，如PC、機頂盒等。家庭網絡所使用的技術應該更加靈活以使盡可能多的家電設備可以接入到家庭網絡中。

　　第四個要求是要有靈活多樣的通信方式。家庭網絡不應該也不可能僅僅局限于使用傳統的銅線連接，而應能使用多種傳輸介質。可能的通信方式包括以太網、藍牙、電力線、IEEE 802.11。

　　最后，家庭網絡用戶肯定會希望能夠遠程訪問他們的網絡。家庭網絡應能允許合法的訪問，同時阻止其他非法的訪問。

　　二、使用IPv4構建家庭網絡的局限性

　　1.地址空間貧乏

　　妨礙IPv4協議在家庭網絡中應用的第一個限制是可利用的地址空間貧乏。即使ISP只給每個家庭網絡分配一個地址，家庭網絡的大量應用也會很快將IP地址耗盡，而且各個國家和地區分配到的IP地址差別很大。由于歷史的原因，北美分配到的IP地址要比歐洲和亞洲多很多。因此，即使在北美可以基于IPv4來構建家庭網絡，在其他地區這種方法也是不可行了。

　　2.不宜使用私有地址

　　為了減緩公用地址耗盡的速度，在企業網內部使用了私有地址（參見RFC1918）。由于私有地址不能在公用網絡中進行路由，因此外部訪問就必須使用地址翻譯機制。這樣一來，端到端的服務就不容易建立。為了提供一些新的服務（如VoIP、在線游戲等)，ISP就不得不為每一項新的服務開發專門的應用層網關。同樣，在家庭網絡中使用了網絡地址轉換（NAT）協議后，端到端的安全性保障將不再有效。因此，私有地址并不適合在家庭網絡中使用。

　　3.家電設備配置問題

　　家庭網絡要求可以很容易地對家電設備進行安裝和配置。基于IPv4的家庭網絡中，一臺家電要自動獲取一個IP地址的惟一方法是建立一個DHCP服務器，但是DHCP服務器需要進行管理。ISP可以代用戶對該服務器進行遠程管理，但用戶要向ISP支付管理費。否則，用戶必須自己來管理DHCP服務器，然而希望每一個用戶都有能力自己管理DHCP服務器是不現實的。

　　4.安全性問題

　　安全性也是必須考慮的。用戶當然不希望其他人可以輕易進入自己的家庭網絡進行惡作劇或破壞，而IPv4協議在這方面卻存在著不足。

　　三、基子IPv6協議構建家庭網絡的優勢

　　1.地址空間充足

　　IPv4的地址長度為32位，而IPv6有128位。IPv6的地址多到足以為地球上的每一粒沙子分配一個全球惟一的IP地址。因此在基于IPv6的家庭網絡中可以為網絡中的每一臺家電分配一個或幾個全球惟一的IP地址。

　　這是IPv6協議非常有價值的一個特性，因為這意味著具有訪問權限的任何人都可以通過Internet對家庭網絡中的每一臺家電進行外部訪問，而且這有助于開發一些對一般用戶有吸引力的應用，如遠程監控、在線游戲、VoIP等。每臺家電都有全球惟一的IP地址也使得在不同家庭網絡中的家電設備之間建立端到端的通信成為可能。由于不再需要地址翻譯機制，這使得在不同家庭網絡中的家電設備可以使用IPSec協議進行安全的通信。

　　2.地址和服務的自動配置能力強

　　與IPv4相比，IPv6協議具有非常強大的自動配置能力。IPv6的自動配置能力使得在家庭網絡中增添支持網絡功能的家電設備時幾乎不需要做任何配置，這是由于家電設備可以從控制該家庭網絡的路由器（即家庭網關）收到配置信息。基于這些配置信息，家電設備就可以完成自身的IP地址等信息的配置。這使得用戶可以很輕松地在其家庭網絡中引入新的家電設備，而不需要進行IP地址、網絡地址、域名服務器以及網關地址的配置。

　　IPv6指定了link-local地址、site-local地址和全局地址等三種地址。家庭網絡中的家電設備不需要任何用戶的參與就可以自動配置這三種地址。Link-local地址（fe80：：interfaee ID）只在鏈路范圍內有效，Site-local地址（fec0：：interface ID）只在家庭網絡內部有效，而全局地址（子網前綴：interfaceID）則在家庭網絡的內部和外部都有效。自動配置機制是基于ICMPv6協議建立的。控制家庭網絡的路由器在家庭網絡中發送路由器通告消息，家庭網絡中的家電設備基于這些消息自動地配置全球惟一的可路由的IP地址和接口ID。

　　3.使家庭網絡更加安全

　　家庭網絡的用戶肯定不希望未經授權的人訪問他們的網絡，他們希望與外部用戶的通信要進行加密和授權，只允許來自外部的合法連接。例如，如果用戶的空調壞了，空調的生產廠家應能獲得授權經由家庭網關來對空調進行訪問。這樣，在維修工人出發以前廠家就可以收集到診斷信息。所有這些類似的功能實現都需要安全的接入服務。

　　IPv6設計時已經內嵌了針對安全性的部分，例如協議中設計有專用的安全報頭，可用于網絡設備對用戶接入的合法性進行檢查，也可以用于檢查源地址和接入實際地址的一致性。另外，IPSec是專門為IPv6設計的安全性協議，用于在IPv6網絡中實現用戶之間端到端的安全通信，從而保證只有可信賴的用戶可以向家庭網絡中的設備傳輸數據或發送指令。

　　對IPv6而言，可提供的安全水平取決于特定網絡和用戶的要求，而不會受到技術限制，可以提供多種層次的安全水平來滿足不同用戶的需要，涵蓋了從不具備安全性到具有非常高的安全性需要專門的技術和配置。對大多數用戶而言，在家庭網關中集成一個簡單的防火墻就可以提供足夠安全的家庭網絡環境，更加先進的IPSec可被用于提高商業用戶網絡的安全性。

　　4.支持移動性

　　要使家庭網絡用戶出門在外的時候仍然可以對家庭網絡進行訪問，對移動性的支持就非常關鍵。這將容許出門在外的家庭網絡用戶能夠通過筆記本電腦、手機、PDA等移動設備訪問家庭網絡中的資源并能對家中的電器設備進行遠程操縱。更為重要的是，家庭網絡用戶離家之后，不需要對其移動設備進行過多的配置就應該能夠實現上述功能。

　　要滿足這些要求，IPv6網絡要比IPv4網絡容易得多。IPv6在設計時充分考慮了移動性需求，并將移動IPv6作為IPv6的基本組成部分，因此IPv6在移動環境下可更好地支持端到端以及多媒體業務。此外，IPv6的自動配置使得漫游到異地網絡的移動用戶可以很容易地進行配置。而且與移動IPv4不同，移動IPv6不需要異地代理，這意味著移動用戶不需要進行本地移動配置就可以在任何地方對其家庭網絡進行遠程訪問。而且家庭網絡也不必為了給訪問者提供IP移動性服務，而專門設置一個異地代理。唯一要做的只是在家庭網絡中設置一個家鄉代理來向移動用戶的當前位置轉發數據包。在家庭網絡中移動IPv6家鄉代理通常由家庭網絡中的網關來擔任。

　　四、結語

　　如前所述，IPv6協議非常適合構建家庭網絡，但僅有IPv6還不夠。

　　要想使用戶接受家庭網絡，ISP必須提供一些誘人的服務（如視頻點播、在線游戲等）以使家庭網絡的價格可以讓用戶容易接受。

　　ISP還需要提供一些必不可少的功能以滿足家庭網絡最基本的要求——盡量簡化家庭網絡的配置和管理。為了滿足這一要求，必須在家庭網絡中部署一個家庭網關。提供這一功能的家庭網關可以選用專門的設備，也可以由經過改造的PC、調制解調器、游戲機來擔當。家庭網關要具有二層轉發功能并且要提供各種各樣的接口。除此以外，還要具有三層及其以上層的功能，如DHCPv6服務器、域名服務器、路由功能以及防火墻功能。

　　ISP不僅要向用戶推薦合適的網關設備，還要幫助用戶去配置、管理和優化他們的家庭網絡。因此，ISP必須設計出一些方法，在安全的前提下，操縱用戶的家庭網絡和家庭網關。這樣ISP就可以遠程下載一些軟件或補丁到用戶的設備上來對其進行配置、管理和優化。

　　為了向用戶提供多樣性的服務，開發出吸引用戶的家庭網絡服務，我們就必須將IPv6、家庭網關和ISP結合起來，缺一不可。

　　家庭網絡的市場前景非常被各方看好。IPv4由于技術上的限制不能為家庭網絡的開發提供足夠的支持。而IPv6具有的重要特性使我們可以構建高效的、具有吸引力的家庭網絡。IPv6必將成為新家庭網絡廠商開發市場的跳板，

　　賴敏西安電子科技大學計算機學院碩士研究生

　　王芳中興通訊股份有限公司技術中J凹研究部高級工程師

　　顧新西安電子科技大學計算機學院副教授

　　
摘自　中國電信網

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