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淺談IPv6技術(shù)

2019-11-03 09:02:14
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供稿:網(wǎng)友
王宇


  摘要 本文簡單介紹了ipv6的基本技術(shù)原理和特點,以及幾種IPv6的應(yīng)用,同時給出了當(dāng)前通用的幾種IPv4到IPv6的過渡技術(shù)和實現(xiàn)方法。

  關(guān)鍵詞 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 IPv4 IPv6

一、概述

  IPv6 是“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版”的縮寫。IPv6是由IETF設(shè)計的下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,目的是取代現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第四版(IPv4)。IPv4的設(shè)計思想成功地造就了目前的國際互聯(lián)網(wǎng),其核心價值體現(xiàn)在:簡單、靈活和開放性。但隨著新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)的IPv4協(xié)議已經(jīng)難以支持互聯(lián)網(wǎng)的進一步擴張和新業(yè)務(wù)的特性,比如實時應(yīng)用和服務(wù)質(zhì)量保證等。其不足主要體現(xiàn)在以下幾方面:

  (1)地址資源即將枯竭:IPv4提供的IP地址位數(shù)是32位,也即1億個左右的地址。隨著連接到Internet上的主機數(shù)目的迅速增加,有預(yù)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的形式來分配地址,所以隨著連入網(wǎng)絡(luò)數(shù)目的增漲,路由器數(shù)目飛速增加,相應(yīng)地,決定數(shù)據(jù)傳輸路由的路由表也就不斷增大。

  (3)缺乏服務(wù)質(zhì)量保證:IPv4遵循Best Effort原則,這一方面是一個優(yōu)點,因為它使IPv4簡單高效;但另一方面它對互聯(lián)網(wǎng)上涌現(xiàn)出的新業(yè)務(wù)類型缺乏有效的支持,比如實時和多媒體應(yīng)用,這些應(yīng)用要求提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證,如帶寬、延遲和抖動等。

  (4)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(guī)劃的復(fù)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(wù)。

  IPv6能夠解決IPv4的許多問題,如地址短缺、服務(wù)質(zhì)量保證等。同時,IPv6還對IPv4作了大量的改進,包括路由和網(wǎng)絡(luò)自動配置等。IPv6和IPv4將在過渡期內(nèi)共存幾年,并由IPv6漸漸取代IPv4。

二、IPv6核心技術(shù)

  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(qū)域地址、鏈路本地地址、地區(qū)本地地址、廣播地址、多播群地址、任播地址、移動地址、家鄉(xiāng)地址、轉(zhuǎn)交地址等。IPv6的另一個基本特性是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置的方式。其中無狀態(tài)地址自動配置方式是:需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)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(yù)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(xiàn)出很高的特性。

  1. 服務(wù)質(zhì)量方面

  IPv6數(shù)據(jù)包的格式包含一個8位的業(yè)務(wù)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(fā)送業(yè)務(wù)流的源節(jié)點和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流的路由器在數(shù)據(jù)包上加上標記,中間節(jié)點在接收到一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的QoS需求,并進行快速的轉(zhuǎn)發(fā)。附表為IPv4與IPv6數(shù)據(jù)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(wù)更加緊密結(jié)合。雖然兩種IP標準目前都支持IPsec(IP安全協(xié)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(xié)調(diào)統(tǒng)一的層次上,而不像IPv4那樣通過疊加的解決方案來實現(xiàn)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(yīng)用)的通信提供加密/授權(quán),可以實現(xiàn)遠程企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(如企業(yè)VPN網(wǎng)絡(luò))的無縫接入,并且可以實現(xiàn)永遠連接。除了這一強制性安全機制外,IPSec還提供兩種服務(wù)。認證報頭(AH)用于保證數(shù)據(jù)的一致性,而封裝的安全負載報頭(ESP)用于保證數(shù)據(jù)的保密性和數(shù)據(jù)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(yīng)用,IPv6集成了虛擬專網(wǎng)(VPN)的功能。

  3. 移動IPv6方面

  移動性無疑是互聯(lián)網(wǎng)上最精彩的服務(wù)之一。移動IPv6協(xié)議為用戶提供可移動的IP數(shù)據(jù)服務(wù),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(wǎng)。

  IPv6中的移動性支持是在制訂IPv6協(xié)議的同時作為一個必需的協(xié)議內(nèi)嵌在IP協(xié)議中的。不同于IPv4的移動性支持是作為一種對IP協(xié)議附加的功能提出的,不是所有的IPv4實現(xiàn)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(shè)備所需的IP地址,難以實現(xiàn)移動IP的大規(guī)模應(yīng)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(yōu)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(yīng)用成為可能。

  (a)當(dāng)移動節(jié)點處于本地網(wǎng)絡(luò)時,通過接收本地網(wǎng)絡(luò)上路由器的路由器通告來進行地址配置;獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

  (b)當(dāng)移動節(jié)點接入異地網(wǎng)絡(luò)后,不再收到來自本地網(wǎng)絡(luò)的路由器通告;而是收到來自異地網(wǎng)絡(luò)上路由器的路由器通告,移動節(jié)點利用接收到的異地網(wǎng)絡(luò)路由器通告進行移動檢測。

  (c)移動節(jié)點配置好在異地網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)交地址后,就向本地代理發(fā)送綁訂更新報文,通知其自己的轉(zhuǎn)交地址,并注冊。

  (d)移動節(jié)點同時向通信節(jié)點發(fā)送綁訂更新報文,通知其自己的轉(zhuǎn)交地址。

  (e)這樣,本地代理就可以通過隧道的方式向移動節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來自通信節(jié)點的報文。

  (f)如果通信節(jié)點通過接收來自移動節(jié)點的綁定更新,獲取了移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址,則可以直接與移動節(jié)點通信,而無需通過本地代理,實現(xiàn)路由優(yōu)化。

  4. 組播技術(shù)

  組播是一種允許一個或多個發(fā)送者(組播源)發(fā)送單一的數(shù)據(jù)包給多個接收者(一次的,同時的)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它適用于一點到多點或多點到多點的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。組播實現(xiàn)的基本原則是:依托IP協(xié)議完成組播,IP組播強制網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)分發(fā)樹的分叉處進行信息包的復(fù)制。IP組播的實現(xiàn)包括三個部分:尋址、組播成員管理和組播路由協(xié)議。

  組播尋址:IPv6為組播預(yù)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(shù)據(jù)包的目標地址,組播源地址只能是單播地址。發(fā)送方只需要發(fā)送數(shù)據(jù)給該組播地址,就可以實現(xiàn)對多個不同地點用戶數(shù)據(jù)的發(fā)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(xié)議實現(xiàn)用戶的動態(tài)注冊過程。在主機與組播路由器之間通過IGMP協(xié)議建立并維護組播組成員的關(guān)系。組播轉(zhuǎn)發(fā)路由器通過IGMP協(xié)議了解其在每個接口連接的網(wǎng)段上是否存在某個組播組的接收者,即組成員。如果出現(xiàn)成員,組播路由器將組播數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到這個網(wǎng)段;如果沒有則停止轉(zhuǎn)發(fā)或不轉(zhuǎn)發(fā),以節(jié)省帶寬。

  組播路由協(xié)議:組播路由協(xié)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(xié)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(xié)議指組播成員在整個網(wǎng)絡(luò)上密集分布,即許多子網(wǎng)至少包含一個成員,帶寬充裕,但其不適用于規(guī)模大的適用于組播成員在網(wǎng)絡(luò)中稀疏分布,且未必有充裕帶寬可用的網(wǎng)絡(luò)。

三、IPv4到IPv6的過渡技術(shù)

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

  1. 網(wǎng)絡(luò)過渡技術(shù)

  (l)隧道技術(shù):隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多局部的IPv6網(wǎng)絡(luò),利用隧道技術(shù)可以通過現(xiàn)有的運行IPv4協(xié)議的Internet骨干網(wǎng)絡(luò)(即隧道)將局部的IPv6網(wǎng)絡(luò)連接起來,因而是IPv4向IPv6過渡的初期最易于采用的技術(shù)。隧道技術(shù)的方式為:路由器將IPv6的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)給目的站點。

  (2)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù):網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換/協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)NAT-PT(Network Address Translation - Protocol Translation)通過與SIIT協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳統(tǒng)的IPv4下的動態(tài)地址翻譯(NAT)以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)用層網(wǎng)關(guān)(ALG)相結(jié)合,實現(xiàn)了只安裝了IPv6的主機和只安裝了IPv4機器的大部分應(yīng)用的相互通信。

  2. 主機過渡技術(shù)

  IPv6和IPv4是功能相近的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)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(xié)議TCP和UDP又沒有任何區(qū)別。可以看出,如果一臺主機同時支持IPv6和IPv4兩種協(xié)議,那么該主機既能與支持IPv4協(xié)議的主機通信,又能與支持IPv6協(xié)議的主機通信,這就是雙協(xié)議棧技術(shù)的工作機理。

  3. 應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)(DNS)過渡技術(shù)

  在IPv4到IPv6的過渡過程中,作為Internet基礎(chǔ)架構(gòu)的DNS服務(wù)也要支持這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的升級和轉(zhuǎn)換。IPv4和IPv6的DNS記錄格式等方面有所不同,為了實現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的DNS查詢和響應(yīng),可以采用應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)DNS-ALG結(jié)合NAT-PT的方法,在IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)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(jié)點發(fā)送到IPv6網(wǎng)絡(luò)的DNS查詢請求是“A”記錄,DNS-ALG就把“A”改寫成“AAAA”,并發(fā)送給IPv6網(wǎng)絡(luò)中的DNS服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)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(zhuǎn)換地址,把這個IPv4轉(zhuǎn)換地址和IPv6地址之間的映射關(guān)系通知NAT-PT,并把這個IPv4轉(zhuǎn)換地址作為解析結(jié)果返回IPv4主機。IPv4主機就以這個IPv4轉(zhuǎn)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(shù)很大程度上依賴于從支持IPv4的互聯(lián)網(wǎng)到支持IPv6的互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)換,我們期待IPv4和IPv6可在這一轉(zhuǎn)換過程中互相兼容。目前,6to4機制便是較為流行的實現(xiàn)手段之一。

四、幾種IPv6應(yīng)用介紹

  從語音、數(shù)據(jù)到視頻,從對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更卓越的支持與改善,到IPv6獨具特色的創(chuàng)新業(yè)務(wù),IPv6帶給我們的全方位、高品質(zhì)的應(yīng)用與服務(wù)前景是美妙而廣闊的。以下簡單介紹幾種IPv6的應(yīng)用:

  1. 視頻應(yīng)用

  IPv6對于視頻應(yīng)用的意義在于:解決了地址容量問題,優(yōu)化了地址結(jié)構(gòu)以提高選路效率,提高了數(shù)據(jù)吞吐量,以適應(yīng)視頻通信大信息量傳輸?shù)男枰Pv6還加強了組播功能,實現(xiàn)基于組播、具有網(wǎng)絡(luò)性能保障的VC視頻會議、高清晰度數(shù)字電視、VOD視頻點播、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控應(yīng)用。這是只有高帶寬、高性能的下一代互聯(lián)網(wǎng)才能支持的典型應(yīng)用,具有交互協(xié)同技術(shù)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(jù)緊急性和服務(wù)類別確定數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。此外,IPv6采用必選的IPSec很好地保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

  2. 移動智能終端應(yīng)用

  傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)主要是為了支撐話音業(yè)務(wù),雖然隨著用戶需求的提出和技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)有了基于WAP或GPRS提供IP業(yè)務(wù)的蜂窩電話產(chǎn)品,但是現(xiàn)有的技術(shù)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(shè)備來代替電路交換設(shè)備,IP業(yè)務(wù)將是第三代移動通信業(yè)務(wù)中的重要組成部分。

  由于IP的諸多優(yōu)點和全球IP浪潮的影響,3G演變?yōu)槿獻P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(jīng)要求,對于Iu、Iub以及Iur接口,如果要提供IP傳輸,則UTRAN節(jié)點必須支持IPv6,對IPv4的支持則是可選的。

  3G的發(fā)展方向?qū)⑹且粋€全IP的分組網(wǎng)絡(luò),3G業(yè)務(wù)將以數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主,在3G網(wǎng)絡(luò)上將承載著實時話音、移動多媒體、移動電子商務(wù)等多種業(yè)務(wù),因此在計費、漫游、應(yīng)用、終端等方面會更加復(fù)雜,IPv6將是實現(xiàn)這些服務(wù)的關(guān)鍵。如果說3G的發(fā)展推動了IPv6的發(fā)展和標準化,那么IPv6協(xié)議的諸多優(yōu)越特性則為3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ),IPv6有龐大的地址空間、對移動性有良好的支持、有服務(wù)質(zhì)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(nèi)外很多通信廠商正致力于構(gòu)建基于IPv6的全IP的3G核心網(wǎng)(All-IP Core)。

  3. 無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

   最近,無線網(wǎng)絡(luò)WLAN在中國的熱點地區(qū)漸成亮點,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)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(wǎng)和廣域網(wǎng)(GSM/CDMA)之間的技術(shù)差異,使得在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶的連接和所使用的業(yè)務(wù)不會中斷,真正實現(xiàn)不間斷的連接。采用移動IPv6將使這一目標的實現(xiàn)更加容易。

  實現(xiàn)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(xiàn)象已不鮮見,這些終端普遍都有上網(wǎng)功能,但這些終端的上網(wǎng)是互不相干的,通信的內(nèi)容、方式也因終端而異。然而從用戶的角度來看,實現(xiàn)通信的同一性是至關(guān)重要的,未來用戶應(yīng)該只關(guān)注自己的應(yīng)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(chǔ),完全可以實現(xiàn)通信的同一性。

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

五、總結(jié)與展望

  業(yè)界的一種觀點認為,未來的網(wǎng)絡(luò)將是全IP網(wǎng)絡(luò),全IP能無縫集成各種接入方式,將寬帶、移動因特網(wǎng)和現(xiàn)有的無線系統(tǒng)都集成到IP層中,通過一種網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供所有通信服務(wù),并為運營商帶來許多好處,如節(jié)省成本、增強網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和靈活性、提高網(wǎng)絡(luò)運作效率、創(chuàng)造新的收入機會等等。要實現(xiàn)全IP網(wǎng)絡(luò),采用移動IPv6是最基本的要求。

  在電信網(wǎng)方面,越來越多的人認為未來的電信網(wǎng)絡(luò)是基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)。IP電信網(wǎng)和傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)存在很大的不同,其力圖將自由的IP網(wǎng)絡(luò)變成有序的、可管理的、有QoS保障的,以提供增值業(yè)務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)。在組建IP電信網(wǎng)時,IPv6是首選的技術(shù)之一。

  除此之外,在線游戲,網(wǎng)絡(luò)家電,智能終端的不斷發(fā)展也會是IPv6應(yīng)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(wù),只有IPv6才能滿足要求。

  隨著我國大規(guī)模IPv6網(wǎng)絡(luò)部署的全面展開,可以預(yù)見的是:IPv6關(guān)鍵技術(shù)研究、重大應(yīng)用示范以及應(yīng)用推廣亦將于2004年到2005年陸續(xù)啟動并全面鋪開。中國將在全球IPv6的部署進程中發(fā)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(chǎn)業(yè)界的支持者和推動者們將會分享到更多和更新的IPv6網(wǎng)絡(luò)部署以及應(yīng)用探索的實踐成果與經(jīng)驗。


----《中國數(shù)據(jù)通信》

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