The Principle and Application of IPV6
Abstract: IPV6 is short for "Internet Protocol Version 6". IPV6 is the "next generation" protocol designed by the IETF9 (Internet Engineering Task Force) to replace the current version Internet Protocol, IP Version4 ("IPV4").IPV4 has been remarkably resilient in spite of its age, but it is beginning to have problems. Most importantly, there is a growing shortage of IPV4 address, which are needed by all new machines added to the internet. IPV6 fixes a number of problems in IPV4, such as the limited number of IPV4 address. It also adds many improvements to IPV4 in areas such as routing and network auto configuration. IPV6 is expected to gradually replace IPV4, with the two coexisting for a number of years during a transition period. It's necessary for us to learn something about IPV6.
Keyword: IPV6; IPV4; address space; internet security; auto configuration
摘要：IPV6是“互联网协议第六版”的缩写。IPV6是由IETF设计的下一代互联网协议，目的是取代现有的互联网第四版（IPV4）。IPV4在过去的应用具有辉煌的业绩，但是现在看来已经保露处很多弊端。最为重要的是，现在的互联网（IPV4）已经面临地址短缺的问题，而这正是所有新加入互联网的计算机所迫切需要的。IPV6能够解决IPV4存在的如地址短缺等问题，同时，还对IPV4作了大量的改进，包括和网络自动配置等。IPV6和IPV4将在过渡期内共存几年，以后IPV6渐渐取代IPV4。因此，很有必要去了解IPV6。
关键词：IPV6；IPV4；地址空间；网络安全；自动配置
引言：近年来，互联网在经济、文化等方面的应用日益广泛，使人们进入了一个可以不断利用信息资源的新时代。信息资源的利用离不开对网络地址的需求，全球互联网的迅猛发展导致IP地址资源的紧张。目前Internet所遵循的网络互联协议——IP协议第四版IPV4，面临着网络地址短缺的威胁。这在很大程度上限制了Internet的进一步广泛应用，由此IPV6应运而生，并即将成为下一代网络的灵魂。
现有的互联网是在IPV4协议的基础上运行。IPV6是下一版本的互联网协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPV4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPV6重新定义地址空间。IPV4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕，而IPV6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPV6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。在IPV6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPV4中解决不好的其它问题。IPV6的主要优势体现在以下几方面：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。
显然，IPV6的优势能够对上述挑战直接或间接地作出贡献。其中最突出的是IPV6大大地扩大了地址空间，恢复了原来因地址受限而失去的端到端连接功能，为互联网的普及与深化发展提供了基本条件。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。
问题的提出：为什么要使用IPV6？我们从IPV4面临的危机和IPV6的技术原理及优势谈起。
1、IPV4面临的危机
IPV4主要面临以下三个方面的危机：
一是地址资源行将枯竭。IPV4提供的IP地址位数是32位，可提供的地址数为4．3×lO9个，实际使用中，还要除去网络地址、广播地址、划分子网的开销、路由器地址、保留地址等等，最后有效的地址数目比可用的地址总数还要少。随着连接到Inter—net上的主机数目的迅速增加，有预测表明，所有IPV4地址将在2005-2010年间分配完毕。
二是路由表越来越大。由于IPV4采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，所以随着连入网络数目的不断增加，路由器数目飞速增加，相应地,决定数据传输路由的路由表也就不断加大。庞大的路由表不仅增加了路由器的工作量，而且降低了Intemet服务的稳定性，尤其对于小容量的路由器，这更是一个致命的问题。
三是端与端通信的破坏。IPV4中为缓解地址不足的问题，采用网络地址翻译(Network Address Translation，NAT)的方法，它是一种将无法在互联网上使用的保留IP地址翻译成可以在互联网上使用的合法IP地址的机制。NAT使企业不必再为无法得到足够的合法IP地址而发愁，它们只要为内部网络主机分配保留IP地址，然后在内部网络与Intemet交接点设置NAT和一个由少量合法IP地址组成的IP地址池，就可以满足大量内部主机访问互联网的需求了。由于目前要想得到一个A类或B类地址十分困难，因此许多企业纷纷采用了NAT。然而，NAT有其无法克服的弊端。首先，NAT会使网络吞吐量降低，由此影响网络的性能。其次，NAT必须对所有去往和来自互联网的IP数据报进行地址转换，但是大多数NAT无法将转换后的地址信息传递给IP数据报负载，这个缺陷将导致某些必须将地址信息嵌在IP数据报负载中的高层应用如FTP和WINS注册等的失败。因为NAT破坏了端与端的直接通信，所以很多新的应用的实现都受到了限制。
2、IPV6的优势及技术原理
与IPV4相比，IPV6具有以下几个方面的优势：
第一，IPV6将现有的IP地址长度扩大到128位，使地址数量大大增加，可提供的地址数为3．4×lO3个，这意味着如果世界人口是1O亿的话，每个人将会获得3．4×10个地址。这样的地址空间被耗尽的可能性微乎其微。这将从根本上解决IPV4地址空间枯竭的问题。
第二，IPV6提供更好的服务质量(Quality of Service，QoS)。IPV6不仅可以有效地解决互联网网络地址的危机，而且能大大提升互联网网络的性能。在IPV6中提供了对QoS的支持。在IPV6分组的头部中定义了两个重要参数：业务类别字段和流标示字段。业务类别字段将IP分组的优先级分为l6个等级。对于那些需要特殊QoS的业务，可在IP数据包中设置相应的优先级，路由器根据IP包的优先级来分别对这些数据进行不同的处理。数据流标志位用于定义任意一个传输的数据流，以便网络中所有的节点能对这一数据进行识别，并作特殊处理。
第三，提供更强的网络安全保障。为了加强Internet的安全性，IPV6中包含了一套用于保护IP通信的IP安全协议(IP Security，IPSec)。IPSec是IPV4的一个可选扩展协议，也是IPV6的一个组成部分，对所有IPV6节点，IPSec是强制实现的。因此，当建立一个IPV6的连接时，可以得到一个安全的端到端连接。通过对通信端的验证和对数据的加密保护，使敏感数据可以在IPV6网络上安全地传输。
第四，支持即插即用和移动性。IPV6继承了IPV4的自动设置主机IP地址功能，同时又有改进。众所周知，手工配置主机IP地址是一件既费时又乏味的事情，而管理分配给主机的静态IP地址更是一项艰难的任务，尤其是主机IP地址需要经常改动的时候。在IPV4中，动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)实现了主机IP地址及其相关配置的自动设置。IPV6继承了IPV4的这种自动配置服务，并将其称为全状态自动配置(stateful auto configuration)。除了全状态自动配置，IPV6还采用了一种被称为无状态自动配置(stateless auto configuration)的自动配置服务。在无状态自动配置过程中，主机首先通过将它的网卡MAC地址附加在链接本地地址前缀之后，产生一个链接本地单点广播地址。接着主机向该地址发出一个被称为邻居探测(neighbor discovery)的请求，以验证地址的唯一性。否则，主机将使用一个随机产生的接口ID组成一个新的链接本地单点广播地址。然后，以该地址为源地址，主机向本地链接中所有路由器多点广播一个被称为路由器请求(router solicitation)的配置信息请求，路由器以一个包含一个可聚合全局单点广播地址前缀和其它相关配置信息的路由器公告响应该请求。主机用它从路由器得到的全局地址前缀加上自己的接口ID，自动配置全局地址，然后就可以与互联网中的其他主机通信了。
使用无状态自动配置，无需手动干预就能够改变网络中所有主机的IP地址。例如，当企业更换了联入互联网的ISP时，将从新ISP处得到一个新的可聚合全局地址前缀。ISP把这个地址前缀从它的路由器上传送到企业路由器上。由于企业路由器将周期性地向本地链接中的所有主机多点广播路由器公告，因此企业网络中所有主机都将通过路由器公告收到新的地址前缀，此后，它们就会自动产生新的IP地址并覆盖旧的IP地址。由于设备接入网络时，通过自动配置可以自动获得IP地址和必要的参数，实现即插即用，简化了网络管理，易于支持移动节点。基于移动IPV6协议集成的IP层移动功能具有很多优点。尽管IPV4中也存在一个类似的移动协议，但二者之间存在着本质的区别：移动IPV4协议不适用于数量庞大的移动终端。移动IP需要为每个设备提供一个全球唯一的IP地址。IPV4没有足够的地址空间可以为在公共互联网上运行的每个移动终端分配一个这样的地址；而移动IPV6能够通过简单的扩展，满足大规模移动用户的需求，这样就能在全球范围内解决有关网络和访问技术之间的移动性问题。
第五，提高了网络的整体吞吐量。由于IPV6的数据包可以远远超过64K字节，应用程序可以利用最大传输单元(maximum translation unit，MTU)，获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快数据包处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量。IPV6将支持包长可达4兆字节的分组，这将使得大分组的传送更容易，并可确保IPV6能够在任意的传输媒体上达到对可用带宽的最佳利用。六是IPV6支持组播功能。组播是一种可将信息传递给所有已登记了欲接收该消息的主机的功能，此功能可同时传递数据给大量的用户，传递过程只会占有一些公共或专用带宽开销而不会浪费带宽在整个网络里广播。IPV6还包含了一些限制组播消息传递范围的一些特性，这样，组播消息可以被局限在一个特定位置、区域、公司或其它约定范围，从而减少带宽的使用并可提供安全性。
3、IPV6的寻址方式
IPV4与IPV6地址之问最明显的差别在于长度： IPV4地址长度为32位，而IPV6地址长度为28位。RFC 2373中不仅解释了这些地址的表现方式，同时还介绍了不同的地址类型及其结构。IPV4地址可以被分为2至3个不同部分f网络标识符、节点标识符，有时还有子网标识符)，IPV6地址中拥有更大的地址空间，可以支持更多的字段。IPV6地址有三类：单播、组播和泛播地址。单播和组播地址与IPV4的地址非常类似；但IPV6中不再支持IPV4中的广播地址，而增加了一个泛播地址。
单播：一个单接口的标识符。送往一个单播地址的包将被传送至该地址标识的接口上。
泛播：一组接口(一般属于不同节点1的标识符。送往一个泛播地址的包将被传送至该地址标识的接口之一(根据选路协议对于距离的计算方法选择“最近”的一个)。
组播：一组接口f一般属于不同节点)的标识符。送往一个组播地址的包将被传送至有该地址标识的所有接口上。
IPV6的128位地址分成前缀和后缀两部分，各64位：其中64位后缀地址由设备接口来定。IPV6寻址模型与IPV4很相似。每个单播地址标识一个单独的网络接口。I P地址被指定给网络接N而不是节点，因此一个拥有多个网络接口的节点可以具备多个IPx-6地址，其中任阿一个IPV6地址都可以代表该节点。尽管一个网络接口能与多 单播地址泪关驳，坦一个单播地址只能与一个网络接口帽关联。每个网络接口必须至少具备一个单播地址。
IPV6主枧并不需要了解这种地址的层次结构，因此它对网络安全 很大的好处。为了保证同外部因特网通信时的安全，公司的工作站可以使用定点地址。当需要在相邻的路由器之间安全地传送路由拓扑信息时，还可以使用局部连接地址。组播地址也属于这种分层地址结构，而且被用于地址的自动配置。
另外，这种地址结构还支持一些新服务，如：优化的IP层移动或广播服务。在1Pv6互联网网络上，这些服务一开始就可以在全球范围内实现。而IPV4就几乎没有这种灵活性。
IPV6的这种分层地址结构也使得路南器可以使用多个可聚类的短路由表，每个路由表中存放适量数目的记录，IPV4的一个特点就是，路由表内容呈指数级增长，从而增加了每个数据包的处理延迟。而在IPV6中，这和’处理延迟已不再是一个限制因素。IPV6同时改进提高了IP包的基本报头格式。这种简化的包结构是对IPV4的一个主要改进之处，它有助于弥紊、1Pv6长地址占用的带宽。IPV6的16字节地址长度是IPV4的4字节地址长度的4倍，但IPV6报头的总古 度只有IPV4报头总长度的2倍。
IPv(报头所含字段少，而且报头长度固定。这些特点使路由器的硬件实现更加简单。与IPV4不同，IPV6网络中，在路由过程中不对数据包进行分割，从而进一步减少了路由负载。这些改进使IPV6能够在一个合理的开锚范围内，适应互联网流量的指数级增长速度。
IPV6的另一个优点就是，在需要的时候能够在基本报头的后面放置扩展报头。这也同时提高了路由能力。与跳跃式报头不同的是，这种连续报头在终端节点进行分析。一个实例就是IP安全报头，它能够提高端到端的安全性。其它扩展报头包括路由报头，分断报头，认证报头和信宿报头。
4、IPV4向IPV6的过渡
尽管IPV6比IPV4具有明显的先进性，要想在短时间内将Internet网络中的所有系统全部从IPV4升级到IPV6是不可能的。从IPV4到IPV6的升级是一个逐渐演进的过程，而不是立即改变的过程。在第一个演进阶段，只要将小规模的IPV6网络连入IPV4因特网，就可通过现有网络访问IPV6服务。但是基于IPV4的服务已经很成熟，它们不会立即消失。重要的是既要继续维护这些服务，同时又要支持IPV4和IPV6之间的互通性。实现这一目标有三种方法：1．采用兼容IPV4的IPV6地址；2．采用双IP协议栈；3．采用基于IPV4通道的IPV6。
兼容IPV4的IPV6地址是一个特殊的IPV6单点广播地址，一个IPV6节点与一个IPV4节点可以使用这种地址在IPV4网络中通信。这种地址是由96个0位加上32位IPV4地址组成的。例如，假设某节点的IPV4地址是192．56．1．1，那么兼容IPV4的IPV6地址就是：0：0：0：0：0：0：C038：101。
双IP协议栈是一个系统(如一个主机或一个路由器)中同时使用IPV4和IPV6两个协议栈。这类系统既拥有IPV4地址，也拥有IPV6地址，因而可以收发IPV4和IPV6两种IP数据报。
与双IP协议栈相比，基于IPV4通道的IPV6是一种更为复杂的技术，它是将整个IPV6数据报封装在IPV4数据报中，由此实现在当前的IPV4网络(如Internet)中的IPV6节点与IPV4节点之间的IP通信。
基于IPV4通道的IPV6实现过程分为三个步骤：封装、解封和通道管理。封装是指由通道起始点创建一个IPV4包头，将IPV6数据报装入一个新的IPV4数据报中。解封是指由通道终结点移去IPV4包头，还原原始的IPV6数据报。通道管理是指由通道起始点维护通道的配置信息。
5、IPV6应用展望
5.1充裕的地址引起的巨大应用
中国在IPV4的发展中处于落后状态，使得IP地址的供需出现了严重的失衡。截至2002年8月，拥有13亿人口的中国只有大约25027个IP地址，B类地址仅有上百个，A 类地址一个都没有。不言而喻，中国应该是全球最需要IP地址的国家之一。一旦IPV6在中国普及推广开来，首先，人们不用再为缺少地址而费尽心机地想出各种替代方法，以牺牲很多IP协议所提供的优良功能为代价了。那时，每人都将拥有一个或多个IP地址，配备上相应的计算机设备，无论你在天涯海角，都可以做到随时在线．连接全球。其次，在不远的未来，中国的家电厂商们将开发出新一代的信息家电，即我们除了计算机之外，还可给电视机、冰箱、微波炉、空调、洗衣机等家用电器分配固定地址，以利于它们与Internet的连接。在信息家电与Internet连接后，外出的人就可操作家中的空调、冰箱等，比如，可以通过网络下载做菜方式，自动设定温度和作业时间，减少做菜的手续。此外，随着对宽带应用的不断深入，我们已越来越意识到，目前的IPV4已无法满足人们实现端对端通讯的需求。如果双方都有一个终身IP地址，将使IP电话、网上游戏等网络应用比现在简单得多。IPV6的128位地址长度，几乎可以不受限制地提供IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。端到端实时通信是通信业务的基本特征，同时也是下一代网络的本质特征和发展方向，是互联网产业化的必然需求。传统互联网的“终端——服务器型服务”模式无法满足这一需求，制约了互联网产业化的发展进程，势必将被以IPV6为基本核心技术的下一代网络所取代。将来，所有的电信服务和信息服务都会使用下一代网络。下一代网络将逐渐取代电路交换网络和构成现有互联网的IP网，除了提供原来在这些网上提供的服务之外，运营商还将利用下一代网络的多业务能力，提供新的服务，创造新的收入增长点。
5.2 自动地址配置给特定应用带来便利
IPV6的自动地址配置给特定的应用带来了方便。随着小型信息设备像PDA和移动电话数量的增长，IPV6的这一改进备受青睐。我们都希望不必进行很多细节的配置就可以很容易地接入Internet，对于可移动的无线设备来讲，全球编址和自动配置提出了一个不错的解决办法。
5.3 高QoS带来高性能的优质服务
实行IPV6协议能够提供丰富多彩的高质量服务。例如：能够将同样的信息同时传送给指定群体内所有设备的IP多路传播功能，利用此功能，就能通过宽带网实现因特网广播，还能构成可播放电影等内容的网络，能够顺畅而又有效地传播大容量影像信息，将会为我们解决信息在地区以及时间上的差异等众多问题。
实行IPV6协议可以从根本上优化路由器传输效率，使得目前的各种宽带传输技术迈上一个新的台阶。到那时，困扰中国网民很久的网络速度问题，将得到彻底解决，上网速度可加快100至1000倍，使实现医药、音乐和娱乐的在线及交互式未来提供了可能。人们可以舒舒服服呆在家里，享受超高速网络所带来的欢乐 信息家电连上光纤后，更可直接以交互方式收看电影，听音乐和广播。股民即使在家中，也能通过光纤网络和证券公司等金融机构的业务员在电视上交谈，同时进行交易。
多媒体技术、视频会议和语音IP等均可从该协议的QoS特点中获益。例如，位于美国夏威夷的l1家全球天文台已经连接了以IPV6为基本核心技术的下一代网络—— 第二代互联网，阿姆斯特丹的天文学家可以精确地调整天文望远镜，并通过第二代互联网提供的先进的电话会议技术与全球同行讨论观察结果。而华盛顿特区的外科医生也可以用第二代互联网对在其它地区的手术进行实时指导。这些都是第二代互联网可以提供的便捷服务。许多我们现在根本不敢去尝试的应用，比如虚拟现实、实时交互影像、远程外科手术，都可以在下一代互联网上轻而易举地实现。
5.4 移动互联网
IPV6与移动通信的结合将为目前的互联网开拓一个全新的领域一移动互联网。它能提供语音、数据、视频融合的高品质、多样化通信服务。通过移动互联网，使我们能够在移动中购买商品和服务，我们的移动设备将成为无线钱包，使我们能够随时随地以在线方式选购商品或服务，并为之付款．我们能够使用移动设备查询飞机的航班，风景点的简要情况。以便做出最后的安排；我们还能够利用同一设备查找地图以及要参观的地方；我们还能够找到距离我们最近的餐馆；如果是平时，我们驾车外出，安装在我们汽车里的无线设施将提供实时定位技术，同时也起到导航和安全保护的作用。
5.5 安全性能得到有效的保证
现今Internet由于地址不够，很多网络用户是通过装有NAT 模块的防火墙间接地访问Internet的。NAT 模块检查所有通过的数据流，并进行地址转换。由于NAT 的介入，防火墙内部的机器无法建立和外部主机的端到端安全连接，所以也无法保证数据报可以不被修改地得到传送。IPV6配备了IP安全保护功能，能够根据IP地址由服务器来特定通信对象(iR备)。为此能实现高度的安全保护；通过采用IPSec，IPV6还能够轻而易举地实现端到端的暗号化通信。IPV6协议内置安全机制并已经标准化。它支持对企业网的无缝远程访问。例如公司虚拟专用网络的连接。即使终端用户用“时时在线”接入企业网，这种安全机制也是可行的。这种“时时在线”的服务类型在IPV4技术中是无法实现的。对于从事移动性工作的人员来说，IPV6是IP级企业网存在的保证。
另外，作为IPSec的一项重要应用，IPV6集成了虚拟专网(VPN)的功能。IPV6对安全机制的增强非常适用于VPN 加密对有效的VPN布局来讲是关键，尽管数据加密让系统很难做出基于分组内容的服务级别(Class—of—Service，CoS)判断，但是对基于点到点的VPN来说，CoS信息可以从VPN中分离出来。而且IPV6的路由器自动配置机制可以简化安全VPN 的实现。
5.6视频应用
IPV6对于视频应用的意义在于：解决了地址容量问题，优化了地址结构以提高选路效率，提高了数据吞吐量，以适应视频通信大信息量传输的需要。IPV6还加强了组播功能，实现基于组播、具有网络性能保障的V C视频会议、高清晰度数字电视、VOD视频点播、网络视频监控应用。IPV6对于IPV4的最大革新之处在于它对于QoS的考虑，对各种多媒体信息根据紧急性和服务类别确定数据包的优先级。
5.7 移动智能终端应用
传统的移动通信技术主要是为了支撑话音业务，虽然随着用户需求的提出和技术的发展，目前已经有了基WAP或GPRS提供IP业务的蜂窝电话产品，但是现有的技术远远无法满足未来通信的需要，第三代移动通信将采用分组交换的设备来代替电路交换设备，IP业务将是第三代移动通信业务中的重要组成部分。由于IP的诸多优点和全球IP浪潮的影响，3G演变为全IP的趋势越来越明显。作为移动通信的核心，3G为了满足始终在线的需求，需要很大的地址空间，只有IPV6才能满足这种需求。3GPP RAN WG3已经要求，对于Iu，Iub以及Iur接口，如果要提供IP传输，则UTRAN节点必须支持IPV6，对IPV4的支持则是可选的。3G的发展方向将是一个全I P的分组网络，3G业务将以数据和互联网业务为主，在3G网络上将承载着实时话音、移动多媒体、移动电子商务等多种业务，因此在计费、漫游、应用、终端等方面会更加复杂，IPV6将是实现这些服务的关键。
5.8 无线网络应用
目前，无线网络WLAN在中国的热点地区渐成亮点，随着网络技术和业务的发展，人们将会提出多种接入方式无缝互连的要求，即忽略蓝牙、无线局域网和广域网(GSM／CDMA)之间的技术差异，使得在不同网络环境下用户的连接和所使用的业务不会中断，真正实现不间断的连接。采用移动IPV6将使这一目标的实现更加容易。总之，IPV6协议在安全性、移动性等方面也都具有比IPV4协议更好的特性，采用IPV6的下一代互联网比现有互联网更具扩展性、更安全，且更容易为用户提供高质量服务。
综上所述，IPV6的自动识别功能、近乎无限大的地址、网络安全设置、更高质量的端与端服务等优点，决定了它有许多IPV4无法实现的应用。有人说IPV6宣告了信息化新时代的到来，这一点都不为过。由于其地址空间近乎无穷性，IPV6可以为互联网上的每一台装置都分配一个唯一的、永久的地址，从而实现装置的“始终在线”，并可以使任何一台装置直接与其它装置进行端到端的连接。现在很多汽车和家电生产商也开始注意IPV6的发展。据预计，这些设备将在不远的将来与互联网相连，并将需要一个全球唯一的地址。到时我们就可以通过互联网来控制这些家电。再如IPV6与移动通信结合，不久的将来，当每个人都要携带一个或多个移动终端时，IPV6将为所有的移动终端提供唯一的IP地址，可以实现个人之间的直接通信。总之，IPV6带给我们的精彩之处将远远超出我们现在有限的想象。
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