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下一代Internet协议----IPv6（王海涛 郑少仁）
摘 要：阐明IPv4升级的原因和IPv6的改进之处，讨论IPv4过渡到IPv6的几种方案并介绍IPv6
相关产品的进展情况。
关键词：IPv6 IP安全 邻居发现（ND） QOS 双栈
一、引言
当前应用在Internet上的IPv4协议成功连接着全球上亿台主机，极大地促进了Internet的
发展。但是，随着网络规模的不断扩大，IPv4的缺陷和不足（如地址空间匮乏、路由表过于庞
大以及不能很好地支持实时业务等问题）使得它不能适应高速发展的Internet的要求。为此，
IETF（Internet工程任务组）制定了用以取代IPv4的新一代Internet协议--IPv6。
二、IPv4升级的原因
IPv4是Internet现在仍在使用的IP协议，它产生于1974年。随着Internet的发展，IPv4已
经难以满足需要。现在它主要面临以下四个问题：
1.IP地址资源即将枯竭
IPv4地址是32位，理论上可以具有多于40亿的地址，但这只适用于IP地址以顺序化分布的
网络规模较小的情况。实际IP地址采用分级的地址格式：IP地址分为网络地址和主机地址两部
分，从而使数据的选路变得更加简单，但也缩小了可用地址范围。我们知道IP地址被分为5类，
A类地址只有126个，用于那些最大的实体，理论上可能支持最多1600万台主机。B类地址大约
16000个，理论上可以支持超过65000台主机。C类网络超过200万个，每个网络上主机数量不超
过255个。但是实际上，获得A类地址的公司很少能够高效使用它所拥有的地址，而申请B类地
址变得越来越困难，C类地址的使用效率也很低。鉴于这些问题，出现了无级域间路由（CIDR）、
变长子网掩码（VLSM）及网络地址翻译（NAT）等解决方法。这些方法在一定程度上缓解了IP
地址资源的紧缺，而且大幅度地减小了骨干网上路由表的大小。但是这些方法却不能增加IPv4
所能容纳的主机数量；NAT虽然提供了一种减少IP地址需求的方法，但使用起来肯有很大的随
意性，并且在重新对专用IP网络编址时需要花费较长的时间和昂贵的代价。因此，它们只能作
为一种短期的解决办法。随着连接到Internet的主机数目的快速增加，现有的IP协议无法解决
地址资源很快被用光的问题。
2.IPv4的性能有待改进
IPv4采用与网络的拓扑结构无关的地址分配形式，随着网络数目的增加，路由器数目亦快
速增加，决定数据传输路由的路由表也就不断加大。庞大的路由表大大降低了Internet服务的
稳定性。同时目前Internet只能提供"尽力而为"的服务，远远不能满足不断涌现的大量新业务
对IP协议性能的要求。
3.IPv4的安全性比较差
IPv4协议本身安全性问题考虑较少，随着Internet的迅速发展，特别是电子商务等网上商
业活动的兴起，使得安全性问题日益突出。尽管在IPv4协议上开发了宝剑套接字协议（SSL）、
设计了数字签名机制并引入了安全隧道协议，在一定程度上改进了Internet的安全性，但这些
方法都存在相应的问题：在应用层进行加密会使得很多信息被公开；SSL虽然能够为Web应用提
供较好的安全保障，但要求客户机和服务器应用程序都支持SSL；隧道协议也能提供较好的安
全支持，但缺乏通用的标准。
4.IPv4不具备自动配置功能
在IPv4下很多情况需要手工配置用户地址，这不仅增加了管理费用，而且给需要频繁变动
地址的企业带来极大不便。动态主机配置协议（DHCP）使问题在一定程度上得到解决，但在很
多情况下它并不适用。
三、IPv6的改进
针对IPv4存在的各种不足之处，IETF制定了IPv6协议，主要进行了以下改进：
1.大幅度扩展了编址能力
IPv6的地址是128位，使得编址空间增加了296倍，并且可以支持灵活的、全球范围的路由
体系结构。IPv6除了支持单播（Unicast）和多播（Multicast）地址之外，还定义了一种新的
地址格式----泛播（Anycast）地址。IPv6规定送往一个泛播地址的数据包将被传送到该组的
任意一个接口（通常是距离最近的一个接口）。例如，我们可以利用这个特性，在超文本传输
协议中发送一个GET请求到最近的一个镜像站点来获得所需的资源。IPv6单播地址包括可积聚
全球单播地址、未指定地址、回返地址、嵌有IPv4地址的IPv6地址等类型。IPv6地址中保留了
大量的未分配地址，为将来的发展预留了足够的空间。IPv6中定义了两种本地单播地址：链路
本地单播地址和站点本地单播地址：前者定义了在单个网络链路用以完成自动地址配置和邻居
发现等功能；后者用于站点内的寻址，它不能直接选路到Internet。
2.简化了IP包头格式
IPv6包头包括总长为40字节的8个字段；而IPv4包头包含至少12个不同的字段，且在不包
含任选项时包头长度为20字节，而包含任选项时最多可达60字节。IPv6的包头长度统一，因
此不再需要包头长度字段。并且在IPv6中去掉了头校验和字段，头校验和将由高层协议负责。
由于IPv6使用了固定格式的包头并减少了需要检查和处理的字段的数量，选路效率明显提高。
3.加强了扩展和选项功能
IPv4中可以在IP包头的尾部加入可选项，但是改变了IP包头的大小，从而引发一个路由
器把含有可选项的
IP包搁置起来，等到有时间的时候再进行处理。与IPv4不同，IPv6把选项加在单独的扩展头中，
因此可以大量减少选项带来的对性能的影响。通过把选项从IP包头搬移到净荷中，路由器可以
像转发无选项包一样来转发包含选项的包。除逐跳选项餐，IPv6包中的选项对于中间路由而言
是不可见的。同时IPv6的分段只能发生在源节点上，因此需要考虑分段扩展头的节点只有源节
点和目的节点，所有中间节点都可以安全地忽略该分段扩展头，从而提高了选路效率。
4.对服务质量（QOS）的支持
传统的Internet只能提供"尽力而为"的服务，它尽最大可能地传送数据包，对不同类型的
业务流进行相同处理。随着实时业务（如IP电话和多媒体等业务）的大量涌现，要求Internet
必须支持QOS。提供QOS的方法包括集成服务（Integrated Service）和差分服务
（Differentiated Service），它们都要求对不同类型的业务进行不同的处理。为此，IPv6增
加了流标记功能，通过对IP包编号作标记，可将包划归至不同的数据流；发送者可根据流号请
求相应的QOS服务保证。而且，IPv6包头还包含一个8比特的业务流类别字段，如同IPv4中的服
务类型字段（TOS），可以用来区分具有不同优先级别的各种IPv6数据包，从而可以提供不同
形式的差分服务。
5.加强了IP协议的安全性
针对IPv4安全性差的问题，IPv6包含了IP安全体系（IPSec），用以保证那些要求较高安
全级别的业务。IPv6使用了两种安全性扩展：IP身份验证头（AH）和IP安全封装负荷（ESP）。
AH和ESP的引入使IPv6能够较容易地实现安全性的三个目标：身份验证、数据完整性和机密性。
AH为源节点提供了在数据包上进行签名的制。AH之后的数据可能被攻击者截获，但在目的节点
接收数据之后，可以使用AH中包含的数据来进行身份验证；同时可使用ESP对数据内容进行加
密（在对ESP头之后的所有数据进行加密后，接收者可以利用ESP头中信息对其进行解密）；
此外，IPv6中还通过加强密钥管理等措施来进一步提高网络的安全性。由于这些安全性在IP
层提供，高层协议 （如ICMP、DHCP、DNS等）也可以使用这些安全特性，从而满足那些安全
性要求较高的业务（如电子商务和Internet）的需要。
6.邻居发现即插即用
IPv6中邻居发现（ND）协议用来动态收集相邻网络的信息，这些信息包括本地网络参数、
IPv6地址到第二层地址的解析、路由重定向及相邻节点的状态。ND协议代替了IPv4中使用的
ARP协议。由于ARP协议采用广播，而ND协议使用组播并且允许智能网桥分流ND业务量，从而
可以减轻"广播风暴"的影响。
IPv6支持完全的即插即用协议用来实现网络节点和主机自动配置。IPv6中包括两种自动
配置：全状态自动配置（stateful autoconfiguration）和无状态自动配置（stateless
autoconfiguration）。全状态自动配置的问题在于，用户必须保持和管理特殊的自动配置
服务器以便管理所有状态（包括允许的连接及当前的连接的相关信息），对于有足够资源来
建立和保持配置服务器的机构，这种方法以接受；但它不适合于大多数个人和小型机构，这
种情况下无状态自动配置是较好的解决方案。使用无状态自动配置，无需人工干预就能够改
变网络中所有主机的IP地址，实现起来相对容易。但是，无状态自动配置对得到IP地址的节
点只能提供最低程度的监视，而全状态自动配置可以更加紧密地控制网络可配置的节点。
IPv6的即插即用特性使其能够支持多种网络业务的自动配置（如网络打印机和文件服务器的
自动发现和配置），支持DNS的自动初始化和更新，并使路由器的重新配置变得十分容易。即
插即用减轻了地址管理的负担，有助于促进Internet的快速发展。
7.移动IPv6
与IPv4相比，移动IPv6将更易于实现使用。首先，通过使用无状态自动配置或全状态自
动配置来自动产生移动节点的转交地址。正因为如此，IPv6中没有外地代理转交地址，而只
有配置转交地址。其次，通过使用绑定更新、绑定确认和绑定请求目的地选项，IPv6节点能
动态地学习和缓存移动节点家乡地址和其转交地址的绑定关系，从而可以使选路路由得到进
一步优化。而且，那些知道移动节点地址的通信对端可以利用选路包头（
Routing Header）直接向移动节点发送数据包，从而使分组的传递更加直接和高效。
四、IPv4过渡到IPv6的方案
IPv4升级到IPv6所面临的主要问题之一是采取什么样的过渡方案。这种过渡应该是一种
循序渐进的、平稳的过程。并且过渡到IPv6的策略应该不受限制：网络管理者可以更新主机，
然后升级路由器或者采取想反的顺序；也可以只对一部分主机和路由器进行升级。根据不同
的情况，可以在不同的阶段采取以下三种过渡方案。
1.双栈方法和隧道方法
双栈方法是一种较简单的过渡方法。它要求节点是IPv4/IPv6双栈节点，这些节点既可
以与IPv4节点通信，也可以与IPv6节点通信；通常情况也要求网络中的路由器为双栈路由器。
当没有IPv6骨干网可以利用时，可以采用隧道方法来替代双栈方法：将IPv6分组封装到IPv4
分组的净荷中，用于在IPv4网络中连接IPv6主机和路由器。
2.协议转换方法
协议转换方法可以使IPv6网络和IPv4网络实现互联。协议转换包括网络层协议转换和高
层协议转换。网络层协议转换，例如网络层地址翻译和协议翻译（NAT-PT）可看作是位于
IPv6网络和IPv4之间的网关。它可以实现IPv6和IPv4分组的相互转换。但网络层协议转换使
得IP地址不再具有端到端的特性。高层协议转换方案可以克服这一缺点，如基于Socket的
IPv6/IPv4网关可以实现IPv6和IPv4网络的相互通信。
3.地址分配方法
我们可以通过临时向一个双栈主机分配一个IPv4地址、并且使用IPv6上的IPv4隧道来
实现一个本地IPv6网络中的主机同IPv4网络中的IPv4节点进行通信。这种方法是在短期进
行IPv6测试和最初用于网络配置的情况下可以采用的一种过渡方法，但不能作为一个长期
的过渡方案。
五、IPv6产品的进展情况
直到现在，IPv6的标准化工作还在继续进行，但是许多网络产品供应商已开始在其产
品中加入IPv6特性。
软件方面，FTP软件公司的Secure Client 3.0是支持IPv6的完整TCP/IP协议栈产品。
其余大多数厂商仍只能提供IPv6的测试版或研究版。Sun的Solaris IPv6的原型能够支持在
IPv4上实现IPv6隧道、IPv6地址解析、IPv6组播以及IPv6分段与重组。同时还有许多组织
正致力于为UNIX 和Linux操作系统开发IPv6驱动程序。硬件方面，Cisco和Nortel等网络
公司均在测试支持IPv6的路由器之类的产品。日立公司已开始销售IPv6路由器，
DEC公司也发布了支持IPv6的AlphaServer产品，而Bay公司的BayRS12.0版选路产品也能够
支持IPv6。
六、结论
目前，在世界范围内已经布置了许多用于试验和测试的IPv6网络。产生于1996年底的
6BONE网络到目前已经连接了大约40个国家和地区，我国也于1999年底建立了全国性的IPv6
试验网。IPv6作为下一代的Internet协议，解决了IPv4地址枯竭的问题、简化了网络的配
置和管理，并且能够满足各种安全性、实时性和移动性业务开展的要求，使Internet焕发
出新的生机和活力。尽管IPv4过渡到IPv6还需要很长一段时间、还存在很多困难，但是
IPv6最终将取代IPv4，成为支撑下一代Internet的基石。
摘自《数据通信》
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