新一代互联网技术简介.ppt

,新一代互联网技术简介,10.1 概述10.2 10 G以太网10.3 最后一公里接入技术10.4 多层交换10.5 全光网络10.6 IPv610.7 新兴无线通信技术10.8 P2P技术练习题10,10.1 概 述毋庸置疑，信息化、数字化、全球化、网络化应该是21世纪人类社会的重要特征。网络作为信息社会的主要载体，它的重要性就如同铁路和高速公路对工业社会一样。网络必将成为21世纪全球最重要的基础设施之一。功能各异、形式多样的应用系统对数字信息的综合采集、存储、传输、处理和利用，最终将通过无处不在的网络平台使全球范围的人类社会更紧密地联系在一起。,不难预见，在不久的将来，随着光和无线通信技术的发展，以及网格计算等革命性应用的研究进展，新一代互联网将朝着“更大，更快，更及时，更方便，更安全，更可管理和更有效”的方向发展。“更大”指的是新一代互联网络将采用IPv6为基本网络层协议，从而彻底解决目前的互联网地址空间严重缺乏的问题，为新一代互联网络的进一步大规模发展奠定基础。“更快”是指与目前的互联网相比，新一代互联网络骨干网逐渐向T比特过渡(1 Tb=1024 Gb，1 Gb=1024 Mb)，用户端到端的性能也有大幅度提升，至少达到100 Mb/s以上。,“更及时”是指新一代互联网络必须支持组播和面向服务质量的传输控制等功能，从而可以更及时地为用户提供各种实时多媒体信息。“更方便”指新一代互联网络必须能够支持更方便、快捷的接入方式，支持终端的无线接入和移动通信等。“更安全”是指新一代互联网络必须提供可信任的网络服务，包括网络对象识别和网络攻击防范等。“更可管理”是指新一代互联网络必须提供更方便、灵活的管理手段，对网络运行的各个方面实施全面、高效的管理。“更有效”指的是新一代互联网络必须提供合理的盈利模型，提供方便的计费手段，使网络更加有效地运行。,10.2 10 G 以 太 网10.2.1 技术背景及特点传统以太网主要在局域网中占绝对优势。但是在很长的一段时间中，人们普遍认为以太网不能用于城域网，特别是汇聚层以及骨干层。主要原因在于以太网用作城域网骨干层带宽太低(10 M以及100 M快速以太网的时代)，传输距离过短。当时认为最有前途的城域网技术是FDDI和DQDB(Distributed Queue Dual Bus，分布队列双总线)。,随后的几年里，ATM技术成为热点，几乎所有人都认为ATM将成为统一局域网、城域网和广域网的唯一技术。但是由于种种原因，当前在国内，上述3种技术中只有ATM技术成为城域网汇聚层和骨干层的备选方案。目前最常见的以太网是10 M以太网以及100 M以太网(快速以太网)。100 M快速以太网作为城域网骨干显然带宽不够。即使绑定多个快速以太网链路一起使用，对多媒体业务仍嫌不足。,随着千兆以太网的标准化以及在生产实践中的广泛应用，以太网技术逐渐延伸到城域网的汇聚层。千兆以太网通常将小区用户汇聚到城域网的POP点(Post Office Protocol，邮局协议，POP点意为接入点)，或者将汇聚层设备连接到骨干层。但是，在当前10 M以太网连接用户的环境下，千兆以太网链路作为汇聚，也很勉强，作为骨干层则是力所不能及。虽然以太网多链路聚合技术已完成标准化且多厂商已成为可能，可以将多个千兆链路捆绑使用，但是考虑光纤资源以及波长资源，链路捆绑一般只用在POP点内或者短距离应用环境下。,传输距离也曾经是以太网无法作为城域网骨干层和汇聚层链路技术的又一障碍。无论是10 M、100 M还是千兆以太网，由于信噪比、碰撞检测、可用带宽等原因，五类线的传输距离都是100 m。使用光纤传输时，距离受制于以太网使用的主从同步机制。802.3规定：1000Base-SX接口使用纤芯为62.5 m的多模光纤，最长传输距离为275 m，使用纤芯为50 m的多模光纤，最长传输距离为550 m；1000Base-LX接口使用纤芯为62.5 m的多模光纤，最长传输距离为550 m，使用纤芯为50 m的多模光纤，最长传输距离为550 m，使用纤芯为10 m的单模光纤，最长传输距离为5000 m。,千兆以太网链路在城域范围内远远不够。虽然基于厂商的千兆接口已经能达到80 km的传输距离，而且一些厂商已完成互通测试，但毕竟是非标准的实现，不能保证所有厂商有关该类接口的互连互通。综上所述，以太网技术不适宜用在城域网骨干层和汇聚层的主要原因是带宽不够和传输距离短。随着万兆以太网技术的出现，上述两个问题基本已得到解决。,10.2.2 发展趋势10 G以太网在设计之初就考虑了城域网骨干层的需求。首先，带宽10 G足够满足现阶段以及未来一段时间内城域网骨干层带宽的需求(现阶段多数城域网骨干层的带宽不超过2.5 G)。其次，10 G以太网最长传输距离可达40 km，可满足大多数城市城域网的覆盖要求。采用10 G以太网作为城域网骨干层可以省略骨干层设备的POS(Passive Optical Splitter，无源分光器)或者ATM链路。采用10 G以太网，可以节约成本，因为以太网端口价格远远低于相应的POS端口或者ATM端口，使端到端采用以太网帧成为可能。,这一方面使端到端可以使用链路层的VLAN信息和优先级信息，另一方面可以省掉数据设备上的多次链路层封装与解封装以及可能存在的数据包分片，简化网络设备。因此在城域网骨干层采用10 G以太网链路可以提高网络性价比并简化网络。我们可以清楚地看到，10 G以太网可以应用在校园网、城域网、企业网等。但是由于当前宽带业务并未广泛开展，人们对单端口10 G骨干网的带宽没有迫切需求，所以10 G以太网技术相对其他替代的链路层技术(例如2.5 G POS、捆绑的千兆以太网)并没有明显优势。,思科和JUNIPER公司已推出10 G以太网接口(依据802.3ae草案实现)，但在国内几乎没有应用。目前城域网的问题不是缺少带宽，而是消耗大量带宽的Killer Application(杀手级应用)如何将城域网建设成为可管理、可运营并且可盈利的网络。所以10 G以太网技术的应用将取决于宽带业务的开展。只有广泛开展宽带业务，例如视频组播、高清晰度电视和实时游戏等，才能促使10 G以太网技术广泛应用，推动网络技术向前发展。,10.3 最后一公里接入技术按照服务范围、网络拓扑和接入逻辑，可把现代通信网划分为核心网和接入网。核心网可再细分为骨干层和汇聚层；接入网是指从基础运营商的业务节点到最终用户的所有网络设施，包括接入段、引入段和馈线段。接入网是连接电信业务提供商和最终用户的第一桥梁，它既是电信网络的起点，也是电信网络的终点。因为接入网处于网络的末端，因此业界通常将接入网形象地称为“最后一公里”。,在“最后一公里”宽带接入方面，目前有许多种宽带接入技术可供网络运营商选择，其中包括电缆调制解调器、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，不对称数字用户线路)和光纤技术。每一项技术都有其优点，但不是在所有市场中都适用，在有些市场中使用某些技术会很不经济。例如采用光纤FTTX(Fiber To The Home，光纤到户)宽带接入方式，在城市中心区和小区铺设光纤的建设费用很高；又如采用ADSL技术改造现有的铜线资源，只适用于拥有铜线资源的传统电信商，而新兴的电信营运商和ISP(Internet Service Provider，因特网服务提供商)采用ADSL技术时将受到限制，且线路质量不能得到充分保证。,下面把工作于5.8 GHz微波频段的无线宽带接入技术与其他无线固定宽带接入技术作一比较。其他无线固定宽带接入技术主要有LMDS(Local Multipoint Distribution Services，本地多点分配业务)和MMDS(Multichannel Muitipoint DistributionService，多路多点分配业务)技术。LMDS工作在2439 GHz频段，其主要优点是频段较多，频率较高，带宽较宽，但传输距离受到限制，易受天气环境影响，且设备昂贵。目前国家管理机构尚未开放用于LMDS营运的频段。,MMDS工作在3.5 GHz频段，过去主要用于广播电视接入，3.5 GHz双向系统也可用于建立通用的电信骨干网络的接入，但设备昂贵，需向国家管理机构申请频段营运许可证。工作于5.8 GHz频段的无线宽带接入产品需向无线电管理局申请频段，其设备和建设成本大大低于LMDS和MMDS，具有较高的性价比。国内除电信以外的新兴网络营运商大都不具备有线资源用于开展最后一公里宽带接入，目前国内参与宽带网络建设的大部分公司要开通最后一公里宽带接入还不得不铺设或租用DDN(Digital Data Network，数字数据网)或光纤线路，这样做的不足之处是开通周期长，且租用费用高。而使用5.8 GHz无线宽带接入可很好地解决上述问题。,采用5.8 GHz无线宽带接入方式尤其适用于小区之间距离较远、布线难度较大、成本较高或短时间不能开通DDN专线的地区。同时，由于无线接入为一次性投资，可为用户节省租用DDN线路的月租费。在实现最后一公里宽带接入中，5.8 GHz无线宽带接入方式和有线接入方式的比较如表10-1所示。,表10-1 5.8 GHz无线宽带接入方式和有线接入方式的比较,另外，由于5.8 GHz无线宽带接入具有易扩展，组网灵活的特点，可满足具体的应用和安装需要，既适用于用户数量小的对等网络，也适用于几千用户的大型网络。在无线接入中增加或减少移动主机都是相当容易的，因为通过增加无线接入网桥的数量就可以增大用户数量和覆盖范围。,10.4 多 层 交 换10.4.1 技术背景及特点在过去短短的几年里，网络发生了根本性的变化：网桥已经退出了历史的舞台，在LAN中共享式以太网越来越少。人们对于网络的要求导致了新一代网络的诞生和发展，其中交换技术可以说是新的网络时代的核心。交换技术具备强大的寻址能力和出色的稳定性，为需要高带宽的应用程序提供了解决办法，同时也解决了网络智能化问题，它极大地促进了网络的发展。LAN交换技术已经成为一项重要的技术，现在已广泛流行起来。,1.LAN交换技术概述在LAN网中使用交换的目的是为了提高网络的性能，减少网络的阻塞，同时，交换技术能够加快数据的传输速度，极大地降低传统以太网中由于采用CSMA/CD协议而产生冲突的可能性，因而在一定程度上消除了网络的瓶颈。LAN交换机的内在功能类似于网桥，通过跟踪每一个端口发来的帧的源地址，检查帧的目的地址来选择路由。LAN交换机的每一端口能够存储的地址数量决定了它支持工作站和拥有许多工作站的局域网段的能力。,若交换机的每一端口只能支持一个地址，它相当于端口交换设备；若每一端口支持多个地址，它相当于段交换设备。LAN交换机按采用的技术还可以分为“直接通过”和“存储转发”两种类型。直接通过技术就是在LAN交换机读到帧的目的地址后，直接在源端口和目的端口之间进行交叉连接。这种交换具有最小的延时和等待时间。相应地，存储转发交换把全部的帧存在存储器里，并对帧进行差错控制，若对某一帧的循环冗余校验不符，则丢弃该帧。存储转发技术需要将帧从低速局域网中移到高速局域网中，因为必须将全部的帧存储起来，所以这种交换方法必然带来较小程度的时延。,另外，LAN交换机还能同时支持FDDI、快速以太网、令牌环网、以太网和ATM(从严格意义上讲，ATM不完全属于第二层)，可以更进一步地提高带宽和交换机的吞吐量。这些支持多协议的LAN交换机能够将来自某种网络第二层的数据传输到另一种网络中。LAN交换机的应用如图10-1所示。LAN交换机通过将两个服务器连接到两个单独的端口，可以在工作站和服务器之间提供两路连接。,图10-1 LAN交换机的应用,通常LAN交换机可以分成两种类型：骨干网交换机和工作组交换机。其中骨干网交换机(Backbone Switch)是网络核心使用的高端交换机。它获得的数据来自Hub和工作组交换机，可提供这些设备的互连。骨干网交换机可以插入各种网络的选项卡，这些卡支持的网络类型有FDDI、以太网、快速以太网、令牌环网和ATM。骨干网交换机通常连接一种或多种高速网络。工作组交换机属于低端设备，它通过共享技术连接多个共享网段。工作组交换机通常用于连接PC或低流量的数据库服务器。有12个端口的以太网交换机是一种典型的工作组交换机，它提供1.2 Gb/s的带宽，可以看做12个分离的以太网段。一般情况下，工作组交换机要与FDDI或快速以太网等高速骨干网连接。,2.第三层交换技术的工作原理传统的路由器需要对每个路由的包进行大量的处理，由于传统的路由器能够支持多种协议，这种支持是通过软件来实现的，而基于软件的执行速度比基于硬件的要慢，故使得路由器成为网络性能的瓶颈。为了解决路由器的通信瓶颈问题，出现了第三层交换。第三层交换改善了路由器的性能，使网络具有更高的智能性。第三层交换的运行方式类似于LAN交换机，不同的只是，它是基于IP(Internet Protocol，网际协议)地址而不是MAC(Media Access Control，介质访问控制)地址转发数据的。,假设两个使用IP协议的站点通过第三层交换机进行通信。通信的过程是：发送站点A在开始发送时，已知目的站点B的IP地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。要通过地址解析(ARP)来确定目的站点的MAC地址。发送站点把自己的IP地址与目的站点的IP地址进行比较(利用其软件中配置的子网掩码来提取)。目的站点B与发送站点A在同一子网内，站点A广播一个ARP请求，站点B返回其MAC地址，站点A得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封装包以后转发数据，第二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。,若两个站点不在同一子网内，如发送站点A要与目的站点C通信，发送站点A要向“缺省路径”发出ARP封装包，而“缺省路径”的IP地址已经在系统软件中设置。这个IP地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。所以当发送站点A对“缺省路径”的IP地址广播一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站点C的MAC地址，则向发送站点A回复目的站点C的MAC地址。,否则第三层交换模块根据路由信息向目的站点广播一个ARP请求，目的站点C得到此ARP请求后，向第三层交换模块回复其MAC地址，第三层交换模块保存此地址并回复发送站点A。以后，当再进行站点A与站点C之间的数据包转发时，将用最终的目的站点C的MAC地址封装包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，因此信息得到高速交换。,3.第三层交换技术的体系结构第三层交换机又称为路由交换机。可以把第三层交换机看做是一个模型，它涉及ISO参考模型的第二层和第三层。作为交换机，它具有同第二层相同的属性，同时又将第二层交换和第三层路由两者的优势结合成一个灵活的解决方案，可在各个层次提供线速性能，因而具备某些路由性能。这种集成结构还引进了策略管理属性，它不仅使第二层与第三层相互关联起来，而且还提供通信流量的优先化处理、安全以及其他多种灵活功能，如Trunking(端口汇聚)、VPN(虚拟专用网)和Intranet(企业内部互联网)的动态部署。第三层交换机的组成如图10-2所示。,图10-2 第三层交换机的组成,接口层包含了所有重要的局域网接口：10/100 Mb/s以太网、吉比特以太网(即千兆以太网)、FDDI和ATM。交换层集成了多种局域网接口并辅之以策略管理，同时还提供Trunking、VLAN和标签机制。路由层提供主要的LAN路由协议：IP、IPX和AppleTalk(Apple公司推出的一种多层协议)，并通过策略管理，提供传统的路由或直通的第三层转发技术。策略管理和行政管理使网络管理员能根据企业(或部门)的特定需求来调整网络。相对于第三层来说，第二层被采用的程度决定了所谓的网络控制分类，如图10-3所示。,图10-3 第三层交换机的体系结构,一个纯第二层的解决方案，即图中所示的“处处交换”，它在划分子网和广播限制等方面提供的控制最少。而第三层交换机能为分类中的所有层次提供动态的、集成的支持。传统的通用路由器与外部的交换机一起使用也能达到此目的，但是与这种解决方案相比，第三层交换机只需要更少的配置，更少的布线，价格更便宜，并能提供更高的网络性能。,4.第三层交换技术的演变随着硬件和软件的不断升级，第三层交换技术的发展也经历了“三代”的变化。第一代交换机是基于分立的电子元件和原语式的软件框架的混合体。软件的功能运行在一个有固定内存的处理机上。随着管理支持和协议功能的改善，软件的功能也不断增加。当用户的日常业务更加依赖于网络，网络上的流量增多时，网络设备便成了瓶颈。虽然处理机和存储器变得越来越快和有效，但通信流量的增加更为迅速。解决此问题的第一步是简化网络层：用交换机取代路由器，以降低处理数据包的开销并显著提高事务处理速度。图10-4示出了第一代的体系结构。,图10-4 第一代第三层交换机的结构,第二代交换技术引进了专用于优化第二层帧处理的专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特殊应用集成电路)，这种电路可以加快数据包的转发速度，CPU则只处理第三层的工作。ASIC和通用RISC(Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机)CPU的结合，不仅使性能提高了10倍以上，而且降低了系统的整体费用。图10-5示出了第二代的体系结构。,图10-5 第二代第三层交换机的结构,第三代交换技术超越第二代交换技术的地方是采用ASIC+RISC技术，为第三层路由、组播及用户可选的策略(Policy)等方面提供了高速性能，总的数据吞吐量可以超过几百万个包每秒。第三代交换技术使用了基于策略的服务机制，可以支持QoS(Quality of Service，服务质量)，通过FIRE(灵活智能的路由引擎)引入DDP(分布式数据包处理)，可以将数据包快速而独立地传送到系统，同时使用动态分类的PACE技术和RSVP(Resource Reserve Protocol，资源预订协议)，使第二层与第三层的性能灵活地结合起来。,在第三层交换机中，通过内置一个处理机而将 ASIC的能力进一步扩展。这种创新提供了ASIC应有的性能，使 ASIC的可扩展性更强，如增加对 IPv6的支持并不需要硬件升级或损害性能。第三代第三层交换机支持多媒体网络通信，能更有效地减少延时并确保安全。由于交换机、Hub和网卡采用了统一的系统环境，交换机在以太网环境下支持图像传输。图10-6示出了第三代的体系结构。,图10-6 第三代第三层交换机的结构,10.4.2 发展趋势随着LAN交换技术的发展，又出现了第四层交换，它扩展了第三层和第二层交换，能够支持更细粒度的网络调整，以及对通信流的优先权划分。第四层交换是一种基于策略的路由，它位于OSI参考模型的第四层，使用的是第四层信息。根据第四层信息，例如对于TCP/UDP(Transmission Control Protocol，传输控制协议/User Datagram Protocol，用户数据报协议)中数据包的端口号进行交换，它允许根据应用程序来划分通信数据的优先权，根据某种特定应用程序的通信量，将一定量的带宽用于重要的应用程序。,从某种意义上讲，第四层交换提供了在网络中实现CoS(Cost of Service，服务等级)的方法。这样对于一个Intranet来说，它可以减少WWW或FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)的通信量，而给E-MAIL(电子邮件)或Telnet(远程登录)通信量设置更高的优先权。第三、第四层交换基于加速路由的处理过程。目前，基于流或标签的路由处理技术也相继问世，如3Com推出的快速IP和NHRP(Next Hop Resolution Protocol，下一跳解析协议)交换机、Alcatel推出的MPLS(Multi Protocol Label Switch，多协议标签交换)交换机等。多层交换有助于实现LAN和WAN的桥接，随着信息全球化的发展趋势，LAN和WAN的边界变得越来越模糊，多层交换技术为未来可扩展的解决方案奠定了坚实的基础。,10.5 全 光 网 络10.5.1 技术背景及特点所谓全光网络(简称全光网)，是指从源节点到终端用户节点之间的数据传输与交换的整个过程均在光域内进行，即端到端的完全的光路，中间没有电信号的介入。全光网的结构如图10-7所示，图中ONU(Optical Network Unit)意为光网络单元。,图10-7 全光网的结构示意图,随着社会经济的发展，人们对通信业务出现了高层次和多样化的需求，这对通信网络的容量提出了巨大的挑战，而光通信技术的出现给通信领域带来了蓬勃发展的机遇。特别是从提出信息高速公路以来，光技术开始渗透于整个通信网，光纤通信有向AON(All-Optical Network，全光网)推进的趋势。基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。它具备以往通信网和现行光通信系统所不具备的如下优点：,(1)省掉了大量电子器件。全光网中光信号的流动不再有光电转换的障碍，克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，省掉了大量电子器件，大大提高了传输速率。(2)提供多种协议的业务。全光网采用波分复用技术，以波长选择路由，可方便地提供多种协议的业务。(3)组网灵活性高。全光网组网极具灵活性，在任何节点可以抽出或加入某个波长。(4)可靠性高。由于沿途没有变换和存储，全光网中许多光器件都是无源的，因而可靠性高。,10.5.2 发展趋势全光网是通信网发展的目标，分两个阶段完成。第一个阶段为全光传送网，即在点对点光纤传输系统中，全程不需要任何光电转换。长距离传输完全靠光波沿光纤传播，称为发端与收端间点对点全光传输。第二个阶段为完整的全光网。在完成上述用户间全光传送网后，有不少的信号处理、储存、交换以及多路复用/分用、进网/出网等功能都要由光子技术完成。完成端到端的光传输、交换和处理等功能，是全光网发展的第二阶段，即完整的全光网。,光网络正从高速大容量传输向智能化方向发展，要求光网络更灵活、面向用户和成本更低。光网络功能和性能的进步主要取决于所用的光电子器件。器件的先进性、可靠性和经济性会直接影响到系统设备乃至整个网络的生命力和市场竞争力。由于构成光网络的光纤的频带宽、容量大，因此光网络技术使宽带通信网的实现成为可能，光网络技术的发展极大地支持了宽带通信网的发展。通信的宽带化，宽带通信网的光纤化，是通信技术发展的必然趋势。,10.6 IPv610.6.1 技术背景及特点随着互联网的迅速发展，使用Internet技术的TCP/IP协议取得了巨大的成功。但是，TCP/IP协议的研制者没有预料到Internet的规模会发展到今天这么大，从而使得现有的TCP/IP协议面临许多困难。1987年，人们便预计在1996年Internet将接入100 000个网络，这一预测看来是准确的。,此外，虽然目前使用的32位IPv4地址结构能够支持40亿台主机和670万个网络，但实际的地址分配效率远远低于以上数值。只使用A、B和C类地址，使这种低效率的情形变得更为严重。自20世纪80年代后期，研究人员开始注意到了这个问题，并提出了研究下一代IP协议的设想。1990年，人们预计按照当时的地址分配速率，到1994年3月B类地址将会用尽，并提出了最简单的补救方法：分配多个C类地址以代替B类地址。但这样做也带来新的问题，即进一步增大了已经以惊人的速度增长的主干网路由器上的路由表。因此，网络界面临着困难的选择，或者限制Internet的增长率及其最终规模，或者采用新的技术。,1990年后期，IETF(Internet Engineering Task Framework，因特网工程任务组)开始了一项长期的工作，选择代替现行IPv4的协议。此后，人们开展了许多工作，以解决IPv4地址的局限性，同时提供额外的功能。1991年11月，IETF组织了路由选择和地址工作组(ROAD)，以指导解决以上问题。1992年9月，ROAD工作组提出了关于过渡的和长期的解决方案的建议，包括采用CIDR(Class InterDomain Routing，无类别域际路由选择)路由聚集方案以降低路由表增长的速度，以及建议成立专门工作组以探索采用较大Internet地址的不同方案。,1993年末，IETF成立了IPng(Internet Protocol Next Generation，新一代互联网络协议)工作部，以研究各种方案，并建议如何开展工作。该工作部制订了IPng技术准则，并根据此准则来评价已经提出的各种方案。在经过深入讨论之后，SIPP(Simple Internet Protocol Plus)工作组提出了一个经过修改的方案，IPng工作部建议IETF将这个方案作为IPng的基础，称为IPv6，并集中精力制定有关的文档。自1995年末起，陆续发表了IPv6规范等一批技术文档。,10.6.2 发展趋势20世纪的互联网协议随着移动互联网、语音/数据的集成以及嵌入式互连设备的快速发展，以互联网为核心的未来通信模式正在形成。到目前为止，互联网取得了巨大的成功，而这很大程度上归功于其核心通信协议IPv4的高度可伸缩性。IPv4的设计思想成功地造就了目前的国际互联网，并容纳了过去10年中网络规模几何级数式的增长，其核心价值体现在简单、灵活和开放性等方面。,但是，新应用的不断涌现使互联网呈现出新的特征，传统的互联网协议版本，即IPv4,已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量保证。IPv4的不足体现在以下方面：(1)有限的地址空间。IPv4协议中每一个网络接口由长度为32位IP地址标识，这决定了IPv4的地址空间为232，大约理论上可以容纳43亿个主机，这一地址空间难以满足未来移动设备和消费类电子设备对IP地址的巨大需求量。加之存在地址分配的大量浪费，以目前Internet发展速度计算，有人预测所有IPv4地址将在20052010年间分配完。,20世纪90年代的研究人员已经意识到了IP地址空间以及分配存在的问题，并开发了一些新技术来改善地址分配和减缓IP地址的需求量，比如CIDR和NAT。这些技术一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但却使基于IP的网络增加了复杂性，并且破坏了一些IP协议的核心特性，比如端到端原则，因此不能从根本上解决IPv4面临的困难。,(2)路由选择效率不高。IPv4的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次型的路由结构。子网和CIDR的引入提高了路由层次结构的灵活性。但由于历史的原因，IPv4地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数IP地址空间的拓扑结构只有两层或者三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。庞大的路由表增加了路由查找和存储的开销，成为目前影响提高互联网效率的一个瓶颈。同时，IPv4数据包的报头长度不固定，因此难以利用硬件提取、分析路由信息，这对进一步提高路由器的数据吞吐率也是不利的。,(3)缺乏服务质量保证。IPv4遵循Best Effort原则，这一方面是一个优点，因为它使IPv4简单高效；另一方面它对互联网上涌现的新的业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体应用，这些应用要求提供一定的服务质量保证，比如带宽、延迟和抖动。研究人员提出了新的协议，使IPv4网络支持以上应用，如RSVP(Resource ReSerVation Protocol，资源预留协议)协议和支持实时传输的RTP/RTCP协议，但这些协议提高了规划、构造IP网络的成本和复杂性。,IPv6是Internet协议的一个新版本，其设计思想是对IPv4加以改进，而不是对其进行彻底的改造。在IPv4 中运行良好的功能在IPv6 中都给予保留，而在IPv4中不能工作或很少使用的功能则被去掉或作为选项。为适应实际应用的要求，在IPv6中增加了一些必要的新功能。IPv6的主要特点如下：(1)扩展了地址和路由选择功能。IP地址长度由32位增加到128位，可支持数量大得多的可寻址节点、更多级的地址层次和较为简单的地址自动配置。改进了多目(Multicast)路由选择的规模可调性，因为在多目地址中增加了一个“Scope”字段。,(2)定义了任一成员地址，用来标识一组接口，在不会引起混淆的情况下将简称“任一地址”，只发给由该地址所标识的一组接口中的一个成员。(3)简化了首部格式。IPv4首部的某些字段被取消或改为选项，以减少报文分组处理过程中的处理费用，使IPv6首部的带宽开销尽可能低。虽然IPv6地址长度是IPv4地址的4倍，但IPv6首部的长度只有IPv4首部的两倍。,(4)支持扩展首部和选项。IPv6的选项放在单独的首部，它位于报文分组的IPv6首部和传送层首部之间。大多数IPv6选项不会被报文分组投递路径上的路由器检查和处理，而直达最终目的地，有利于改进路由器处理包含选项的报文分组的性能。IPv6的另一个改进，是其选项与IPv4不同，可具有任意长度，不限于40字节。(5)支持验证和隐私权。IPv6定义了一种扩展，可支持权限验证和数据完整性。这一扩展是IPv6的基本内容，要求所有的实现必须支持这一扩展。IPv6还定义了一种扩展，借助于加密支持保密性要求。,(6)支持自动配置。IPv6支持多种形式的自动配置，从孤立网络节点地址的“即插即用”自动配置，到DHCP提供的全功能的设施。(7)提高了服务质量。IPv6增加了一种新的能力，如果某些报文分组属于特定的工作流，发送者要求对其给予特殊处理，则可对这些报文分组加标号，例如非缺省服务质量的通信业务或“实时”服务。,总之，IPv6高效的互联网引擎增加了许多新的特性，其中包括：服务质量保证、自动配置、支持移动性、多点寻址、安全性。基于以上改进，IPv6为互联网换上了一个简捷、高效的引擎，不仅可以解决IPv4地址短缺的难题，而且可以使国际互联网摆脱日益复杂、难以管理和控制的局面，使之变得更加稳定、可靠、高效和安全。,10.7 新兴无线通信技术10.7.1 技术背景及特点伴随GSM(Global System for Mobile communications，全球移动通信系统)等移动网络在过去20年中的广泛普及，全球语音通信业务获得了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了18亿。同时，我们的通信习惯也从以往的点到点演进到人与人。个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，多媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务，大大满足了个人通信和娱乐的需求。,另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。GSM网络演进到GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)/EDGE(Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM演进技术)和WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址)/HSDPA(High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入)网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低无线数据网络的运营成本，已成为GSM移动运营商的必经之路。,但这也仅仅是往宽带无线技术演进的一个开始。WCDMA/HSDPA与GPRS/EDGE相比，虽然无线性能大大提高，但是，在IPR(Intellectual Property Rights，知识产权)的制约、应对市场挑战和满足用户需求等领域，还是有很多局限。由于CDMA(Code Division Multiple Access，宽带码分多址)通信系统形成的特定历史背景，3G(3rd Generation，第三代移动通信技术)所涉及的核心专利被少数公司持有，在IPR上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家沉重负担。可以说，3G厂商和运营商在专利问题上处处受到制约，业界迫切需要改变这种不利局面。,面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术的快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入到移动通信市场，并引进了新的商业运营模式。例如，Google与互联网业务提供商(ISP)Earthlink合作，已在美国旧金山全市提供免费的无线接入服务，双方共享广告收入，并将广告收入作为其主要盈利途径，Google更将这种新的运营模式申请了专利。另外，大量的酒店、度假村、咖啡厅和饭馆等，由于本身业务激烈竞争的原因，提供免费WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)无线接入方式，通过因特网可以轻易的查询到这类信息。,最近，网络服务提供商SKYPE更在这些免费无线宽带接入的基础上，新增了几乎免费的语音及视频通信业务。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中立于不败之地的唯一选择。与此同时，用户期望运营商提供任何时间、任何地点不低于1 Mb/s的无线接入速度，小于20 ms的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖，而最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。,这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络结构看来是势在必行。与WiFi和WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，微波存取全球互通)等无线接入方案相比，WCDMA/HSDPA空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和QoS(Quality of Service，服务质量)方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等方面明显落后。根据3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作组织)标准组织原先的时间表，4G最早要在2015年才能正式商用，在这期间传统电信设备商和运营商将面临前所未有的挑战。,用户的需求、市场的挑战和IPR的制约共同推动了3GPP组织在4G出现之前加速制定了新的空中接口和无线接入网络标准。2004年11月，3GPP加拿大多伦多“UTRAN(Universal Telecommunication Radio Access Net，通用电信无线接入网)演进”会议收集了无线接入网R6版本之后的演进意见，在随后的全体会议上，“UTRA和UTRAN演进”研究项目得到了26个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3GPP组织运营商和设备商成员共同研究3G技术演进版本的强烈愿望。,10.7.2 发展趋势移动通信以其移动性和个人化服务为特征，表现出旺盛的生命力和巨大的市场潜力。以宽带和提供多媒体业务为特征的新一代无线与移动通信的发展，将以市场为导向，带动新技术和业务的发展，不断摸索新型的经营模式。无线通信未来的发展趋势表现为：各种无线技术互补发展，各尽所长，向接入多元化、网络一体化、应用综合化的宽带化、IP化、多媒体化无线网络发展。,1.多层无线技术有效互补无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围，不同的适用区域，不同的技术特点，不同的接入速率。未来的无线通信网络将是一个综合的一体化的解决方案。各种无线技术都将在这个一体化的网络中发挥自己的作用，找到自己的天地。从大范围公众移动通信来看，3G或超3G技术将是主导，从而形成对全球的广泛无缝覆盖；而WLAN、WiMAX、UWB(Ultra Wideband，超宽带)等宽带接入技术，将因其不同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，与公众移动通信网络形成有效互补。,2.核心网络一体化、接入层面多样化在接入网技术出现多元化的同时，核心网络层面以IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)为会话和业务控制的网络架构，成为