IPv6技术白皮书.doc
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1、IPv6技术白皮书摘要:随着Internet的发展,IPv4的局限越来越暴露出来,严重制约了IP技术的应用和未来网络的发展;IPv6作为下一代网络的基础以其鲜明的技术优势得到广泛的认可;本文从技术层面分析了IPv6的特点优势,同时就IPv4网络向IPv6网络部署的阶段,过渡技术以及方案做一个基本的介绍,并对IPv6的未来进行了展望关键字:IPv6、自动配置、扩展头、Mobile IPv6、过渡技术、双栈、隧道、6to4 、NAT-PT1IPv4需要升级吗?计算机技术和通信技术的发展与融合使得Internet应用及规模飞速发展,其中Internet中的核心技术IPv4功不可抹,IPv4技术以它的
2、简结有效取得了巨大的成功,但IPv4协议是1973年制定的,它的早期设计者完全没有预料到IP网络会达到今天的发展速度和规模,到90 年代IPv4的缺陷和潜伏的危机逐渐暴露出来。其中最大的问题是IP地址资源的紧缺。据统计IPv4地址到96年已有80%的A类网络地址,50%的B类地址,10%的C类地址被分配,有专家估计到2010年左右IPv4地址可能面临耗尽的危险。有人形象的把这个问题称为“网络泰坦尼克危机“。IP地址被看作网络设备节点在互联网上的“身份号”,随着移动和宽带技术发展,IP地址需求将更大。大量移动终端的IP接入需要更多IP地址,例如手机,PDA,甚至 每个IC卡拥有一个IP地址。目前
3、宽带技术正在蓬勃发展,由于宽带业务模式与窄带业务模式不同,一般以对称和实时方式工作,要求用户时时在线,IP地址需求更大,如家电上网,IPCar等。为了缓解IPv4地址的紧张,也出现了一些IPv4的补丁技术,如CIDR,NAT技术,混合地址等技术,但这些技术治标不治本。以NAT技术为例,使用私有地址虽然可以缓解地址紧缺,但存在效率和应用层网关问题,而且NAT打破端到端的模式,限制了新应用的发展 。由于IP网络本身的特点,IP地址紧缺问题不像电话号码升位一样简单。种种基于IPv4本身的改进不足以彻底解决IP地址短缺问题,这直接加速了IPv4升级的需求。除了IP地址问题,IPv4还存在路由表庞大,Q
4、os,移动等一系列问题。以路由表为例,由于IPv4采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址,所以随着网络数目增加,路由表数目迅速增加。庞大的路由表不仅降低路由节点以及网络的效率,而且降低了Internet服务的稳定性。2为什么要升级到IPv6早在90年代,IPv6就针对IPv4的改进提出来,经过10年左右的发展,IPv6技术目前已被公认为IPv4技术的未来升级版本。那么到底哪些特点使IPv6作为下一代网络基础而获得广泛认可呢?下面归纳了IPv6主要的技术特点。地址充足 IPv6产生的初衷主要是针对IPv4地址短缺问题,当然,IPv6首先拥有十分丰富的地址资源,IPv6汲取了IPv4地址资源不足的
5、教训,一下子将地址长度扩大了4倍,即从IPv4的32bit地址,扩展到了IPv6的128bit地址,充分解决地址匮乏问题。如果这些IPv6地址平均分配在地球表面,地球上的每一平方米即可获得几百万个IP地址。同时IPv6地址是有范围的,仍保留类似私有地址的概念,这也进一步增加地址应用的扩展性。IPv6协议利用升级IP的机会,同时对IPv4协议其他部分做了优化:简单是美 - 简化固定的基本报头,提高处理效率IPv6对协议报头作了简化,以提高网络设备对IP报文的处理效率,比如取消了IP头的校验和域。扩展为先 - 引入灵活的扩展报头,协议易扩展IPv6取消了选项,引入了多种扩展报头,在提高处理效率的同
6、时还极大增加了IPv6的灵活性,为IP协议提供了良好的扩展性。层次区划 - 地址格式更具层次性,便于路由聚合IPv6的地址空间采用了层次化的地址结构,利于路由快速查找,同时可以借助路由聚合,有效缩减IPv6路由表尺寸。即插即用 - 地址配置简化,实现自动配置IPv6引入自动配置以及重配置技术,对于IP地址等信息实现自动增删更新配置,提高IPv6的易管理性。贴身安全 - 网络层的IPSec认证与加密,端到端安全IPSec最初就是为IPv6设计, IPv6将IPSec作为IPv6的标准扩展头实现,提供了端到端的安全特性。Qos 考虑 - 新增流标记域为改进IP在Qos的先天不足,IPv6报头中增加
7、流标签域,提升IP Qos特性。移动便捷 - Mobile IPv6利用IPv6技术特点,Mobile IPv6更好的解决IP移动性,相比Mobile IPv4有较大改进。IPv6的上述特点充分迎合了未来网络向IP融合统一的发展方向,并提升IP网络的可运营可管理性。3IPv6 技术特色我们结合具体的IPv6技术来分析一下IPv6的上述特点如何得到体现。(由于篇幅所限,在此不对IPv6协议本身做详细描述。)1)庞大的IPv6地址空间我们知道IPv4地址划分,根据头比特分为A-E类地址,A-C类为单播地址(使用VLSM后已无差别),D类为组播地址,E类保留。IPv6拥有了128位,四倍于IPv4的
8、地址空间,那么IPv6如何使用这么大的地址空间呢?IPv6地址 等于 前缀 + 接口标识,类似IPv4网络号 + 主机号,前面比特表示网络,其余比特表示主机。IPv6地址划分为三种类型:单点地址:唯一标识单个接口,类似IPv4的单播地址多点地址:一组接口地址,类似IPv4的多播地址任意点地址:一组接口地址中的最近一个,从单点地址中分配根据上述地址类型,IPv6将128位地址空间做了如上的划分(如图)。其中001开头的全局单点地址只占1/8,其余的地址空间均保留,也许若干年后001开头的全局IPv6地址耗尽,会再分配1/8地址出来,甚至也许我们可以为月球或火星分配1/8的IPv6前缀。不管如何分
9、配其余的保留地址,我们可以看到IPv6地址空间多么庞大。2)IPv6简化处理通过IPv6报头和IPv4报头的比较我们来分析IPv6的简化思想。IPv4报头是变长的,而IPv6报头的长度是固定的,IPv4要处理的域为14个,IPv6则为8个,在报文长度和处理域的数量方面,IPv6报头更利于高效处理报文。从具体报文域来看,IPv6报头中删除的域:校验和域 :链路层和上层已做校验和验证,网络层取消,减少每个IP报文处理时间。标识符,分片偏移域,标志 :这三个域与IP分片重组相关,IPv6中将它们移到IPv6分片扩展头实现,并规定转发路径的中间节点无需分片,提高报文转发效率。IPv6中要求链路最小支持
10、1280字节MTU,通过结合Path MTU发现机制,IPv6报文只在源节点处被一次性分片,直到到达目的节点处被重组。选项,填充域 :由IPv6扩展头替代,IPv6节点只需要按顺序处理扩展头,不必像IPv4选项那样存在冗余处理,符合IP简化中间处理的思想,提高处理效率。 另外IPv4原有一些选项,如时间戳和纪录路由,掩码请求回应等用处不大,基本被IPv6废弃。3)灵活扩展在IPv4中报文选项为IP提供不少附加功能,如IP源路由等,但IPv4选项无序,影响节点对报文处理效率,同时扩展性支持不足。IPv6中将IPv4的选项改造为IPv6扩展头,如将IPv4源路由选项功能由IPv6路由扩展头替代实现
11、,提高效率同时,提供灵活的扩展性。IPv6扩展头包含以下分类,基本按照处理先后顺序:逐跳扩展头(Hop by Hop):该扩展头被报文路径的每一跳处理,可包含多种选项,如路由器告警选项。路由扩展头:指定源路由,类似IPv4源路由选项,IPv6源节点用来指定信息包到达目的地的路径上所必须经过的中间节点。 源路由功能比较有用,如诊断测试,以及移动IPv6解决迂回路由,所以IPv6中保存了下来。分片扩展头:IP报文分片重组信息AH认证扩展头:IPSec用扩展头ESP加密扩展头:IPSec用扩展头目的地扩展头:只在目的地处理, 可包含多种选项IPv6扩展头提供比IPv4更灵活的扩展性,在逐跳扩展头和目
12、的地扩展头中通过增加新的TLV选项可以灵活扩展新的IP服务。比如有一种XCAST技术使用IPv6扩展头保存多个目的地址,从而实现无需组播协议的组播功能;再如Mobile IPv6使用目的地扩展头构造家乡地址等选项,增强了移动IP能力。 4)良好的层次性前面提到IPv6的单点地址,它根据地址的范围可以分类如下:1)可聚集全局单点地址(Global):全球唯一2)链路本地地址(Link-local):链路范围内唯一,用于单链路上自动地址配置和邻居发现,以及无路由器的LAN内部通信3)网点本地地址(Site-local):网点范围内唯一,用于那些尚未与Internet连接的组织内部网络,这些地址不需
13、要注册,而且它们的格式使得在连接到全球Internet时,可以方便的使用可聚集的全球单点传送地址替换。地址层次性的作用从PSTN网得到很好的体现,可以根据电话号码的长途区号,市局号,逐段查找路由。IPv4地址原来使用A-C类划分,以后不得不采用VLSM,CIDR等技术,扩展地址层次性。但一方面IPv4地址长度有限,层次划分受到限制,另一方面IPv4地址分配混乱无序,与网络拓扑背离,造成目前路由聚合困难,路由表日渐庞大的问题。我们以全局单点地址结构来看IPv6层次性:全局单点地址分配过程是:从全球地址分配组织把地址分块,不同地址块分配给骨干网上的大型ISP,顶级地址块由13比特的TLA-ID (
14、top-level aggregation:顶级聚类标识符)标识,这样每个大型ISP将拥有104比特(即2104)这样巨大的地址块;顶级ISP将自己拥有的地址块细分,分别分配给各个地区或中小区域的ISP,次级地址块由24比特的NLA-ID (next-level aggregation:次级聚类标识) 标识;次级ISP再将它的地址块细分,分别分配给不同的网点,由16比特 SLA-ID (site-level aggregation:网点级聚类标识符) 标识。大型ISP的网络理论上可以聚合为一条路由表示,这样通过IPv6地址格式的层次性与有序分配的结合,将有效的控制骨干网上的路由表规模,从而提高
15、整网的效率。IPv6地址层次性体现的前提是必须结合网络的物理拓扑,合理分配IPv6地址,因为同属一个上层聚类标识的两个连续可聚合的前缀被分配给物理上完全分离的两个网络,很难实施有效的路由聚合。 IPv6地址另一个特点是它的范围属性。每个IPv6地址属于一个特定范围,对单点地址可以属于三种范围的一种:Link-local scope ,Site-local scope 或 Global scope,分别对应前面的三类地址。IPv4中为缓解地址短缺,使用了私有地址,保留指定前缀作为私有地址,如10.0.0.0,实际上私有地址和公有地址就是属于不同范围的地址。IPv4的私网地址类似于IPv6中的si
16、te-local地址。Link-local地址在邻居发现和自动配置经常使用,而site-local地址一个可能的用途是,在IPv6网络初期,可以使用site-local地址建立IPv6岛屿,以后需要时平滑升级到global地址。多点地址的范围除了上述三种之外,还有interfacelocal, subnet,admin, organization等范围。IPv6地址的范围属性体现了地址应用上的层次性,使IPv6应用更为灵活和易于扩展。5)自动配置由于IPv6拥有大量地址资源,使得大量小型的终端设备通过IPv6接入网络中来,如何对众多的主机型的设备实现高效管理,是IPv6面临的一个重要问题。自动
17、配置中最典型的应用是IPv4中使用的DHCP,通过DHCP服务器,客户主机可以获得包括IP地址,缺省网关等信息,极大的简化和改善了网络管理。IPv6地址冗长,且终端节点众多,对自动配置的要求更为迫切。在IPv6中保留了DHCP机制作为有状态的自动配置技术,同时增加了无状态自动配置。所谓无状态的自动配置即无需要DHCP服务器,主要通过邻居发现机制,自动生成链路本地地址,并且主机可以根据路由器宣告的前缀信息,自动配置全局地址,及其他相关信息。具体使用何种自动配置可以通过网管设置,并依赖于路由器宣告消息通告给各主机。上图描述了IPv6主机的无状态自动配置过程:l 根据接口ID自主产生链路本地IPv6
18、地址l 主机生成的链路本地地址通过重复地址检测后确认生效,可以用于链路内的通信l 主机会发送路由器请求消息(或接收到路由器定期发送的宣告消息)l 根据路由器回应的宣告消息中的前缀信息加接口ID得到全局IPv6地址或网点IPv6地址。由于前缀地址在整个网络中唯一地标识链路,而节点的接口ID在链路上可以唯一地标识接口,因此这两者的组合就能唯一地标识全局IPv6网络上的一个IPv6节点的接口。主机自动配置的地址有生命期,主机可以适应地址重配置(Renumber)的要求,如果一个IPv6网络切换到其他的ISP,接口可以自动配置多个地址,根据地址有效时间确定被优先使用的地址,旧地址会逐渐老化掉。 IPv
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