IPv6技术的发展与演进

第21卷第4期2005年8月德州学院学报Journal of Dezhou University Vol.21,No.4Aug.2005收稿日期:2005)06)01作者简介:张鑫(1978)),男,山东莘县人,学士,助理工程师,主要从事信息网络安全的研究.文章编号:10049444(2005)04006805IPv6技术的发展与演进张 鑫1,张 宁2(1.聊城市公安消防支队,山东聊城 252000;2.聊城市公安交警支队,山东聊城 252000)摘 要:从IP v6在国内、国外的发展现状、技术演进等方面阐述了IPv 6技术,并从IPv 6的产生和技术特征方面着重分析了IPv 6技术的演进过程,详尽介绍了IP v6与IPv 4的区别,以当今网络的发展趋势充分论述了IPv6在不久的将来必将代替IPv 4,成为主导.关键词:IPv6技术;IP v4技术;发展中图分类号:T P393 文献标识码:A引言Internet 的成功与发展促进了IP 网络的大发展,未来的网络将是基于IP 技术的网络.随着IP 网规模的不断扩大,原有的IPv 4协议面临着一些难以解决的问题,比如地址空间耗尽、路由表爆炸等.同时IP 应用的扩展对IP 也提出了新的要求,比如Internet 上多媒体信息传播、移动用户的网络接入等,都为IP 的研究与发展开辟了新的空间.传统的IP,即IPv4(IP version4)定义IP 地址的长度为32bit.Internet 上每个主机都分配了一个(或多个)32bit 的IP 地址.32bit 的地址的互联网络看来还是足够使用的,同时网络地址的分类(A 、B 、C 、D 、E 类)和提取也提高了路由的效率.但是在20世纪80年代早期,即使是最有远见的TCP/IP 开发者们也无法预料到互联网会有今天的爆炸性增长.Internet 的设计者们没有想到今天Internet 会发展到如此大的规模,更没有预测到今天Internet 因为规模的迅速扩大而陷入困境.1987年的统计表明可能将来需要分配多达10万个网络,然而在1996年这个记录已经被打破.20世纪90年代以来,WWW 服务迅速普及,网络节点的数目开始呈几何级数的增长.造成地址短缺问题的原因是多方面的.一方面是32bit 的空间是十分有限的;另一方面是尽管现行的32bit IPv4的地址结构可以为1670万个网络上超过40亿台主机分配地址,但实际上的地址分配效率远远达不到这个数值.由于历史的原因,IPv4地址的分配是极不合理的,大量的IP 地址分配给了一些大学和商业公司,比如美国斯坦福大学拥有1700万,IBM 公司则达3300万,而我国只分到大约900万正式地址,这显然与当今互连网在世界范围内飞速发展的状况是不相适应的.随着网络规模的不断扩大,不仅导致地址总量的不够,也导致路由表迅速膨胀.有预测表明,以目前Internet 的发展速度计算,所有IPv4地址将在2005-2010年间分配完毕,为了彻底解决IPv4地址不足的问题,IETF 从1995年开始,着手研究开发下一代IP,即IPv6.IPv6具有长达128bit 的地址空间,可以彻底解决IPv4地址不足的问题,除此之外,IPv6还采用分级地址模式、高级IP 包头、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术.1 IPv6发展现状在IPv6已确定为下一代互联网IP 层技术的情况下,世界各国对IPv6技术的研究十分重视.目前对IPv6的研究范围主要涉及用于主机的单独IPv6协议栈软件、用于主机的支持IPv6的操作系统、独立的路由协议软件、用于路由器的支持IPv6的操作系统、应用程序实现以及硬件支持IPv6的路由器产品.国际上众多机构的研究内容重点不同,各具优势.世界上在IPv6的研究和应用方面比较领先的主要是美国、日本和欧洲等发达国家和地区.1.1国外发展情况1996年,IETF建立了全球范围的IPv6实验床6Bone,一个重要的设计目标是实现IPv6与网络中现行的IPv4协议兼容,现在6Bone已经扩展到全球54个国家和地区,共917个节点,成为IPv6研究者、开发者和实践者的主要平台.到1998年年初,IPv6协议的基本框架已经逐步成熟,在越来越广泛的范围内得到实践.1998年,面向实用的全球性IPv6研究和教育网(6REN)启动,建立了物理的以AT M为中心的IPv6洲际网.1999年以后,IPv6协议基本确定.2000年5月,3G标准化组织3GPP采纳IPv6为多媒体服务的必选协议,这意味着3GPP移动网络中IP多媒体领域将全部基于IPv6,IPv6将在未来全蜂窝网络中发挥核心的作用.美国由于是IPv4的发源地,因此无论在地址资源和商业应用方面都占据了先天的优势.1992年美国政府主导的/下一代互联网计划0研究和1996年美国国家科学基金会设立的/下一代因特网0研究计划(NGI)中均包括IPv6研究计划.研究和开发IPv6的主要组织如IETF、6Bo ne等都在美国.但是,由于全世界74%的IP地址为美国所占有,在地址资源的分配与管理上美国也拥有一套更为完善的制度,因此目前既没有地址短缺的忧虑,又很不愿意改动花费亿万美金构建的IPv4商业网络体系,目前主要是以世界IPv6研究、协调中心的面目出现的,在IPv6的商业化推广方面的力度却没有欧洲和日本大.欧洲国家政府在推广IPv6方面发挥着重要的作用,欧盟国家制定统一政策,对支持IPv6的产品实行减税和市场资讯方面的扶持.欧洲移动通信事业相当的发达,因此在IPv6的研究和商业化应用方面更注重在通讯领域的拓展.制订下一代移动通信系统/IM T-20000标准的3GPP (third generation partnership project),已经在2000年5月份决定在下一代移动技术的基本协议中采用IPv6,使IPv6成为必须遵循的标准.诺基亚、爱立信、法国电信、英国BT Wireless等欧洲公司一直是IPv6研究方向的主要引导者.2001年4月,诺基亚在第二届中国IPv6高级研讨会上展示了其移动IPv6演示系统.2001年5月,诺基亚宣布该公司所有产品都将支持IPv6,它的3G Mo bile Packet Co re也将从提供商用服务的第一天起对应IPv6.2002年4月,在中国举行的IPv6全球峰会上,诺基亚展示了其最新的移动IPv6成果.法国电信的研究部门与芬兰诺基亚公司于2001年11月28日宣布,将共同制订法国电信集团向下一代IP协议IPv6过渡的战略与日程表.合作分为IPv6路由、转发、供应之间的相互运用、向IPv4/IPv6过渡机制、诺基亚IP网络安全产品测试等阶段.日本是Internet的后起国家,由于电子设备、信息家电产业的高度发达,因此产生了对IP地址的迫切需求,所以它在IPv6研究和应用方面,步伐大,速度快,而且在IPv6商业化推广方面几乎走在世界前列.日本政府制定的IT基本战略提出在5年内使日本成为全球最先进的IT国家的目标.为此日本政府专门成立了/官产学研组织0,致力于IPv6产业化的各项工作,其中以日立公司的IPv6路由器产品为代表.2000年4月,日立推出了支持IPv4/IPv6的千兆比特路由器GR2000,同年12月由GR2000路由器接入GbE/OC48POS的高速大型日本本国IPv6网络正式启动.2000年10月,日本IIJ(Internet Initia-tive)公司和NT T通讯(NT T COM)、NEC、KD-DI和JENS等公司都宣布开始提供IPv6服务.在2002年北京国际通信展上,NEC和日立公司分别展示了IPv6的多播和GR2000路由器.目前FreeBSD、So lar is、Linux、Unix上都已经有了IPv6协议栈的实现,在去年的IPv6全球论坛上,思科和微软几乎同时宣布把对IPv6的支持作为今后的战略重点.Cisco于2001年4月宣布提供支持/IPv6"的路由器产品用固件/IOS12. 2T0.微软在去年下半年完成了IE浏览器对IPv6的支持后,也提供了Window s NT和Window s 2000平台的IPv6协议栈,并且在今年进一步推出了支持IPv6和IPsec的Window s XP操作系统.业界人士认为:思科和微软的支持真正将IPv6技术带到了商用化的边缘,围绕IPv6的产品和技术竞争将会比去年激烈数十倍,这对IPv6的全面推广极为有利.为了推动IPv6在全世界的发展,由Cisco、Nortel、M icro soft、Lucent、Nokia、3Co m等公司联合发起成立了IPv6论坛,并从1999年开始,每年举行2~3次IPv6全球峰会.到目前为止,IPv6论坛分别在法国、美国、西班牙、日本、加拿大、中国召开了IPv6全球峰会,并与3GPP以及欧洲通信标准委员会建立了合作关系,这对普及IPv6产69第4期张鑫,等:IPv6技术的发展与演进生了巨大推动作用.1.2国内发展情况IPv6协议的一系列标准都是新颁布不久,并且还存在大量需要完善的内容,这为我国开展此领域的研究和产业化工作提供了很好的发展环境.初期国内主要由教育研究机构推动IPv6的研究,并逐步形成了规模的政府推动.1998年6月国家教育科研网CERNET加入了6Bone,并于同年12月成为其骨干成员.CERNET建立了IPv6试验床并在IPv6领域开展了许多开拓性的研究; 1999年亚太地区先进网络A PAN与中国建立了连接;从1999年底,中国教育和科研网与诺基亚合作,启动了Internet6计划,在中国的若干高校搭建IPv6网络,形成一个大规模的IPv6研究和试验网络;2000年11月,贝尔实验室与中国科学院软件研究所签署了合作协议,联合成立实验室,初期启动合作项目为IPv6协议的研究.2001年以来,国家计委、科技部、自然基金委、信息产业部相继启动关于IPv6的研究项目.如2002年863高性能IPv6路由器重大研究项目分为硬件、协议栈软件以及测试三个子课题完成了招标工作,其它有关IPv6网络安全和服务质量的重大课题也相继公布.2IPv6的技术演进现行的互联网协议是大约30年前制订的,其中网络层协议是IPv4(Inter net Pro to co l Ver sion 4).IPv4的地址空间为32位,理论上支持40亿台终端设备的互联.但由于A、B、C等地址类型的划分,以及许多其它的特殊规定和用途,实际可利用的地址数量要少得多.一般来说,整个地址空间的利用率只能达到10%左右.在实际应用中,IPv4获得了巨大的成功.但是,随着互联网的迅速发展,当初设计IPv4时考虑不周所带来的缺陷日益显露出来,主要表现为两个方面:地址空间的用尽问题和路由表的急剧扩张问题.这些问题已经成为互联网进一步发展的障碍,由此导致了无类别域间路由(Classless InterDom ain Routing,CIDR)技术和网络地址翻译(N etw ork Address Tr anslation,N AT)技术的广泛应用.但这两种技术只能延缓IPv4地址空间用尽的历程,而不能从根本上解决IPv4地址不足的问题.2.1IPv6的产生为了解决互联网发展过程中遇到的问题,早在20世纪90年代初期,互联网工程任务组IETF 就开始着手下一代互联网协议IPng(IP the nex t generation)的制定工作.IETF在RFC1550里进行了征求新IP协议的呼吁,并公布了新协议需要实现的主要目标s支持几乎无限大的地址空间;s减小路由表的大小,使路由器能更快地处理数据包;s提供更好的安全性,实现IP级的安全;s支持多种服务类型,并支持组播;s支持自动地址配置,允许主机不更改地址实现异地漫游;s允许新、旧协议共存一段时间;s协议必须支持可移动主机和网络.IET F提出了IPng的设计原则以后,出现许多针对IPng的提案,其中包括一种称为SIPP (Simple IP Plus,由RFC1710描述)的提案.SIPP 去掉了IPv4报头的一些字段,使报头变得很小,并且采用64位地址.与IPv4将选项作为IP头的基本组成部分不同,SIPP把IP选项与报头进行了隔离,选项被放在报头后的数据包中并位于传输层协议头之前.使用这种方法后,路由器只有在必要的时候才会对选项头进行处理,这样就提高了对所有数据进行处理的能力.1994年7月,IET F决定以SIPP作为IPng 的基础,同时把地址数由64位增加到128位.新的IP协议称为IPv6,其版本是在1994年由IET F批准的RFC1752.制定IPv6的专家们总结了早期制定IPv4的经验,以及互联网的发展和市场需求,认为下一代互联网协议应侧重于网络的容量和网络的性能.IPv6继承了IPv4的优点,摒弃了IPv4的缺点.IPv6与IPv4是不兼容的,但IPv6同其它所有的TCP/IP协议族中的协议兼容,即IPv6完全可以取代IPv4.2.2IPv6的技术特征同IPv4相比较,IPv6在地址容量、安全性、网络管理、移动性及服务质量等方面有明显的改进,它是下一代互联网可采用的比较合理的协议.1)简化报头结构IPv6报头的结构比IPv4简单得多,IPv6报头删除了IPv4报头中许多不常用的域,放入了可选项,这些可选项有更严格的定义.IPv4和IPv6的报头结构分别如图1和图2所示.IPv4中有10个固定长度的域、2个地址空间和若干个选项, IPv6中只有6个域和2个地址空间.虽然IPv6报头占40字节,是24字节的IPv4报头的1.6倍,但因其长度是固定的(IPv4报头是变长的),所以不需要消耗过多的内存容量.IPv6中所有的70德州学院学报(自然科学版)第21卷扩展功能都采用扩展报头实现.版本长度服务类型数据包长度数据包ID分段标志分段偏移值生存期协议校验和源IPv4地址目的IPv4地址IP选项(需要时添加padding)图1IPv4的报头结构版本业务流类别流标签净荷长度下一报头跳数上限源IPv6地址目的IPv6地址图2IPv6的报头结构扩展报头是基于这样一个原理:大多数信息包只需要简单的处理,有基本报头的信息就够了;在网络层需要额外信息的信息包可以把这些信息编码到扩展报头.这种处理方式提高了数据包的处理效率.2)提供网络层的安全保证IPv6把IPSec作为必备协议,解决了网络层端到端数据传输的安全问题.IPSec作为新一代互联网安全标准,是IETF为提高IP协议的安全性而专门制定的.实际上,IPSec是一种协议套件,可以/无缝0地为IP提供安全特性,如提供访问控制、数据源的身份验证、数据完整性检查、机密性保证,以及抗重播攻击等.IPSec协议主要包括:验证头(AH)、封装安全载荷(ESP)、Internet 密钥交换(IKE),以及强制转码类型等相关组件.IPSec可以为IPv6网络环境下的网络层数据传输提供各种安全服务.通信双方为实现通信保护,必须维护所需的安全策略和安全联盟.任何第三方如果没有关于此次通信的安全参数,不可能伪造或偷窥通信数据.安全参数的协商与获取可以通过手工方式进行,也可以采用密钥交换协议自动实现.网络基础设施的完善,可以保证安全参数的可靠协商,进而能够最大程度地保证网络层的通信安全.3)提供更高的服务质量保证基于IPv4的Inter net在设计之初,只有一种简单的服务质量,即采用/尽最大努力0传输.从原理上讲,文本传输、静态图像等传输对服务质量QOS并无要求,因此QOS是无保证的.随着IP 网上多媒体业务的增加,如IP电话、视频点播(VOD)、电视会议等实时应用,对传输延时和延时抖动均有严格的要求.IPv6数据包的格式包含一个8位的业务流类别(Class)和一个新的20位的流标签(Flow Label).最早在RFC1883中定义了4位的优先级字段,可以区分16个不同的优先级.后来,在RFC2460里改为8位的类别字段,其数值及如何使用还没有定义.它的目的是允许发送业务流的源节点和转发业务流的路由器在数据包上加上标记,并进行除默认处理之外的不同处理.一般来说,在所选择的链路上,可以根据开销、带宽、延时或其它特性对数据包进行特殊的处理.一个流是以某种方式相关联的一系列信息包,IP层必须以相关的方式对待它们.决定信息包属于同一流的参数包括:源地址、目的地址、QOS、身份认证及安全性.IPv6中流的概念的引入,仍然是在无连接协议的基础上的.一个流可以包含几个T CP连接,它的目的地址可以是单个节点,也可以是一组节点.IPv6的中间节点接收到一个信息包时,通过验证它的流标签,就可以判断它属于哪个流,然后就可以知道信息包的QOS 需求,并进行快速的转发.3结束语下一代互联网络是未来信息社会的制高点, IPv6是下一代互联网的基础和灵魂,它将为互联网换上一个简捷、高效的引擎,不仅可以解决IPv4的地址短缺问题,而且可以使互联网摆脱日益复杂、难以管理和控制的局面,从而使互联网变得更加稳定、可靠、高效和安全.参考文献:[1][美]Joseph Dav ies.理解IP v6[M].张晓彤,晏国,译.北京:清华大学出版社,2004.[2]黄锡伟.IP 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gy;development(上接53页)参考文献:[1]毛汉英,余丹林.区域承载力定量研究方法探讨[J].地理科学进展,2001,(4):549-554.[2]余丹林,毛汉英,等.状态空间衡量区域承载状况初探)))以环渤海地区为例[J].地理研究,2003,(2):201-210.[3]刘富刚.德州市农业脆弱生态环境的研究[J].聊城师院学报,2001,(2):77-79.[4]刘书忠,张晶,等.德州市农村经济创新支撑能力比较分析[J].岱宗学刊,2003,(2):41-46.[5]潘东旭,冯本超.徐州市区域承载力实证研究[J].中国矿业大学学报,2003,(5):596-600.[6]元炯亮.生态工业园区评价指标体系研究[J].环境保护,2003,(5):38-40[7]德州市统计局.德州统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2004.The Quantitative Research of Study on Regional Carrying Capacityof Decheng City by the Status Space MethodYU AN Xiao lan1,LIU Fu gang1,SU N Zhen feng2(1.Department of Geo graphy,Dezhou University,Dezhou Shandong253023,China;2.Dezho u Shiyan M iddle shoo l,Dezhou Shandong253025,China)Abstract:This paper has used the status space m ethod to calculate the synthetic regional carry ing ca-pacity of Decheng City and the r esult indicates:the natural reso urces of cultiv ated land has so me supe-r io rity,but the load o n regional resources and environment in Decheng City has been ov er-carr ied be-cause of the lev el of agriculture as the leading industry is low,eco nom ic agg reg ate is little and regional com prehensiv e actual streng th is w eek.A t last m easures for enhancing the r eg io nal car rying capacity ar e put forw ords.Key words:regional carrying capacity;the status space method;Decheng City72德州学院学报(自然科学版)第21卷。