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1、 IPv6技术技术 下一代因特网1.1 解决IP地址耗尽的措施 IP协议是因特网的核心协议。现在使用的IP协议（即IPv4）是在20世纪70年代末期设计的，无论从计算机本身发展还是从因特网规模和网络传输速率来看，现在的IPv4已很不适应了。这里最主要的问题就是32位的IP地址不够用。要解决IP地址耗尽的问题，可以采用以下三种措施：1）采用无分类编址CIDR，使IP地址的分配更加合理。2）采用网络地址转换NAN方法，可节省许多全球IP地址。3）采用具有更大地址空间的新版本的IP协议，即IPv6。尽管上述前两项措施的采用使得IP地址耗尽的日期推后了不少，但却不能从根本上解决IP地址即将耗尽的问题。
2、因此，治本的方法 应当是上述的第三种方法。下面是IPv6的简介。1.2 IPv6的基本首部IPv6所引进的主要变化如下：1）更大的地址空间更大的地址空间。IPv6把地址从IPv4的32位增大到4倍，即增大到128位，使地址空间增大了296倍。这样大的地址空间在可预见的将来是不会用完的。2）扩展的地址层次结构扩展的地址层次结构。3）灵活的首部格式灵活的首部格式。IPv6数据报的首部和IPv4的并不兼容。IPv6定义了许多可选的扩展首部，不仅可提供比IPv4更多的功能，而且还可以提高路由器的处理速率，这是因为路由器对扩展首部不进行处理（除逐跳扩展首部外）。4）改进的选项改进的选项。IPv6允许数据
3、报包含有选项的控制信息，因而可以包含一些新的选项。IPv4所规定的选项是固定不变的。5）允许协议继续扩充允许协议继续扩充。6）支持即插即用（即自动配置）。支持即插即用（即自动配置）。7）支持资源的预分配支持资源的预分配。IPv6支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。8）IPv6首部改为首部改为8字节对齐字节对齐。IPv6数据报在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部，再后面是数据。但所有的扩展首部都不属于IPv6数据报的首部。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷或净负荷。图1 具有多个可选扩展首部的IPv6数据报的一般格式基本首部扩展首部1扩展首部N数据部分IPv6数据报有效
4、载荷选项 与IPv4相比，对首部中的某些字段进行了如下更改：取消了首部长度字段，因为它的首部长度是固定的（40字节）取消了服务型字段，因为优先级和流标号字段合起来实现了服务型字段的功能。取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段取消了标识、标志和片偏移字段，因为这些功能包含在分片扩展首部中。把TTL字段改称为跳数限制字段取消了协议字段，改用下一个首部字段取消了检验和字段，这样就加快了路由器处理数据报的速度。取消了选项字段，而用扩展首部来实现选项功能。IPv6的有效载荷流标签有效载荷长度源地址（128位）IPv6的基本首部（40B）有效载荷（扩展首部/数据）目的地址（128位）图2 40字节长的IP
5、v6基本首部下一个首部版本号通信量类跳数限制04比特816311924IPv6基本首部中各字段的作用1）版本版本 占4位。它指明了协议的版本，对IPv6该字段是62）通信量类通信量类 占8位。这是为了区别不同的IPv6数据报的类别或优先级。3）流标号流标号 占20位。IPv6的一个新的机制是支持资源预分配，并且允许路由器把每个数据报与一个给定的资源分配相联系。所有属于同一个流的数据报都具有同样地流标号。4)有效载荷长度有效载荷长度 占16位。它指明IPv6数据报除基本首部以外的字节数。5）下一个首部下一个首部 占8位。它相当于IPv4的协议字段或可选字段当IPv6数据报没有扩展首部时，下一个首
6、部字段的作用和IPv4的协议字段一样，它的值指出了基本首部后面的数据应交付给IP上面的哪一个高层协议（如6或7分别表示应交付给TCP或UDP）当出现扩展首部时，下一个首部字段的值就标识后面第一个扩展首部的类型。6）跳数限制跳数限制 占8位。用来防止数据报在网络中无限期地存在。源点在每个数据报发出时即设定某个跳数限制（最大为255跳）。每个路由器在转发数据报时，要先把跳数限制字段中的值减1。当跳数限制的值为零时，就把这个数据报丢弃。7）源地址源地址 占128位。是数据报的发送端的IP地址。8）目的地址目的地址 占128位。是数据报的接收端的IP地址。1.3 IPv6的扩展首部 1 扩展首部及下一
7、个首部字段 IPv4的数据报如果在其首部中使用了选项，那么沿数据报传送的路径上的每一个路由器都必须对这些选项一一进行检查，这就降低了路由器处理数据报的速度。实际上很多选项在途中的路由器上是不需要检查的。IPv6把原来IPv4首部中选项的功能都放在扩展首部中，并把扩展首部留给路径两端的源点和终点的主机来处理，而数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部，这就提高了路由器的处理效率。在RFC2460中定义了6种扩展首部：1）逐跳选项 2）路由选择 3）分片 4）鉴别 5）封装安全有效载荷 6）目的站选项2 扩展首部举例以分片扩展首部为例：IPv6把分片限制为由源点来完成。源点可以采用保证的最小MT
8、U（1280字节），或者在发送数据前完成路径最大传送单元发现，以确定沿着该路径到终点的最小MTU。当需要分片时，源点在发送数据报前先把数据报分片，保证每个数据报片都小于此路径的MTU。因此，分片是端到端的，路径途中的路由器不允许进行分片。IPv6基本首部中不包含用于分片的字段，而是在需要分片时，源点在每个数据报片的基本首部的后背插入一个小的分片扩展首部，其格式如下：下一个首部保留保留片偏移片偏移保留保留M标识符符位 0 8 16 29 311）下一个首部（8位）：指明紧接着这个扩展首部的下一个首部2）保留（10位）：为今后使用。该字段在第815位和第2930位。3）片偏移（13位）：指明本数据
9、报片在原来的数据报中的偏移量，以8个字节为表示单位。可见每个数据报片的长度必须是8个字节的整数。4）M（1位）：M=1表示后面还有数据报片。M=0表示这已是最后一个数据报片。5）标识符（32位）：由源点产生、用来唯一的标志数据报的一个32位数。每产生一个新的数据报，就把这个标识符加1.采用32位的标识符，可使得在源点发送到同样的终点的数据报中，在数据报的生存时间内无相同的标识符。例：设IPv6数据报的有效载荷为3000字节。现用下层的以太网传送此数据报，而以太网的最大传送单元MTU是1500字节，因此需进行分片。分成的三个数据报片的数据部分分别是：1400字节，1400字节，200字节。分片需
10、要在IPv6的基本首部后面增加一个分片扩展首部。其结果为：1.4 IPv6的地址空间1 地址的类型和地址空间 一般地，一个IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：1）单播 2）多播 3）任播 IPv6把实现IPv6的主机和路由器均称为结点。由于一个结点可能会使用多条链路与其它的一些结点相连，因此一个结点就可能有多个与链路相连的接口。这样，IPv6给结点的每一个接口指派一个IPv6地址。一个结点可以有多个单播地址，而其中的任何一个地址都可以当作到达该结点的目的地址。在IPv6中，每个地址占128位，地址空间大于3.4*1038。如果整个地球表面都覆盖着计算机，那么IPv6允许每平
11、方米拥有7*1023个IP地址。IPv4所用的点分十进制记法就不方便了。如一个用点分十进制记法的128位的地址为：104.230.140.100.255.255.255.255.0.0.17.128.150.10.255.255为了使地址更简洁些，IPv6使用冒号十六进制记法，冒号十六进制记法，上面就变成为 68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF冒号十六进制记法允许零压缩，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代，如：FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以写成:FF05:B3 注意：规定在任一地址中只能使用一次零压缩冒号十六进制记法可结合使用点分十进制记法的
12、后缀，如下面是一个合法的冒号十六进制记法：0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 再使用零压缩即可得：:128.10.2.12 地址空间的分配 根据2006年2月发表的RFC 4291，IPv6的地址指派情况如下表所示（目前是因特网的建议标准）。可以看出，现在已经被指派的地址仅仅占总地址很少的一部分。3 特殊地址1）未指明地址未指明地址 这是16字节的全0地址，可缩写为两个冒号“:”。这个地址不能用作目的地址，而只能为某个主机当作源地址使用，条件是这个主机还没有配置到一个标准的IP地址。2）环回地址环回地址 IPv6的环回地址是:1，作用和IPv4的环回地址一样。3）基于基于IPv4的地
13、址的地址 前缀为0000 0000保留一小部分地址作为与IPv4兼容的，这是因为必须要考虑到在比较长的时期IPv4和IPv6将会同时存在，而有的结点不支持IPv6。因此数据报在这两类结点之间转发时，就必须进行地址的转换。80位 16位 32位0000.0000FFFFIPv4地址IPv4映射的IPv6地址图 IPv4地址放在IPv6地址的最低32位处4）本地链路单播地址本地链路单播地址 有些组织的网络使用TCP/IP协议，但并没有连接到因特网上，这可能是由于担心因特网不很安全，也可能是由于还有一些准备工作需要完成。连接在这样的网络上的主机都可以使用这种本地地址进行通信，但不能和因特网上的其他主
14、机通信。4 全球单播地址的等级结构 IPv6把1/8的地址空间划分为全球单播地址，因为单播地址使用得最多。考虑到让IPv6地址更加便于用户使用，在2003年8月公布了RFC3587，修改了原来对IPv6地址的划分方法，取消了原来划分的顶级聚合和下一级聚合等字段。下图为现在使用的IPv6单播地址的建议划分方法。全球路由选择前缀 （48位）子网标识符 （16位）接口标识符 （64位）第一级 第二级 第三级位0 48 64 127 图 IPv6单播地址的等级结构1.5 从IPv4向IPv6过渡 如何完成从IPv4到IPv6的转换是IPv6发展中需要解决的第一个问题。目前IETF已经成立了专门的工作组
15、，研究IPv4到IPv6的转换问题，主要包括以下几个类型:1)隧道技术 技术说明：随着IPv6网络的发展，出现了许多网络终端设备，因此在两个IPv6终端(可能是两台3G手机)相互通信时，必须要通过IPv4 的网络才能实现，这种情况下采用隧道技术则是一种简单可行的办法。基本实现原理是:在IPv6 报文进入IPv4 网络时，将IPv6 报文当作普通数据分组封装入IPv4。IPv4 分组的源地址和目的地址分别为隧道的入口和出网口的IPv4地址。当数据由IPv4 离开进入IPv6 网络时，再将IPv6分组取出转发给目的站点。图3 是隧道技术的基本示意图。应用场景：隧道技术适合于两端是纯粹的IPv6网络
16、，而中间传输通道都是IPv4 网络的通信情况下。此种技术可以通过现有的IPv4骨干网络，将局端的IPv6主机相互联结。在IPv6的发展初期此种技术不失为一种极为方便的过渡技术2)网络地址转换/协议转换技术 技术说明：NAT-PT是所有过渡技术中最复杂的技术，因为NAT-PT必须将所有的报文字段做相对应的转换。当IPv6协议报文进入IPv4网络时，会将此报文的字段对应转换到IPv4 报文字段，从而转换成IPv4报文。同样的道理，IPv4 报文进入IPv6网络时也要转换成IPv6 报文。由于这种转换需要应用层网关的支持，相应的成本要高一些。图4 网络地址转换/协议转换技术示意图应用场景：NAT-P
17、T技术适用纯IPv6与纯IPv4网络的联结，通过通信协议的完全转换，实现IPv4与IPv6网络的透明通信3)双协议栈 技术说明：IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议TCP和UDP又没有任何区别。如图5所示的协议栈结构可以看出，如果一台主机同时支持IPv4和IPv6两种协议，那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信，又能与支持IPv6协议的主机通信，这就是双协议栈技术的工作机理。图5为协议栈结构示意图应用场景：双协议栈技术是IPv6过渡技术中应用最广泛的一种过渡技术，同时它也是所有其他过渡技术的基础。这项技术适合于需要同时使用IPv4 协议和IPv6 协议的终端设备上，如提供3G移动终端与一般计算机终端访问的服务器，使用双协议栈技术便可达到与两种不同终端相互通信的要求