罗 洁 华南理工大学应用物理系
唐文军 华南理工大学网络信息工程研究中心
摘要：本文分析了现行Internet IP协议所面临的危机，着重论述了在现行IP协议基础之上发展而来的新版本Ipv6的特点及现状。
关键词：TCP/IP IPv4 IPv6 地址空间 报头
Internet是目前最大的、广泛应用的国际互联网。网络技术，特别是TCP/IP技术的进展与整个的Internet的进展密切相关。随着网络应用的不断扩大，现行Internet IP协议的弊端日益明显，已不能满足日益膨胀的网络需求。新版本在现行IP协议的基础上，进行修改和扩充，成为下一代的互联网协议。
一、IPv4的缺陷：
当前世界上广泛使用的Internet IP协议版本是IP版本4，简称IPv4。它从1970年被采纳以来，一直沿用到现在。IPv4为TCP/IP簇和整个Internet提供了基本的通信机制。它不仅定义了一个统一的分组格式（IP数据报）和分组传输机制，而且也定义了一套地址，使得Internet在处理异构网络、硬件技术的不断变化以及网络规模的急剧增长等问题方面成为可能。
1、 IPv4虽然取得了巨大的成功，但早在1970年TCP/IP专家们就觉察出它潜在的缺陷。IPv4在设计之初，只有屈指可数的组织使用局域网，具有公司广域网的更是凤毛麟角。IPv4的地址域是32bit，可以提供232（约40亿）个IP地址，但因将IP地址划分为A、B、C三类后，用户可用地址总数显著减少，而整个Internet已经经历了持续几年的指数型增长，其规模每九个月翻一番，甚至更快。现今，Internet的用户不再仅局限于大学、高技术工业和政府部门，越来越多的普通老百姓加入到使用者的行列，到1994年初，Internet每30秒就增加一个新的主机，而且速率还在显著增长。根据预测，到2003-2005年IPv4地址将被用尽。
2、 在IPv4中，A类网络有126个，每个容纳1亿多个主机；B类网络有16382个，每个容纳6万多个主机；C类网络最多，达209万多个，但每个只容纳254个主机。随着ISP的剧增，这三类地址很快就会被占满，新出现的网络将难以加入到Internet。并且由于IPv4非层次化的地址体系结构，随着ISP数目的增长，已经出现路由表占满路由器内存，导致网络异常的恶性故障，如不采取措施，Internet可能在地址用尽之前就会瘫痪。
3、 除了地址空间和网络号码需要扩展以外，各种新的应用需求也要求改变现有的IP设计。如实时语音和图像通信要求低的延迟，一些新的应用需要安全通信，这就要求新版的IP必须提供能为特定应用预留资源、并且能鉴别发送者的机制。虽然现在通过采用内部地址和无类别域间路由CIDR可以延长IPv4的使用寿命，但这种效果只是暂时的，估计到2008年左右地址将被分光用尽，到2010年IPv4将停止使用。
二、 IPv6的特点
IETF（Internet Engineering Task Force）于1992年开始开发IPv6协议，新版本力求地址永远不会用完，并能解决各种问题，更具灵活性和高效性。现已完成IPv6基本规范的标准化工作。
IPv6保持了IPv4许多成功的特点。它仍支持无连接的传送，允许发送方选择数据报的大小，要求发送方指明在到达目的站前的最大跳数，虽然它保留了IPv4的大多数选项，但对协议细节做了许多修改，增加了一些新的特征。其新的特征可分为以下6大类：
1、更大的地址空间。这是IPv6最显著的变化。IPv6将原来的32位地址空间增大到128位，它所提供的地址空间是足够大的，能够对地球上每平方米提供6×1023个网络地址，在可预见的将来是不会耗尽的。
2、增强的选项功能。IPv6允许数据报包含可选的控制信息，包含了IPv4不具备的选项，提供了新的功能。它把选项信息单独编码，放在不同的扩展头部中，并把选项扩展头部放在IPv6头部与数据报负载之间，使数据报头得到简化，解决了带有选项内容的数据报不能被高速传输的问题。
3、地址自动配置。IPv6中通过“附加状态地址配置”和“无状态地址的自动配置”来简化对IP地址的管理。附加状态地址配置使用了动态主机配置协议，利用它建立独立体系的IP地址。无状态地址配置由Internet控制报文协议ICMP本身进行地址配置，适配IPv6设备、软件。
4、增加了寻址的灵活性。IPv6新增了anycast（任播）地址的概念，它用于点到多点的通信中，将报文传递补到一组节点中的一个（通常是最近的一个），从而允许在信源路由中由节点控制数据的传递路径。另外，IPv6在multicast（组播）地址中增加了scope字段，允许将multicast的路由限定在正确的范围之内。
5、支持资源分配。IPv6提供一种新的机制，允许对网络资源预分配，取代了IPv4的服务类型说明，这种新的机制支持实时语音和视像等应用，保证一定的带宽和延迟。
6、安全认证。IPv6通过AH（认证头标）和ESP（封装安全净荷）功能来防止当前Internet上不时发生的伪造地址的攻击，保护用户免受连接的盗用，对数据进行加密，从而保证信息在传输中的安全。
三、 IPv6与IPv4的区别
在IPv6中，报头形式与IPv4相比有了很大的不同：1、IPv6的报头与IPv4相比大大简化了。IPv4中有10个固定长度的域、2个地址空间和若干个选项，而IPv6中只有6个域和2个地址空间。IPv4报头中的一些字段被取消或是变成了可选项。2、IPv6的地址空间是128bit，在一个IP报头中，有两个地址空间，占32字节。而在IPv4报头中，两个地址空间总大小占8字节。单就地址空间而言，IPv6 是IPv4的四倍，而IPv6的整个报头只有40个字节，相对IPv4报头的20个字节来说，只是其两倍。3、IPv6报头有基本报头与扩展报头两部分。其中基本报头的长度是固定的，一些扩展的功能，如分段、源站路由选择、安全认证等，通过使用扩展报头来实现。由于基本报头长度是固定的，路由器的操作得到简化，从而使路由处理速度相应得到提高。4、为实时通信设计了“流标记”和“业务量等级”。流标记被用来区分作相同处理的分组，这些分组从同一源地址发往同一目的地址并具有相同的选项。将流标记和信源地址组合，即可分辨网络中特定的业务量流。
四、 IPV6的现状
IPv6是在IPv4的基础上，通过保持其成功的优点，抛弃或减弱其缺点，并在必要的地方增加新的特性而形成的。它被公认为下一代的IP协议，经过多年的开发，已由试验阶段向实用阶段过渡。自1996年2月美国新罕布什尔大学的IOL（相互操作性实验室）进行第一个相互连接实验以来，IPv6连接实验的规模不断扩大。其主要实践有：
1、6Bone：作为向下一代互联网络协议过渡的重要步骤，6Bone于1996年成立。它是国际的IPv6试验网，目前已经扩展到全球50多个国家和地区，成为IPv6研究者、开发者和实践者的主要平台。6Bone采用了可以减轻路由器负担的新地址构造，开发以转向纯粹IPv6网络为目标的机制和过程、开发以转向并运行全球IPv6路由为目标共享操作信息的机制，建立有关“实践和经验”的文档，汇集IPv6各项技术实现者的经验，为IPv6软件开发者提供反馈、为IETF有关IPv6的活动提供反馈，实现IPv6的传输和路由。
2、6REN（IPv6 Research & Education Network）：致力于研究制定IPv6网络的运行规程，提供具有很高实用价值的优质IPv6分组传递工具，对早期的支持IPv6的应用进行测试以及进一步开发，以推动IPv6网络的发展。
3、中国CERNET IPv6试验床：CERNET国家网络中心于1998年4月进行IPv6方面的试验，建立了IPv6的试验网络，于同年6月加入6Bone，并于11月成为6Bone的骨干网成员。1999年，CERNET在国内教育网范围内组建了IPv6试验床，它以CERNET现有的网络设施和技术力量为依托，致力于为迈向21世纪网络技术的个人和团体提供全真的网络平台，以研究同上一代互联有关的技术，特别是安全、服务质量和移动计算，开发新型的网络应用并示范上述技术及应用。该试验床从6Bone获得P-TLA（伪顶级聚类）3FFF:3200::/24的地址空间，建立了5条国际IPv6虚拟链路，直接通达美、英、德国的IPv6网络，间接地与几乎所有的6Bone成员互联。目前，国内已有10个地区网点的高校连入CERNET IPv6试验网络。该试验床内部实现拓扑如图所示：
试验床内部实现拓扑（1）
试验床内部实现拓扑（2）
目前，对应于IPv6的路由器也相继产品化。如3Com公司的NETBulider和PathBulider S500路由器、Cisco路由器、Hitachi公司的NR60路由器、Nokia公司的IP400、IP600路由器、Sunmitomo Electric的Suminet 3700系列路由器等都很早就已开始对IPv6的支持。操作系统如Free BSD/Net BSD/Open BSD、Solaris（Solaris7通过path支持，Solaris8通过内核支持）、Windows（目前版本MSRIPv6-1.4）、Linux（内核在2.2x以上，目前已开发出大量有IPv6支持的RPM包）也都支持IPv6。虽然许多仍是实验性的支持、与IPv6相关的支持协议也处在实验阶段，并且由于目前的网络设备大多是基于IPv4的，不可能在短时间内都支持IPv6，IPv6将在较长一段时间内与IPv4网络共存，但从现在发展动向来看，IPv6的实用阶段很快就会到来。目前在此过渡期间，主要是通过双协议栈技术、隧道技术、IPv6-only节点和IPv4-only节点互相通信的技术，实现IPv4向IPv6的平稳演进。
参考文献：
1. Stephen E. Deering and Robert M. Hinden. Internet protocol version 6 (IPv6) specification. RFC 2460.December 1998
2. Susan Thomson and Thomas Narten. IPv6 stateless address autoconfiguration. RFC 2462. December 1998
3. Christian Huitema. Ipv6 The New Internet Protocol (Second Edition). 清华大学出版社，PRENTICE HALL，1999
4. 王大伟，洪佩琳，李津生. 从IPv4到IPv6的演进技术. 现代电信科技. 1999，11
5. Dilip C. Naik 著，博彦公司译. Internet标准与协议，清华大学出版社，Microsoft Press, 1999
摘自《光纤新闻网》2002.6.6
