IPv6在下一代互联网中的设计和实现

 

　　所谓IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个32bit地址。按照TCP/IP协议规定，IP地址用二进制来表示，每个IP地址长32bit,比特换算成字节，就是4个字节。为了方便人们的使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号"."分开不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为"10.0.0.1".IP地址的这种表示法叫做"点分十进制表示法",这显然比1和0容易记忆得多。Internet 上的每台主机（Host）都有一个的IP地址。IP协议就是使用这个地址在主机之间传递信息，这是Internet 能够运行的基础。IP地址的长度为32位，分为4段，每段8位，用十进制数字表示，每段数字范围为0~255,段与段之间用句点隔开。例如159.226.1.1.IP地址有两部分组成，一部分为网络地址，另一部分为主机地址。IP地址分为A、B、C、D、E5类。常用的是B和C两类。

　　为什么要从IPv4升级到IPv6

　　现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行的。IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的提出初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，而地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6以重新定义地址空间。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005~2010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它一些问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

　　与IPv4相比，IPv6主要有如下一些优势。，明显地扩大了地址空间。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。第二，提高了网络的整体吞吐量。由于IPv6的数据包可以远远超过64k字节，应用程序可以利用传输单元（MTU），获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快数据包处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量。第三，使得整个服务质量得到很大改善。报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和QoS保障，从而极大改善了IPv6的服务质量。第四，安全性有了更好的保证。采用IPSec可以为上层协议和应用提供有效的端到端安全保证，能提高在路由器水平上的安全性。第五，支持即插即用和移动性。设备接入网络时通过自动配置可自动获取IP地址和必要的参数，实现即插即用，简化了网络管理，易于支持移动节点。而且IPv6不仅从IPv4中借鉴了许多概念和术语，它还定义了许多移动IPv6所需的新功能。第六，更好地实现了多播功能。在IPv6的多播功能中增加了"范围"和"标志",限定了路由范围和可以区分性与临时性地址，更有利于多播功能的实现。

　　目前，随着互联网的飞速发展和互联网用户对服务水平要求的不断提高，IPv6在将会越来越受到重视。

　　IPv6技术优势

　　IPv6是为了从根本上解决现存IPv4网络的IP地址枯竭和路由表急剧膨胀等潜在危机而制订的。IPv6继承了IPv4的优点，并根据IPv4多年来运行的经验进行了大幅度的修改和功能扩充，在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面有明显的改进，IPv6与IPv4是不兼容的，但它同所有其他的TCP/IP协议族中的协议兼容，即IPv6完全可以取代IPv4.从技术上，IPv6相对IPv4的优势主要有以下5个。

　　1.地址充足 （从32位地址空间到128位）。

　　2.协议优化（简化报头提高处理效率，增加扩展报头，提高协议扩展性）。

　　3.即插即用（在主机终端侧做了优化，增强主机易于配置和可管理性，便于支持大量终端应用）。

　　4.安全性（把IPSec作为IPv6扩展头内置，比如OSPFv3依赖于IPSec6）。

　　5.QoS（ 改进点在于增加流标签域）。

　　IPv6发展的主要瓶颈之一在于没有"杀手级"应用，那么，具有上述技术优势的IPv6除了IPv4提供的传统业务，到底能带来哪些新的应用？

　　IPv6在下一代互联网中的应用

　　多年来，在我国IPv6网络发展缓慢，"商业应用匮乏"一直被业界认为是主要原因。国家层面希望在下一代互联网上争取更多的技术话语权，以及物联网的加速应用，使得IPv6网络尽快落地成为可能。以IPv6为技术基础的下一代互联网不但可以支持现有IPv4网络上所提供的所有业务，还能充分支持丰富多样、个性化、无处不在的各种创新业务。

　　1.P2P业务。现今网络上，大部分应用采用的是"客户端/服务器"的模式，只能在一个区域和一定的范围内进行，而且由于地址有限，需要采用NAT等地址转换技术，地址经常变动。IPv6有了足够多的地址，可以长期拥有一个IP地址，实现了网络上所有设备的点对点（P2P）通信，IPv6网络上的游戏真正实现了P2P世界。而且IPv6的综合业务平台可以提供对安全、隐私和计费的保障，将会极大增强在线游戏的P2P特性，为用户带来实时互动沟通的真实体验，同时通过先进的技术、安全的保障为经营者创造价值并确保经营的可靠性和稳定性。

　　IPv6拥有无穷尽的海量地址，除了有助于促进P2P业务模式的发展，更利于实现对称的实时的端到端的业务。这种模式伴随Web2.0,网格等新型应用可能给互联网带来全新体验。

　　2.家庭业务。IPv6具备海量地址，允许海量终端接入，业务也可以实现永远在线，这就有利于开展家庭网络、网络家电、数字家庭、智能家居等业务。

　　互联网在普及之后"家庭网络"的概念开始出现，但是IPv4地址的稀缺，导致无法为所有信息家电分配惟一的IPv4地址，只能利用诸如NAT、私有地址空间等技术来绕过这一限制，但复杂的设置和管理将严重阻碍用户对于新技术的接受程度。

　　网络家电是IPv6下一代网络的重要应用之一。所谓网络家电，指通过个人电脑、PDA等信息设备可对连接在家庭网络中的空调、电饭煲、微波炉、冰箱、电视、音响和照明设备等家用电器进行远距离遥控。为了推行网络家电标准，众多家电厂商正在开发面向IPv6的多种网络家电产品，并进行多项网络家电的IPv6实证实验。

　　数字家庭是指以计算机技术和网络技术为基础，各种家电通过不同的互连方式进行通信及数据交换，实现家用电器之间的"互联互通",使人们足不出户就可以更加方便快捷地获取信息，从而极大提高人类居住的舒适性和娱乐性。交互式网络电视（IPTV）、有线数字电视、机顶盒、电脑娱乐中心、网络电话、网络家电、信息家电以及智能家居等，都是数字家庭的体现。

　　3.物联网。物联网要通过射频识别（RFID）、红外感应器、定位系统、激光扫描器等信息传感设备，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯。

　　RFID（射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。由于IPv6的地址空间巨大，对于RFID来说非常适合，IPv6的大量地址可以实现为每一个RFID分配一个地址，这在地址资源相当匮乏的IPv4来看是难以想象的。

　　IPv6发展演进建议

　　IPv6的引入被认为是解决IPv4地址耗尽的根本和直接的解决方案，但IPv6在实际引入上进展缓慢，本质上在于 IPv6还没有带来新的商业机会，而只是解决现有的地址问题，而现有的替代性解决方案基本可以满足运营商的实际部署需要，替换IPv6的推动力不足。目前IPv6产业链发展尚不平衡，在终端用户-网络-业务的IPv6产业链条中，各相关角色都没有足够动力去单独推动IPv6发展，并且网络两头的终端、业务也是目前IPv6发展的短板，但也是被用户接受的环节。这都是目前IPv6发展面临的困难，因此，IPv6发展任重而道远。

　　业界需要从整个产业的角度去考虑IPv6演进的各种影响，从目前的网络发展经验来看，至少要考虑以下几个因素。

　　1.用户因素。IPv6是对IPv4完全不兼容的新一代网络层协议，在引入后要求对现网影响降低到，对用户要求不感知。从以往的经验来看，类似于PSTN网络改造，变了，但业务没变，用户使用习惯上没有任何改变，这样的网络改造是用户可接受的，是易于推广的网络演进方式。另外，新发展的IPv6用户不能在访问原有的IPv4业务上存在限制，体验不能有大的降低，甚至在体验上要使用各种商务策略提高IPv6用户的体验，这样才能引导IPv4用户向IPv6迁移。日本NTT在这里有较为成功的业务发展经验，从发展全新的IPv6业务品牌，把提升全面的业务体验和IPv6的紧密结合，到包装下一代网络的理念上，给终端用户形成IPv6的下一代全新业务体验的概念，从而成功地推进了IPv6的规模应用。

　　2.业务因素。IPv6和IPv4是完全不兼容的协议，在IPv6的部署上需要考虑这个关键问题。IPv6的初始部署业务选择上，为了避免因兼容性造成的不利影响，宜采用从封闭型业务切入，如IPTV.封闭型业务互通性要求不高，没有和现存的IPv4体系交互的要求，可以降低早期部署IPv6的难度，易于快速部署，对于IPv6引入早期，积累IPv6运营经验，是较为合适的切入业务选择。

　　3.网络因素。IPv6的网络部署上，需考虑端到端实施，网络各个层面的组网和设备在网络架构、技术选择、设备能力、厂商组成、IPv6支持能力等方面上存在较大差异，需要综合考虑IPv6的可演进方案。为了减少对现网的影响，在成本可接受的前提下，早期部署上可考虑新建专网或专用设备，如采用独立的IPv6网关接入IPv6用户，这样既可以避免IPv6早期部署上可能存在的各类问题对现网业务的冲击，也可以避免性升级所有的现网设备支持IPv6,造成的短期改造成本过高难以实施，并且可以在新网络新设备上采用独立的维护管理人员，避免IPv6引入初期IPv6技术人员的短缺问题。

　　4.成本因素。IPv6的引入是一个长期的系统工程，应该慎重考虑引入的时机和节奏，这需要权衡改造和升级的综合成本。过早地切入IPv6,就必然要承担和周围环境互通的成本；过晚地切入，会造成网络迁移的总成本的增加。所以，短时间内一蹴而就地将所有的网络改造替换为支持IPv6的设备是不可取的；网络不能切入IPv6,使得IPv6实际商用过程滞后，这也是不可接受的，IPv6的引入必须从成本维度把握引入的节奏。

　　IPv6的演进不可能一蹴而就，注定是一个漫长的过程。IPv6的平滑演进需要综合考虑网络端到端各个层面的水平维度，也需要综合考虑用户、业务、网络、成本等多种因素的垂直维度，通过合理的规划，循序渐进地分阶段分步骤逐步完成网络IPv6演进的各个组成部分。