模板
教程
環境
性能
功能
管理
IPv6技術之發展現狀和技術原理
前言
自從計算機網絡產生之后，就一直以飛快的速度在發展，在許多方面使得我們一般的人都無法跟從和了解，在網絡的基礎原理上也是一樣，如IPv6。雖然在好幾年以前就已經有不少的媒體和人開始談論IPv6，但是作為一般的人始終都沒有多少了解和接觸，或者說是感性的認識。前些天，一個朋友偶爾問起這個IPv6，使我有了這么個想法。試圖將一本厚厚的專業書濃縮在以下的一些文字當中。
一、發展現狀
由IP地址危機產生和發展起來的IPv6作為下一代互聯網協議已經得到了各方的公認，未來互聯網的發展離不開IPv6的支持和應用，甚至被認為是后起發展網絡的國家追趕“發達”國家的一個良好機遇。正因為如此，目前各方面都在加緊對IPv6的研究和應用開發。但是，IPv6的發展主要得益于政府和廠商兩方面的支持。
1.政府支持
許多國家對Ipv6技術都已經引起足夠的重視，并且都采取了一些切實可行的措施，尤其是一些歐洲國家。作為胡聯網絡的發源地，美國也在積極地進行Ipv6的研究和建設。中國對于IPv6技術的態度是“積極跟蹤、把握機遇、穩妥推進”，并且在部分地區實行了網上實驗，如劉東等人積極推動中國Ipv6的開展。中國政府密切關注著IPv6的發展，目前中國高校和科研機構已經與國外一些運營商合作，對IPv6進行研究實驗。并且在日前有消息說，國家發改委劃撥的4億元資金和各大運營商配套的10億元資金已經基本到位，中國發展IPv6的時間表也將在月內出籠。但是該協議在中國的大規模應用還要有一段時間。
2.廠商支持
IPv6作為下一代互聯網協議已經引起了各地區、各運營商的足夠重視，因為所有的人都已經認識到這樣一種前景：誰能夠率先在IPv6方面有所作為，誰就能夠在未來的競爭中占住有利位置。在眾多的設備提供商和運營商的努力下，IPv6協議已經從實驗室走向了應用階段。已有50多個國家和地區加入有關IPv6的研究。法、日、美等國的研究機構，IBM、Sun、日立等公司，分別研制開發了不同平臺上的IPv6系統軟件和應用軟件；美國思科、加拿大北電網絡、Nokia等路由器廠商已經開發出了面向IPv6網絡的路由器產品。操作系統方面，基于開放源碼的Linux對IPv6提供了比較強的支持，Sun、IBM、康柏、惠普和微軟的最新操作系統都提供了IPv6支持。
因此，從整體上來講，Ipv6的技術已經成熟，標準也基本完善，一些網絡基礎設施和核心設備都已陸續開始支持其使用，但是在具體實施的問題上，由于經濟利益上的關系，在目前還沒有普遍推廣，而是處于與Ipv4相互并存和過度的階段。
二、技術原理
IPv6是“InternetProtocolVersion6”的縮寫，也被稱作下一代互聯網協議，它是由IETF（TheInternetEngineeringTaskForce）設計的用來替代現行的IPv4協議的一種新的IP協議。
1、地址格式M
與IPv4的32地址相比，IPv6的地址要長的多。IPv6共有128位地址，是Ipv4的整整四倍。與Ipv4一樣，一個字段由16位二進制數組成，因此，Ipv6有8個字段。每個字段的最大值為16384，但在書寫時用四位的十六進制數字表示，并且字段與字段之間用“：”隔開，而不是原來的“.”。而且字段中前面為零的數值可以省略，如果整個字段為零，那么也可以省略。128位地址所形成的地址空間在可預見的很長時期內，它能夠為所有可以想象出的網絡設備提供一個全球唯一的地址。128位地址空間包含的準確地址數是340，282，366，920，938，463，463，374，607，431，768，211，456。
Ipv6的地址如上圖所示?！癋P”是就是地址前綴（也稱為“格式前綴”），用于區別其它地址類型。隨后分別是13位的TLAID（頂級聚集體ID號）、8位的Res（保留位，以備將來TLA或NLA擴充之用。）、24位的NLAID（次級聚集體ID號）、16位SLAID（節點ID號）和64位InterfaceID（主機接口ID號）。TLA、NLA、SLA三者構成了自頂向下排列的三個網絡層次，并且依次向上一級申請ID號。分層結構的最底層是網絡主機。
2、地址分類
IPv6定義了三種不同的地址類型。分別為單點傳送地址(UnicastAddress)，多點傳送地址（MulticastAddress）和任意點傳送地址（AnycastAddress）。所有類型的IPv6地址都是屬于接口（Interface）而不是節點（node）。一個IPv6單點傳送地址被賦給某一個接口，而一個接口又只能屬于某一個特定的節點，因此一個節點的任意一個接口的單點傳送地址都可以用來標示該節點。
IPv6中的單點傳送地址是連續的，以位為單位的可掩碼地址與帶有CIDR的IPv4地址很類似，一個標識符僅標識一個接口的情況。在IPv6中有多種單點傳送地址形式，包括基于全局提供者的單點傳送地址、基于地理位置的單點傳送地址、NSAP地址、IPX地址、節點本地地址、鏈路本地地址和兼容IPv4的主機地址等。
多點傳送地址是一個地址標識符對應多個接口的情況（通常屬于不同節點）。IPv6多點傳送地址用于表示一組節點。一個節點可能會屬于幾個多點傳送地址。這個功能被多媒體應用程序所廣泛使用，它們需要一個節點到多個節點的傳輸。RFC-2373對于多點傳送地址進行了更為詳細的說明，并給出了一系列預先定義的多點傳送地址。
任意點傳送地址也是一個標識符對應多個接口的情況。如果一個報文要求被傳送到一個任意點傳送地址，則它將被傳送到由該地址標識的一組接口中的最近一個（根據路由選擇協議距離度量方式決定）。任意點傳送地址是從單點傳送地址空間中劃分出來的，因此它可以使用表示單點傳送地址的任何形式。從語法上來看，它與單點傳送地址間是沒有差別的。當一個單點傳送地址被指向多于一個接口時，該地址就成為任意點傳送地址，并且被明確指明。當用戶發送一個數據包到這個任意點傳送地址時，離用戶最近的一個服務器將響應用戶。這對于一個經常移動和變更的網絡用戶大有益處。
那么從接口主機來講（主要從功用來分），IPv6又可以把主機接口類型進行地址配置：全球地址（Globally）、全球單播地址（unicast）、區域地址（on-site）、鏈路本地地址（linklocaladdress）、地區本地地址（sitelocaladdress）、廣播地址（Broadcast）、多播群地址（multicastgroupaddress）、任播地址（anycastaddress）、移動地址（Mobility）、家鄉地址（homeaddress）、轉交地址（care-ofaddress）。
3、地址配置
IPv6的一個基本特性是它支持無狀態和有狀態兩種地址自動配置的方式。無狀態地址自動配置方式是獲得地址的關鍵。IPv6把自動將IP地址分配給用戶的功能作為標準功能。只要機器一連接上網絡便可自動設定地址。它有兩個優點。一是最終用戶用不著花精力進行地址設定，二是可以大大減輕網絡管理者的負擔。IPv6有兩種自動設定功能。一種是和IPv4自動設定功能一樣的名為“全狀態自動設定”功能。另一種是“無狀態自動設定”功能。
在IPv4中，動態主機配置協議（DynamicHostConfigurationProtocol，DHCP）實現了主機IP地址及其相關配置的自動設置。一個DHCP服務器擁有一個IP地址池，主機從DHCP服務器租借IP地址并獲得有關的配置信息（如缺省網關、DNS服務器等），由此達到自動設置主機IP地址的目的。IPv6繼承了IPv4的這種自動配置服務，并將其稱為全狀態自動配置（StatefulAutoconfiguration）。
在無狀態自動配置（StatelessAutoconfiguration）過程中，主機首先通過將它的網卡MAC地址附加在鏈接本地地址前綴1111111010之后，產生一個鏈路本地單點傳送地址。接著主機向該地址發出一個被稱為鄰居發現（neighbordiscovery）的請求，以驗證地址的唯一性。如果請求沒有得到響應，則表明主機自我設置的鏈路本地單點傳送地址是唯一的。否則，主機將使用一個隨機產生的接口ID組成一個新的鏈路本地單點傳送地址。然后，以該地址為源地址，主機向本地鏈路中所有路由器多點傳送一個被稱為路由器請求（RouterSolicitation）的配置信息。路由器以一個包含一個可聚集全球單點傳送地址前綴和其它相關配置信息的路由器公告響應該請求。主機用它從路由器得到的全球地址前綴加上自己的接口ID，自動配置全球地址，然后就可以與Internet中的其它主機通信了。使用無狀態自動配置，無需手動干預就能夠改變網絡中所有主機的IP地址。例如，當企業更換了聯入Internet的ISP時，將從新ISP處得到一個新的可聚集全球地址前綴。ISP把這個地址前綴從它的路由器上傳送到企業路由器上。由于企業路由器將周期性地向本地鏈路中的所有主機多點傳送路由器公告，因此企業網絡中所有主機都將通過路由器公告收到新的地址前綴，此后，它們就會自動產生新的IP地址并覆蓋舊的IP地址。
4、服務質量
服務質量（QualityofSevers）包含幾個方面的內容。從協議的角度看，IPv6的優點體現在能提供不同水平的服務。這主要由于IPv6報頭中新增加了字段“業務級別”和“流標記”。有了它們，在傳輸過程中，中間的各節點就可以識別和分開處理任何IP地址流。盡管對這個流標記的準確應用還沒有制定出有關標準，但將來它會用于基于服務級別的新計費系統。在其它方面，IPv6也有助于改進服務質量。這主要表現在支持“時時在線”連接，防止服務中斷以及提高網絡性能方面。
IPv6數據包的格式包含一個8位的業務流類別（Class）和一個新的20位的流標簽（FlowLabel）。最早在RFC1883中定義了4位的優先級字段，可以區分16個不同的優先級。后來在RFC2460里改為8位的類別字段。其數值及如何使用還沒有定義，其目的是允許發送業務流的源節點和轉發業務流的路由器在數據包上加上標記，并進行除默認處理之外的不同處理。一般來說，在所選擇的鏈路上，可以根據開銷、帶寬、延時或其他特性對數據包進行特殊的處理。
一個流是以某種方式相關的一系列信息包，IP層必須以相關的方式對待它們。決定信息包屬于同一流的參數包括：源地址，目的地址，QoS，身份認證及安全性。IPv6中流的概念的引入仍然是在無連接協議的基礎上的，一個流可以包含幾個TCP連接，一個流的目的地址可以是單個節點也可以是一組節點。IPv6的中間節點接收到一個信息包時，通過驗證他的流標簽，就可以判斷它屬于哪個流，然后就可以知道信息包的QoS需求，進行快速的轉發。
基于IPv4的Internet在設計之初，只有一種簡單的服務質量，即采用“盡最大努力”（Besteffort）傳輸，從原理上講服務質量QoS是無保證的。文本傳輸，靜態圖像等傳輸對QoS并無要求。隨著IP網上多媒體業務增加，如IP電話、VoD、電視會議等實時應用，對傳輸延時和延時抖動均有嚴格的要求。
5、移動連接
基于移動IPv6協議集成的IP層移動功能具有很重要的優點。尤其是在移動終端數量持續增加的今天，這些優點更加突出。盡管IPv4中也存在一個類似的移動協議，但二者之間存在著本質的區別：移動IPv4協議不適用于數量龐大的移動終端。移動IP需要為每個設備提供一個全球唯一的IP地址。IPv4沒有足夠的地址空間可以為在公共互聯網上運行的每個移動終端分配一個這樣的地址。從另外的角度講，移動IPv6能夠通過簡單的擴展，滿足大規模移動用戶的需求。這樣，它就能在全球范圍內解決有關網絡和訪問技術之間的移動性問題。為了全球范圍內使用移動IPv6，在基于IPv6網絡上增加了一安全層。
作為Ipv6的重要功能之一，更詳細的移動連接內容在后面將還有介紹。
6、報頭簡化
IPv6對數據報頭作了簡化，以減少處理器開銷并節省網絡帶寬。IPv6的報頭由一個基本報頭和多個擴展報頭(ExtensionHeader)構成，基本報頭具有固定的長度（40字節）（當然，由于字段長短的關系，總的來說，Ipv4的基本報頭長度要短的多），放置所有路由器都需要處理的信息。由于Internet上的絕大部分包都只是被路由器簡單的轉發，因此固定的報頭長度有助于加快路由速度。IPv4的報頭有15個域，而IPv6的只有8個域，IPv4的報頭長度是由IHL域來指定的，而IPv6的是固定40個字節。這就使得路由器在處理IPv6報頭時顯得更為輕松。與此同時，IPv6還定義了多種擴展報頭，這使得IPv6變得極其靈活，能提供對多種應用的強力支持，同時又為以后支持新的應用提供了可能。這些報頭被放置在IPv6報頭和上層報頭之間，每一個可以通過獨特的“下一報頭”的值來確認。除了逐個路程段選項報頭（它攜帶了在傳輸路徑上每一個節點都必須進行處理的信息）外，擴展報頭只有在它到達了在IPv6的報頭中所指定的目標節點時才會得到處理(當多點播送時，則是所規定的每一個目標節點)。在那里，在IPv6的下一報頭域中所使用的標準的解碼方法調用相應的模塊去處理第一個擴展報頭(如果沒有擴展報頭，則處理上層報頭)。每一個擴展報頭的內容和語義決定了是否去處理下一個報頭。因此，擴展報頭必須按照它們在包中出現的次序依次處理。一個完整的IPv6的實現包括下面這些擴展報頭的實現：逐個路程段選項報頭，目的選項報頭，路由報頭，分段報頭，身份認證報頭，有效載荷安全封裝報頭，最終目的報頭。
7、安全特性
安全問題始終是Internet與生俱來。由于在IP協議設計之初沒有考慮安全性，因而在早期的Internet上時常發生諸如企業或機構網絡遭到攻擊、機密數據被竊取等不幸的事情。為了加強Internet的安全性，從1995年開始，IETF著手研究制定了一套用于保護IP通信的IP安全（IPSec）協議。IPSec是IPv4的一個可選擴展協議，是IPv6的一個必須組成部分。
IPv6協議內置安全機制，并已經標準化。IPSec的主要功能是在網絡層對數據分組提供加密和鑒別等安全服務，它提供了兩種安全機制：認證和加密。認證機制使IP通信的數據接收方能夠確認數據發送方的真實身份以及數據在傳輸過程中是否遭到改動。加密機制通過對數據進行編碼來保證數據的機密性，以防數據在傳輸過程中被他人截獲而失密。IPSec的認證報頭（AuthenticationHeader，AH）協議定義了認證的應用方法，安全負載封裝（EncapsulatingSecurityPayload，ESP）協議定義了加密和可選認證的應用方法。在實際進行IP通信時，可以根據安全需求同時使用這兩種協議或選擇使用其中的一種。AH和ESP都可以提供認證服務，不過，AH提供的認證服務要強于ESP。
做為IPv6的一個組成部分，IPSec是一個網絡層協議。它從底層開始實施安全策略，避免了數據傳輸（直至應用層）中的安全問題。但它只負責其下層的網絡安全，并不負責其上層應用的安全，如Web、電子郵件和文件傳輸等。
作為IPSec的一項重要應用，IPv6集成了虛擬專用網（VPN）的功能，使用IPv6可以更容易地、實現更為安全可靠的虛擬專用網。
8、域名解析
在IPv6中，域名的體系結構仍然保持了Ipv4的層次原理。而且IPv6地址本身的層級體系也就更加支持了域名解析體系中的地址集聚和地址更改。同樣，在IPv6的域名解析中包括了正向解析和反向解析。正向解析是從域名到IP地址的解釋。IPv6地址的正向解析目前有兩種資源記錄，即“AAAA”和“A6”記錄。其中“AAAA”較早提出，它是對IPv4協議“A"”錄的簡單擴展，由于IP地址由32位擴展到128位，擴大了4倍，所以資源記錄由“A”擴大成4個“A”。但“AAAA”用來表示域名和IPv6地址的對應關系，并不支持地址的層次性?！癆6”是在RFC2874基礎上提出，它是把一個IPv6地址根據其本身的層次性分解，然后多個“A6”記錄建立聯系，每個“A6”記錄都只包含了IPv6地址的一部分，結合后拼裝成一個完整的IPv6地址。反向解析則是從IP地址到域名的解釋。它與IPv4的“PTR”一樣，但地址表示形式有兩種。一種是用“.”分隔的半字節16進制數字格式（NibbleFormat），低位地址在前，高位地址在后，域后綴是“IP6.INT.”。另一種是二進制串（Bit-string）格式，以“\[”開頭，16進制地址（無分隔符，高位在前，低位在后）居中，地址后加“]”，域后綴是“IP6.ARPA.”。
在移動過程中的DNS根據“無狀態”和“有狀態”兩種地址配置方式，也分為“無狀態”和“有狀態”兩類。在無狀態的方式下，需要為子網內部的DNS服務器配置站點范圍內的任播地址。要進行自動配置的節點以該任播地址為目的地址發送服務器發現請求，詢問DNS服務器地址、域名和搜索路徑等DNS信息。這個請求到達距離最近的DNS服務器，服務器根據請求，回答DNS服務器單播地址、域名和搜索路徑等DNS信息。節點根據服務器的應答配置本機DNS信息，以后的DNS請求就直接用單播地址發送給DNS服務器。當然，也可以不采取任播地址的方法，但是相對來說，從安全性等問題上考慮，一般采取此種方式。在有狀態的DNS服務器發現方式下，是通過類似DHCP這樣額外的服務器把DNS服務器地址、域名和搜索路徑等DNS信息告訴節點。
