IPv4的局限性及其缺點

在當前計算機工業飛速發展的步伐下，指出IPv4的局限性和缺點如同指出小汽車和卡車的內燃機是有缺陷的動力源一樣。IP的確是一個非常強壯的協議，并已經證明了它能夠連接小至幾個節點，大至Inte.net上難以計數的主機。為交通工具選擇動力源時，只要能像汽油機或柴油機一樣提供動力，任何人都可以使用包括電能、太陽能或是風能作為上路的動力而不會影響別人，與此不同的是，IP的升級將對所有使用IP的人產生重大影響。

TCP/IP的工程師和設計人員早在80年代初期就意識到了升級的需求，因為當時已經發現IP地址空間隨著Internet的發展只能支持很短的時間。本節將介紹IP必須升級的原因以及可以同時改進之處，其中包括：

.地址空間的局限性：IP地址空間的危機由來已久，并正是升級的主要動力。

.性能：盡管IP表現得不錯，一些源自20年甚至更早以前的設計還能夠進一步改進。

.安全性：安全性一直被認為是由網絡層以上的層負責，但它現在已經成為IP的下一個版本可以發揮作用的地方。

.自動配置：對于IPv4節點的配置一直比較復雜，而網絡管理員與用戶則更喜歡“即插即用”，即：將計算機插在網絡上然后就可以開始使用。IP主機移動性的增強也要求當主機在不同網絡間移動和使用不同的網絡接入點時能提供更好的配置支持。

IP地址空間危機

Internet經歷了核爆炸般的發展，在過去的10到15年間，連接到Internet的網絡數量每隔不到一年的時間就會增加一倍。但即便是這樣的發展速度，也并不足以導致90年代后期IP地址的匱乏。

IP地址為32位長，經常以4個兩位十六進制數字表示，也常常以4個0至255間的數字表示，數字間以小數點間隔。每個IP主機地址包括兩部分：網絡地址，用于指出該主機屬于哪一個網絡(屬于同一個網絡的主機使用同樣的網絡地址)；主機地址，它唯一地定義了網絡上的主機。這種安排一方面是IP協議的長處所在，另一方面也導致了地址危機的產生。

由于IPv4的地址空間可能具有多于40億的地址，有人可能會認為Internet很容易容納數以億計的主機，至少幾年內仍可以應付連續的倍增。但是，這只適用于IP地址以順序化分布的情況，即第一臺主機的地址為1，第二臺主機的地址為2，依此類推。通過使用分級地址格式，即每臺主機首先依據它所連接的網絡進行標識，IP可支持簡單的選路協議，主機只需要了解彼此的IP地址，就可以將數據從一臺主機上轉移至另一臺主機。這種分級地址把地址分配的工作交給了每個網絡的管理者，從而不再需要中央授權機構為Internet上的每臺主機指派地址。到網絡外的數據依據網絡地址進行選路，在數據到達目的主機所連接的路由器之前無需要了解主機地址。

通過中央授權機構順序化地為每臺主機指派地址可能會使地址指派更加高效，但是這幾乎使所有其他的網絡功能不可行。例如，選路將實質上不可行，因為這將要求每個中間路由器去查詢中央數據庫以確定向何處轉發包，而且每個路由器都需要最新的Internet拓撲圖獲知向何處轉發包。每一次主機的地址變動都將導致中央數據庫的更新，因為需在其中修改或刪除該主機的表項。

IP地址被分為五類，只有三類用于IP網絡，這三類地址一度被認為足以應付將來的網絡互聯。A類地址只有126個，用于那些最大的實體，如政府機關，因為它們連接著最多的主機：理論上最多可達一千六百萬臺。B類地址大約16000個，用于大型機構，如大學和大公司，理論上可支持超過65000臺主機。C類網絡超過兩百萬個，每個網絡上的主機數量不超過255個，用于使用IP網絡的其他機構。

更小的公司，某些只有幾臺主機，它們對于C類地址的使用效率很低；而大型機構在尋找B類地址時卻發現越來越難；那些幸運地獲得A類地址的少數公司很少能夠高效地使用它們的一千六百萬個主機地址。這導致了在過去幾年中一直使用的網絡地址指派規程陷入了困境，在試圖更有效地分發地址空間的同時，還要注意保存現有的未指派地址。與此同時，一些解決地址危機的辦法開始得以廣泛使用，其中包括無類域間選路(CIDR)、網絡地址翻譯和使用非選路網絡地址。

IP性能議題

IP剛開始時，從各方面看就像一個實驗品，其主要目的在于為在異種網絡間進行數據的可靠、健壯和高效傳輸探索最佳機制，從而實現不同計算機的互操作。在很大程度上IP實現了此目標，但這并不意味著IP可以繼續實現這些目標，也不意味著在對IP進行修改后而不能更好。在過去的幾年中，很明顯不僅IP有改進余地，同時新的開發也導致修改IP的呼聲越來越高。在這次升級中考慮了最大傳輸單元、最大包長度、IP頭的設計、校驗和的使用、IP選項的應用等議題。針對這些議題已經提出了專門建議并已引入IPv6中，這將有利于提高IPv6的性能并改進IPv6作為繼續高速發展的網絡的基礎的能力。

IP安全性議題

剛開始時連入Internet的都是側重于研究與開發的機構，至少其中的研究人員互相間了解各自的名聲，而他們與軍隊和政府的密切關系也保證了安全性不是一個主要問題。更重要的是，很久以來人們認為安全性議題在網絡協議棧的低層并不重要，應用安全性的責任仍交給應用層。在許多情況下，IPv4設計為只具備最少的安全性選項，而IPv6的設計者們已在其中加入了安全性選項來強力支持IP的安全性。

IPv6安全性的增強無疑將改進虛擬專用網(VPN)的互操作性。IPv6的安全性特性中包括數據的加密與對于所傳輸的加密數據和未加密數據進行的身份驗證。這些功能也許將被證實是有價值的，但其價值(和功效)將主要體現在政治上而不是技術上。
IPv4的安全性議題將在第3章中有所介紹，而IPv6對于安全和身份驗證的解決方案將在第9章中詳細解釋。

自動配置

在IP還很年輕時，大部分計算機被放在雕花地板的房間里且其價格超過了大多數人一年(甚至更長時間)的收入。這些系統無法搬到任何其他地方去：它們年復一年地放在一個房間或建筑物中，它們與Internet的連接基本上是靜態的，極少改變。那時也沒有ISP，它們通過電話公司提供的線路來鏈接至其他網絡或Internet骨干網。

現在事情有了些變化。有數百個ISP可供選擇，如果對于用戶系統與網絡間的選路和轉發沒有影響的話，理論上用戶可以在不同的ISP間切換，從而更好地利用不同的速率和服務。同樣，越來越多用戶的工作方式要求網絡服務具有更大的移動性。他們可能在家中使用一個或多個系統，可能在世界各地使用所攜帶的膝上型或筆記本電腦，也可能使用辦公室中的任何一部電腦。更復雜的事情在于，這些人可能不只受雇于一個雇主，也可能為多個雇主工作。即便是同一個人使用同一部計算機，該計算機也會頻繁地升級或售出。

隨著工作和計算機對于移動性要求的與日俱增，IP也必須做出一些改變以適應這種需求。針對這個問題，IPv4已經有了一些改變，動態主機配置協議(DHCP)可以允許系統在啟動甚至只在需要時才通過服務器獲取其正確和完整的IP網絡配置。目前，主機(無論是移動的還是固定的)仍然依賴于到網絡的單點連接。當用戶攜帶筆記本電腦出差時，只需給其ISP打一個電話就可以恢復連接能力。如果該ISP不能提供區域外的免費長途號碼，就需要打長途電話來撥入該ISP。

但是，還可以進行更多的改進，IPv6應該能夠旁路到單一ISP的靜態連接，讓用戶系統能夠檢測到最近的網絡網關并通過它進行連接。目前尚不清楚這個功能如何實現，這里暫不討論，但IPv6將可能實現該功能，其技術細節將在第11章中解釋。

緊迫感

對IP地址體系結構不足的官方認可可以參見1991年發布的RFC1287，其中定義了IP在成長過程中遇到的問題。至少從1992年就已開始了網絡地址的定量分配，那時候對新的B類地址提出了要求，而不足以使用B類地址的中型機構開始接受成塊的C類地址(參見RFC1366和RFC1466)。

與最后一分鐘(或更晚)才開始的為2000年問題所做的努力不同，IPv6的升級工作體現了多年來許多專職工程師和計算機科學家的努力。他們已完成的工作使Internet和其他IP網絡繼續高效地發揮作用并保持多年的增長。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com