IPv6技术之发展现状和技术原理

前言

自从计算机网络产生之后，就一直以飞快的速度在发展，在许多方面使得我们一般的人都无法跟从和了解，在网络的基础原理上也是一样，如IPv6。虽然在好几年以前就已经有不少的媒体和人开始谈论IPv6，但是作为一般的人始终都没有多少了解和接触，或者说是感性的认识。前些天，一个朋友偶尔问起这个IPv6，使我有了这么个想法。试图将一本厚厚的专业书浓缩在以下的一些文字当中。

一、发展现状

由IP地址危机产生和发展起来的IPv6作为下一代互联网协议已经得到了各方的公认，未来互联网的发展离不开IPv6的支持和应用，甚至被认为是后起发展网络的国家追赶“发达”国家的一个良好机遇。正因为如此，目前各方面都在加紧对IPv6的研究和应用开发。但是，IPv6的发展主要得益于政府和厂商两方面的支持。

政府支持

许多国家对Ipv6技术都已经引起足够的重视，并且都采取了一些切实可行的措施，尤其是一些欧洲国家。作为胡联网络的发源地，美国也在积极地进行Ipv6的研究和建设。中国对于IPv6技术的态度是“积极跟踪、把握机遇、稳妥推进”，并且在部分地区实行了网上实验，如刘东等人积极推动中国Ipv6的开展。中国政府密切关注着IPv6的发展，目前中国高校和科研机构已经与国外一些运营商合作，对IPv6进行研究实验。并且在日前有消息说，国家发改委划拨的4亿元资金和各大运营商配套的10亿元资金已经基本到位，中国发展IPv6的时间表也将在月内出笼。但是该协议在中国的大规模应用还要有一段时间。

厂商支持

IPv6作为下一代互联网协议已经引起了各地区、各运营商的足够重视，因为所有的人都已经认识到这样一种前景：谁能够率先在IPv6方面有所作为，谁就能够在未来的竞争中占住有利位置。在众多的设备提供商和运营商的努力下，IPv6协议已经从实验室走向了应用阶段。已有50多个国家和地区加入有关IPv6的研究。法、日、美等国的研究机构，IBM、Sun、日立等公司，分别研制开发了不同平台上的IPv6系统软件和应用软件；美国思科、加拿大北电网络、Nokia等路由器厂商已经开发出了面向IPv6网络的路由器产品。操作系统方面，基于开放源码的Linux对IPv6提供了比较强的支持，Sun、IBM、康柏、惠普和微软的最新操作系统都提供了IPv6支持。

因此，从整体上来讲，Ipv6的技术已经成熟，标准也基本完善，一些网络基础设施和核心设备都已陆续开始支持其使用，但是在具体实施的问题上，由于经济利益上的关系，在目前还没有普遍推广，而是处于与Ipv4相互并存和过度的阶段。

二、技术原理

IPv6是“Internet Protocol Version 6”的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF（The Internet Engineering Task Force）设计的用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议。

1、地址格式M

与IPv4的32地址相比，IPv6 的地址要长的多。IPv6共有128位地址，是Ipv4的整整四倍。与Ipv4一样，一个字段由16位二进制数组成，因此，Ipv6有8个字段。每个字段的最大值为16384，但在书写时用四位的十六进制数字表示，并且字段与字段之间用“：”隔开，而不是原来的“.”。而且字段中前面为零的数值可以省略，如果整个字段为零，那么也可以省略。128位地址所形成的地址空间在可预见的很长时期内，它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。128位地址空间包含的准确地址数是340，282，366，920，938，463，463，374，607，431，768，211，456。

Ipv6的地址如上图所示。“FP”是就是地址前缀（也称为“格式前缀”），用于区别其它地址类型。随后分别是13位的TLA ID（顶级聚集体ID号）、8位的Res（保留位，以备将来TLA或NLA扩充之用。）、24位的NLA ID（次级聚集体ID号）、16位SLA ID（节点ID号）和64位Interface ID（主机接口ID号）。TLA、NLA、SLA三者构成了自顶向下排列的三个网络层次，并且依次向上一级申请ID号。分层结构的最底层是网络主机。

2、地址分类

IPv6定义了三种不同的地址类型。分别为单点传送地址(Unicast Address)，多点传送地址（Multicast Address）和任意点传送地址（Anycast Address）。所有类型的IPv6地址都是属于接口（Interface）而不是节点（node）。一个IPv6单点传送地址被赋给某一个接口，而一个接口又只能属于某一个特定的节点，因此一个节点的任意一个接口的单点传送地址都可以用来标示该节点。

IPv6中的单点传送地址是连续的，以位为单位的可掩码地址与带有CIDR的IPv4地址很类似，一个标识符仅标识一个接口的情况。在IPv6中有多种单点传送地址形式，包括基于全局提供者的单点传送地址、基于地理位置的单点传送地址、NSAP地址、IPX地址、节点本地地址、链路本地地址和兼容IPv4的主机地址等。

多点传送地址是一个地址标识符对应多个接口的情况（通常属于不同节点）。IPv6多点传送地址用于表示一组节点。一个节点可能会属于几个多点传送地址。这个功能被多媒体应用程序所广泛使用，它们需要一个节点到多个节点的传输。RFC-2373对于多点传送地址进行了更为详细的说明，并给出了一系列预先定义的多点传送地址。

任意点传送地址也是一个标识符对应多个接口的情况。如果一个报文要求被传送到一个任意点传送地址，则它将被传送到由该地址标识的一组接口中的最近一个（根据路由选择协议距离度量方式决定）。任意点传送地址是从单点传送地址空间中划分出来的，因此它可以使用表示单点传送地址的任何形式。从语法上来看，它与单点传送地址间是没有差别的。当一个单点传送地址被指向多于一个接口时，该地址就成为任意点传送地址，并且被明确指明。当用户发送一个数据包到这个任意点传送地址时，离用户最近的一个服务器将响应用户。这对于一个经常移动和变更的网络用户大有益处。

那么从接口主机来讲（主要从功用来分），IPv6又可以把主机接口类型进行地址配置：全球地址（Globally）、全球单播地址（unicast）、区域地址（on-site）、链路本地地址（link local address）、地区本地地址（site local address）、广播地址（Broadcast）、多播群地址（multicast group address）、任播地址（anycast address）、移动地址（Mobility）、家乡地址（home address）、转交地址（care-of address）。

3、地址配置

IPv6的一个基本特性是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。IPv6把自动将IP地址分配给用户的功能作为标准功能。只要机器一连接上网络便可自动设定地址。它有两个优点。一是最终用户用不着花精力进行地址设定，二是可以大大减轻网络管理者的负担。IPv6有两种自动设定功能。一种是和IPv4自动设定功能一样的名为“全状态自动设定”功能。另一种是“无状态自动设定”功能。

在IPv4中，动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）实现了主机IP地址及其相关配置的自动设置。一个DHCP服务器拥有一个IP地址池，主机从DHCP服务器租借IP地址并获得有关的配置信息（如缺省网关、DNS服务器等），由此达到自动设置主机IP地址的目的。IPv6继承了IPv4的这种自动配置服务，并将其称为全状态自动配置（Stateful Autoconfiguration）。

在无状态自动配置（Stateless Autoconfiguration）过程中，主机首先通过将它的网卡MAC地址附加在链接本地地址前缀1111111010之后，产生一个链路本地单点传送地址。接着主机向该地址发出一个被称为邻居发现（neighbor discovery）的请求，以验证地址的唯一性。如果请求没有得到响应，则表明主机自我设置的链路本地单点传送地址是唯一的。否则，主机将使用一个随机产生的接口ID组成一个新的链路本地单点传送地址。然后，以该地址为源地址，主机向本地链路中所有路由器多点传送一个被称为路由器请求（Router Solicitation）的配置信息。路由器以一个包含一个可聚集全球单点传送地址前缀和其它相关配置信息的路由器公告响应该请求。主机用它从路由器得到的全球地址前缀加上自己的接口ID，自动配置全球地址，然后就可以与Internet中的其它主机通信了。使用无状态自动配置，无需手动干预就能够改变网络中所有主机的IP地址。例如，当企业更换了联入Internet的ISP时，将从新ISP处得到一个新的可聚集全球地址前缀。ISP把这个地址前缀从它的路由器上传送到企业路由器上。由于企业路由器将周期性地向本地链路中的所有主机多点传送路由器公告，因此企业网络中所有主机都将通过路由器公告收到新的地址前缀，此后，它们就会自动产生新的IP地址并覆盖旧的IP地址。

4、服务质量

服务质量（Quality of Severs）包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6的优点体现在能提供不同水平的服务。这主要由于IPv6报头中新增加了字段“业务级别”和“流标记”。有了它们，在传输过程中，中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流标记的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它会用于基于服务级别的新计费系统。在其它方面，IPv6也有助于改进服务质量。这主要表现在支持“时时在线”连接，防止服务中断以及提高网络性能方面。

IPv6数据包的格式包含一个8位的业务流类别（Class）和一个新的20位的流标签（Flow Label）。最早在RFC1883中定义了4位的优先级字段，可以区分16个不同的优先级。后来在RFC2460里改为8位的类别字段。其数值及如何使用还没有定义，其目的是允许发送业务流的源节点和转发业务流的路由器在数据包上加上标记，并进行除默认处理之外的不同处理。一般来说，在所选择的链路上，可