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IPv6的由来
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IPv6的由来
Internet协议的第4版（IPv4）为TCP／IP族和Internet提供了基本的通信机
制。IP技术已经广泛应用了10多年，随着Internet的指数增长，互联网的体系结构由NSFNET核心
网络演变为由ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）运营的分散的体系结构，
互联网几乎覆盖了全球的每一个角落。当前互联网面临的一个严峻问题是地址消耗，即没有足够的
地址来满足全球的需要。IPv4的问题逐渐显露出来，32bit的IP地址空间枯竭、网络号码匾乏、路
由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不够等。IETF开发的下一代Internet协议IPv6基
本能解决目前IPv4所存在的主要弊病的。
1.1 IPv4的局限性
IPv4协议规定，每个互联网上的主机和路由器都有一个32bit的IP地址，它包
括网络号和主机号，这一编码组合是唯一的，用于IP分组的源地址和目的地址字段。IP地址被分
为5类。把IP地址分成两部分的好处是使路由器中的选路表不致太大。路由器不必为每个目的主机
维持一个路由选择表项，而为每个网络维护一个路由选择表项，当进行选路时，只检查目的地址的
网络部分。
实际上IPv4地址这种网络号／主机号的模式有两个致命的弱点：地址空间的浪
费和过度的路由负担。
理论上说，有超过20亿个地址，但实际上由于分级地址管理，浪费了上千万的
地址，特别是B类地址。对于大多数机构，一个B类网络的65536个地址太大了，而且B类地址的首
部不足以为Internet内的所有中型网络编址。一个合理的建议是用C类网络代替B类网络，由于C类
地址有256个本地标识符，效率会高一些。
但是相继出现两个问题：一是网络增长。当应用C类网络的公司内部用户超过
256时，他必须申请另一个C类网络。另一个问题是路由选择表暴涨，在互联网中，外部路由是以
网络数为基础的，使用C类地址意味着分配更多的网络，路由器要记录更多的表项，从而影响了外
部路由协议的性能。
除了地址空间方面的局限外，IPv4在提供满足新的应用的性能和安全性方面也
存在着一些局限性，IPv4的数据包最大只能是64k字节，这对一些需要高速、实时传输的应用，如
多媒体应用是不够的。另外，IPv4不能提供路由器级的安全性，这对诸如电子商务等对安全性要
求很高的应用也是不够的。
近几年来，随着Internet规模的急剧膨胀，信息量的加大以及Internet上新
的应用的出现，人们对IP协议的地址空间、性能以及安全性等方面有了新的需求。而原有的IPv4
已远不能适应这些新的需求，为了满足需要人们设计了IP协议的下一版本IPv6。
1.2 IPng与IPv6
有关下一版IP的所有讨论和建议，被称为IP-the next generation
（IPng）。IPv6是指IETF
（Internet Engineering Task Force，互联网工程专门工作组）所提出的
特定的建议。它实际上是增强的简单因特网协议SIPP（Simple Internet Protocol Plus）。
2 IPv6的主要特点
IPv6保持了IPv4的大多数概念，如IPv6还支持无连接的传递，允许发送方选择
数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前的最大跳数，以及大部分选项等。但IPv6改
变了协议的许多细节，如使用更大的地址空间，尤其是IPv6修订了IPv4的数据报格式，用一系列
固定格式的首部取代了IPv4中可变长度的选项字段。IPv6数据包头的主要特性如下：
2.1 无限的地址空间
IPv6的地址域是128bit的，可能的地址数是2128个。如同IPv4一样，IPv6把
一个地址与一个特定的网络连接关联，一个IPv6路由器有多个地址，而具有一个网络连接的主机
只需一个地址。为了地址分配和修改的方便，IPv6允许给一个给定的网络指派多个前缀，也允许
对一个主机的给定接口同时指派多个地址。IPv6还扩充或者说统一了IPv4的特殊地址。一个报文
的目的地址可归为以下三类。
· Unicast单播：目的地址指明一个单一的计算机，数据报将选择一条最短的
路径到达目的站。
· Cluster群播：目的站是共享一个地址前缀的计算机的集合，数据报将选择
一条最短的路径到达该组，然后只投递给组中的一个成员。
· Multicast多播：目的站是一组计算机，数据报将通过硬件组播或广播投递
给每一个成员：
2.2 头部的简化和可扩展性
IPv6的另一个主要进步就是对包头的简化，尽量避免那些很少使用的域静态地
占用空间。它仅包含7个字段（IPv4有13个）。这使路由器处理分组的速度加快，提高了吞吐率。
IPv6数据包头中的“NextHeader”域，它指向数据包头的扩展部分，这样便
可以在如此简单的结构里提供很多可选的特征。同IPv4一样，IPv6允许数据报包含可选的控制信
息，但在IPv4头中必需的字段现在只是IPv6的选项。而且，选项出现在扩展头部中，使路由器可
以简单的跳过选项，加速了分组处理的过程。另外还包含了IPv4所不具备的选项，可以提供新的
设施。
2.3 安全性的提高
IPv6利用数据包头的扩展部分可以提供路由器级的安全性。IPv6中强制性的安
全性包括两方面的内容。一方面，IPv6数据包的接收者可以要求发送者首先利用IPv6认证头（数
据包头的扩展部分）进行“登录”，然后才接收数据包，这种登录是算法独立的，可以有效地阻止
网络“黑客”的攻击。另一方面，利用IPv6的封闭安全头（数据包头的扩展部分）加密数据包，
这种加密也是算法独立的，这意味着可以安全地在Internet上传输敏感数据，不用担心被第三方
截取。
2.4 高性能和高QoS
加长的“Payload Length”使IPv6的数据包可以远远超过64k字节，应用程序
可以利用最大传输单元（MTU）特征获得更快、更可靠的数据传输。
“Flow labels”域极大地改善了IPv6的服务质量。一个“流”是从一个源节
点发送的多个数据包。“Flow labels”域允许源节点排列流各数据包的逻辑顺序，路由器便可以
维护此流的前后关系，这样便有可能优化传输性能和拥塞管理。
3 IPv4向IPv6的演进技术
为了保护在IPv4上的大量投资，IPv6应该能与IPv4的主机和路由器共存。对
Internet上所有IPv4节点的演进不可能在同一时刻完成，IPv6必须与IPv4兼容，对IPv4网络节点
的演进才能根据实际情况逐步地进行。目标是所有的网络节点都运行IPv6，充分发挥IPv6在地址
空间、性能和安全性等方面的优势。为了保证平滑的演进，IPv6在设计时必须考虑以下四个目
标。
1）逐步演进：已有的IPv4网络节点可以随时演进，而不受限于相关网络节点
运行IP协议的版本。
2）逐步部署：新的IPv6网络节点可以随时增加到网络中。
3）地址兼容：当IPv4网络节点演进到IPv6时，IPv4的IP地址还可以继续使
用。
4）降低费用：在演进时，只需很低的费用和很少的准备工作。
为了实现以上四个目标，IETF推荐了双协议栈、隧道技术、以及NAT等演进方
案。
3.1 IPv6／IPv4双协议栈技术
简单他说，双栈机制就是使IPv6网络节点具有一个IPv4栈和一个IPv6栈，同时
支持IPv4和IPv6协议。IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都应用于相同的物理平台，以
及承载相同的传输层协议TCP或UDP，如果一台主机同时支持IPv6和IPv4协议，那么该主机就可以
和仅支持IPv4或IPv6协议的主机通信，IPv6／IPv4双协议栈的协议结构如图1所示。
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Internet协议的第4版（IPv4）为TCP／IP族和Internet提供了基本的通信机
制。IP技术已经广泛应用了10多年，随着Internet的指数增长，互联网的体系结构由NSFNET核心
网络演变为由ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）运营的分散的体系结构，
互联网几乎覆盖了全球的每一个角落。当前互联网面临的一个严峻问题是地址消耗，即没有足够的
地址来满足全球的需要。IPv4的问题逐渐显露出来，32bit的IP地址空间枯竭、网络号码匾乏、路
由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不够等。IETF开发的下一代Internet协议IPv6基
本能解决目前IPv4所存在的主要弊病的。
1.1 IPv4的局限性
IPv4协议规定，每个互联网上的主机和路由器都有一个32bit的IP地址，它包
括网络号和主机号，这一编码组合是唯一的，用于IP分组的源地址和目的地址字段。IP地址被分
为5类。把IP地址分成两部分的好处是使路由器中的选路表不致太大。路由器不必为每个目的主机
维持一个路由选择表项，而为每个网络维护一个路由选择表项，当进行选路时，只检查目的地址的
网络部分。
实际上IPv4地址这种网络号／主机号的模式有两个致命的弱点：地址空间的浪
费和过度的路由负担。
理论上说，有超过20亿个地址，但实际上由于分级地址管理，浪费了上千万的
地址，特别是B类地址。对于大多数机构，一个B类网络的65536个地址太大了，而且B类地址的首
部不足以为Internet内的所有中型网络编址。一个合理的建议是用C类网络代替B类网络，由于C类
地址有256个本地标识符，效率会高一些。
但是相继出现两个问题：一是网络增长。当应用C类网络的公司内部用户超过
256时，他必须申请另一个C类网络。另一个问题是路由选择表暴涨，在互联网中，外部路由是以
网络数为基础的，使用C类地址意味着分配更多的网络，路由器要记录更多的表项，从而影响了外
部路由协议的性能。
除了地址空间方面的局限外，IPv4在提供满足新的应用的性能和安全性方面也
存在着一些局限性，IPv4的数据包最大只能是64k字节，这对一些需要高速、实时传输的应用，如
多媒体应用是不够的。另外，IPv4不能提供路由器级的安全性，这对诸如电子商务等对安全性要
求很高的应用也是不够的。
近几年来，随着Internet规模的急剧膨胀，信息量的加大以及Internet上新
的应用的出现，人们对IP协议的地址空间、性能以及安全性等方面有了新的需求。而原有的IPv4
已远不能适应这些新的需求，为了满足需要人们设计了IP协议的下一版本IPv6。
1.2 IPng与IPv6
有关下一版IP的所有讨论和建议，被称为IP-the next generation
（IPng）。IPv6是指IETF
（Internet Engineering Task Force，互联网工程专门工作组）所提出的
特定的建议。它实际上是增强的简单因特网协议SIPP（Simple Internet Protocol Plus）。
2 IPv6的主要特点
IPv6保持了IPv4的大多数概念，如IPv6还支持无连接的传递，允许发送方选择
数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前的最大跳数，以及大部分选项等。但IPv6改
变了协议的许多细节，如使用更大的地址空间，尤其是IPv6修订了IPv4的数据报格式，用一系列
固定格式的首部取代了IPv4中可变长度的选项字段。IPv6数据包头的主要特性如下：
2.1 无限的地址空间
IPv6的地址域是128bit的，可能的地址数是2128个。如同IPv4一样，IPv6把
一个地址与一个特定的网络连接关联，一个IPv6路由器有多个地址，而具有一个网络连接的主机
只需一个地址。为了地址分配和修改的方便，IPv6允许给一个给定的网络指派多个前缀，也允许
对一个主机的给定接口同时指派多个地址。IPv6还扩充或者说统一了IPv4的特殊地址。一个报文
的目的地址可归为以下三类。
· Unicast单播：目的地址指明一个单一的计算机，数据报将选择一条最短的
路径到达目的站。
· Cluster群播：目的站是共享一个地址前缀的计算机的集合，数据报将选择
一条最短的路径到达该组，然后只投递给组中的一个成员。
· Multicast多播：目的站是一组计算机，数据报将通过硬件组播或广播投递
给每一个成员：
2.2 头部的简化和可扩展性
IPv6的另一个主要进步就是对包头的简化，尽量避免那些很少使用的域静态地
占用空间。它仅包含7个字段（IPv4有13个）。这使路由器处理分组的速度加快，提高了吞吐率。
IPv6数据包头中的“NextHeader”域，它指向数据包头的扩展部分，这样便
可以在如此简单的结构里提供很多可选的特征。同IPv4一样，IPv6允许数据报包含可选的控制信
息，但在IPv4头中必需的字段现在只是IPv6的选项。而且，选项出现在扩展头部中，使路由器可
以简单的跳过选项，加速了分组处理的过程。另外还包含了IPv4所不具备的选项，可以提供新的
设施。
2.3 安全性的提高
IPv6利用数据包头的扩展部分可以提供路由器级的安全性。IPv6中强制性的安
全性包括两方面的内容。一方面，IPv6数据包的接收者可以要求发送者首先利用IPv6认证头（数
据包头的扩展部分）进行“登录”，然后才接收数据包，这种登录是算法独立的，可以有效地阻止
网络“黑客”的攻击。另一方面，利用IPv6的封闭安全头（数据包头的扩展部分）加密数据包，
这种加密也是算法独立的，这意味着可以安全地在Internet上传输敏感数据，不用担心被第三方
截取。
2.4 高性能和高QoS
加长的“Payload Length”使IPv6的数据包可以远远超过64k字节，应用程序
可以利用最大传输单元（MTU）特征获得更快、更可靠的数据传输。
“Flow labels”域极大地改善了IPv6的服务质量。一个“流”是从一个源节
点发送的多个数据包。“Flow labels”域允许源节点排列流各数据包的逻辑顺序，路由器便可以
维护此流的前后关系，这样便有可能优化传输性能和拥塞管理。
3 IPv4向IPv6的演进技术
为了保护在IPv4上的大量投资，IPv6应该能与IPv4的主机和路由器共存。对
Internet上所有IPv4节点的演进不可能在同一时刻完成，IPv6必须与IPv4兼容，对IPv4网络节点
的演进才能根据实际情况逐步地进行。目标是所有的网络节点都运行IPv6，充分发挥IPv6在地址
空间、性能和安全性等方面的优势。为了保证平滑的演进，IPv6在设计时必须考虑以下四个目
标。
1）逐步演进：已有的IPv4网络节点可以随时演进，而不受限于相关网络节点
运行IP协议的版本。
2）逐步部署：新的IPv6网络节点可以随时增加到网络中。
3）地址兼容：当IPv4网络节点演进到IPv6时，IPv4的IP地址还可以继续使
用。
4）降低费用：在演进时，只需很低的费用和很少的准备工作。
为了实现以上四个目标，IETF推荐了双协议栈、隧道技术、以及NAT等演进方
案。
3.1 IPv6／IPv4双协议栈技术
简单他说，双栈机制就是使IPv6网络节点具有一个IPv4栈和一个IPv6栈，同时
支持IPv4和IPv6协议。IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都应用于相同的物理平台，以
及承载相同的传输层协议TCP或UDP，如果一台主机同时支持IPv6和IPv4协议，那么该主机就可以
和仅支持IPv4或IPv6协议的主机通信，IPv6／IPv4双协议栈的协议结构如图1所示。
| 应用层协议 | |
| TCP/UDP协议 | |
| IPv6协议 | IPv4协议 |
| 链路层及物理协议 | |
3.2 隧道技术
隧道机制就是必要时将IPv6数据包做为数据封装在IPv4数据包里，使IPv6数据
包能在已有的IPv4基础设施（主要是指IPv4路由器）上传输。随着IPv6的发展，出现了一些被运
行IPv4协议的骨干网络隔离开的局部IPv6网络，为了使这些IPv6网络之间通信，必须采用隧道技
术。隧道对于源站点和目的站点是透明的，在隧道的入口处，路由器将rv6的数据分组封装如IPv4
中，该IPv4分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPv4地址，在隧道出口处，再将
IPv6分组取出转发给目的站点。隧道技术的优点在于隧道的透明性，IPv6主机之间的通信可以忽
略隧道的存在，
隧道只起到物理通道的作用。隧道技术在IPv4向IPv6演进的初期应用非常广
泛。但是，隧道技术不能实现IPv4主机和IPv6主机之间的之间通信。
3.3 网络地址转换技术
网络地址转换（Network Address Translator，NAT）技术是将IPv4地址和
IPv6地址分别看作内部地址和全局地址，或者相反。例如，内部的IPv4主机要和外部的IPv6主机
通信时，在NAT服务器中将IPv4地址（相当于内部地址）变换成IPv6地址（相当于全局地址），服
务器维护一个IPv4与IPv6地址的映射表。反之，当内部的IPv6主机和外部的IPv4主机进行通信
时，则IPv6主机映射成内部地址IPv4主机映射成全局地址。NAT技术可以解决IPv4主机和IPv6主
机之间的互通问题。
4 结束语
与IPv4比较，IPv6提供很多新的、重要的特征，但是演进到IPv6需要更改
IPv4上的应用程序、主机和路由器，例如动态主机配置协议（DHCP）、BOOTP和域名系统（DNS）
等，而这种更改是一项巨大的系统工程。
有人甚至提出疑问，如果可以增强IPv4克服它的弱点，是否有必要如此兴师动
众地进行演进。但是IPv6提供的优势是明显的，在欧美几年前就有很多IPv6实验网出现，目前有
很多公司已经宣布支持IPv6，根据专家们的估计，目前IPv4的可用地址会在2000～2018年之间用
完，IPv6的时代即将到来。
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