浅谈IPv6技术：IPv6的原理、特点及应用
关键词 互联网协议 IPv4 IPv6
一、概述
IPv6 是“互联网协议第六版”的缩写。IPv6是由IETF设计的下一代互联网协议，目的是取代现有的互联网协议第四版（IPv4）。IPv4的设计思想成功地造就了目前的国际互联网，其核心价值体现在：简单、灵活和开放性。但随着新应用的不断涌现，传统的IPv4协议已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量保证等。其不足主要体现在以下几方面：
（1）地址资源即将枯竭：IPv4提供的IP地址位数是32位，也即1亿个左右的地址。随着连接到Internet上的主机数目的迅速增加，有预测表明，所有IPv4地址将在2005～2010年间分配完毕。
（2）路由表越来越大：由于IPv4采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，所以随着连入网络数目的增涨，路由器数目飞速增加，相应地，决定数据传输路由的路由表也就不断增大。
（3）缺乏服务质量保证：IPv4遵循Best Effort原则，这一方面是一个优点，因为它使IPv4简单高效；但另一方面它对互联网上涌现出的新业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体应用，这些应用要求提供一定的服务质量保证，如带宽、延迟和抖动等。
（4）地址分配不便：IPv4是采用手工配置的方法来给用户分配地址，这不仅增加了管理和规划的复杂程度，而且不利于为那些需要IP移动性的用户提供更好服务。
IPv6能够解决IPv4的许多问题，如地址短缺、服务质量保证等。同时，IPv6还对IPv4作了大量的改进，包括路由和网络自动配置等。IPv6和IPv4将在过渡期内共存几年，并由IPv6渐渐取代IPv4。
二、IPv6核心技术
在地址长度上，IPv6与IPv4相比，很明显的一个改善就是IPv6的128位地址长度可以提供充足的地址空间，同时它还为主机接口提供不同类型的地址配置，其中包括：全球地址、全球单播地址、区域地址、链路本地地址、地区本地地址、广播地址、多播群地址、任播地址、移动地址、家乡地址、转交地址等。IPv6的另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。其中无状态地址自动配置方式是：需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。另外IPv6还在以下几方面表现出很高的特性。
1. 服务质量方面
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）。它的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，中间节点在接收到一个数据包后，通过验证它的流标签，就可以判断它属于哪个流，然后就可以知道数据包的QoS需求，并进行快速的转发。附表为IPv4与IPv6数据包格式的比较：
2. 安全方面
在安全性方面，IPv6与IP安全性（IPSec）机制和服务更加紧密结合。虽然两种IP标准目前都支持IPsec（IP安全协议），但是IPv6是将安全作为自身标准的有机组成部分，安全的部署是在更加协调统一的层次上，而不像IPv4那样通过叠加的解决方案来实现安全。通过IPv6中的IPsec可以对IP层上（也就是运行在IP层上的所有应用）的通信提供加密/授权，可以实现远程企业内部网（如企业VPN网络）的无缝接入，并且可以实现永远连接。除了这一强制性安全机制外，IPSec还提供两种服务。认证报头（AH）用于保证数据的一致性，而封装的安全负载报头（ESP）用于保证数据的保密性和数据的一致性。在IPv6包中，AH和ESP都是扩展报头，可以同时使用，也可以单独使用其中一个。作为IPSec的一项重要应用，IPv6集成了虚拟专网（VPN）的功能。
3. 移动IPv6方面
移动性无疑是互联网上最精彩的服务之一。移动IPv6协议为用户提供可移动的IP数据服务，让用户可以在世界各地都使用同样的IPv6地址，非常适合未来的无线上网。
IPv6中的移动性支持是在制订IPv6协议的同时作为一个必需的协议内嵌在IP协议中的。不同于IPv4的移动性支持是作为一种对IP协议附加的功能提出的，不是所有的IPv4实现都能够提供对移动性的支持，其效率没有移动IPv6高。更重要的是，IPv4有限的地址空间资源无法提供所有潜在移动终端设备所需的IP地址，难以实现移动IP的大规模应用。和IPv4相比，IPv6的移动性支持取消了异地代理，完全支持路由优化，彻底消除了三角路由问题，并且为移动终端提供了足够的地址资源，使得移动IP的实际应用成为可能。
（a）当移动节点处于本地网络时，通过接收本地网络上路由器的路由器通告来进行地址配置；获取网络参数。
（b）当移动节点接入异地网络后，不再收到来自本地网络的路由器通告；而是收到来自异地网络上路由器的路由器通告，移动节点利用接收到的异地网络路由器通告进行移动检测。
（c）移动节点配置好在异地网络的转交地址后，就向本地代理发送绑订更新报文，通知其自己的转交地址，并注册。
（d）移动节点同时向通信节点发送绑订更新报文，通知其自己的转交地址。
（e）这样，本地代理就可以通过隧道的方式向移动节点转发来自通信节点的报文。
（f）如果通信节点通过接收来自移动节点的绑定更新，获取了移动节点的转交地址，则可以直接与移动节点通信，而无需通过本地代理，实现路由优化。
4. 组播技术
组播是一种允许一个或多个发送者（组播源）发送单一的数据包给多个接收者（一次的，同时的）的网络技术，它适用于一点到多点或多点到多点的数据传输业务。组播实现的基本原则是：依托IP协议完成组播，IP组播强制网络在数据分发树的分叉处进行信息包的复制。IP组播的实现包括三个部分：寻址、组播成员管理和组播路由协议。
组播寻址：IPv6为组播预留了一定的地址空间，其地址高8位为"11111111"，后跟120位组播组标识。此地址仅用作组播数据包的目标地址，组播源地址只能是单播地址。发送方只需要发送数据给该组播地址，就可以实现对多个不同地点用户数据的发送，而不需要了解接收方的任何信息。
组播成员管理：组播使用IGMP（Internet Group Manager Protocol）协议实现用户的动态注册过程。在主机与组播路由器之间通过IGMP协议建立并维护组播组成员的关系。组播转发路由器通过IGMP协议了解其在每个接口连接的网段上是否存在某个组播组的接收者，即组成员。如果出现成员，组播路由器将组播数据包转发到这个网段；如果没有则停止转发或不转发，以节省带宽。
组播路由协议：组播路由协议的作用是建立和维护组播路由表，以充分利用带宽。组播路由协议分为两种类型：密集模式和稀疏模式。密集模式组播路由协议指组播成员在整个网络上密集分布，即许多子网至少包含一个成员，带宽充裕，但其不适用于规模大的适用于组播成员在网络中稀疏分布，且未必有充裕带宽可用的网络。
三、IPv4到IPv6的过渡技术
如何完成从IPv4到IPv6的转换是IPv6发展中需要解决的第一个问题。目前，IETF已经成立了专门的工作组，研究IPv4到IPv6的转换问题，并且提出了很多方案，主要包括以下几个类型：
1. 网络过渡技术
（l）隧道技术：随着IPv6网络的发展，出现了许多局部的IPv6网络，利用隧道技术可以通过现有的运行IPv4协议的Internet骨干网络（即隧道）将局部的IPv6网络连接起来，因而是IPv4向IPv6过渡的初期最易于采用的技术。隧道技术的方式为：路由器将IPv6的数据分组封装入IPv4，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。在隧道的出口处，再将IPv6分组取出转发给目的站点。
（2）网络地址转换/协议转换技术：网络地址转换/协议转换技术NAT-PT（Network Address Translation - Protocol Translation）通过与SIIT协议转换和传统的IPv4下的动态地址翻译（NAT）以及适当的应用层网关（ALG）相结合，实现了只安装了IPv6的主机和只安装了IPv4机器的大部分应用的相互通信。
2. 主机过渡技术
IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都基于相同的物理平台，而且加载于其上的传输层协议TCP和UDP又没有任何区别。可以看出，如果一台主机同时支持IPv6和IPv4两种协议，那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信，又能与支持IPv6协议的主机通信，这就是双协议栈技术的工作机理。
3. 应用服务系统（DNS）过渡技术
在IPv4到IPv6的过渡过程中，作为Internet基础架构的DNS服务也要支持这种网络协议的升级和转换。IPv4和IPv6的DNS记录格式等方面有所不同，为了实现IPv4网络和IPv6网络之间的DNS查询和响应，可以采用应用层网关DNS-ALG结合NAT-PT的方法，在IPv4和IPv6网络之间起到一个翻译的作用。例如，IPv4的地址域名映射使用“A”记录，而IPv6使用“AAAA”或“A6”记录。那么，IPv4的节点发送到IPv6网络的DNS查询请求是“A”记录，DNS-ALG就把“A”改写成“AAAA”，并发送给IPv6网络中的DNS服务器。当服务器的回答到达DNS-ALG时，DNS-ALG修改回答，把“AAAA”改为“A”，把IPv6地址改成DNS-ALG地址池中的IPv4转换地址，把这个IPv4转换地址和IPv6地址之间的映射关系通知NAT-PT，并把这个IPv4转换地址作为解析结果返回IPv4主机。IPv4主机就以这个IPv4转换地址作为目的地址与实际的IPv6主机通过NAT-PT通信。
上述技术很大程度上依赖于从支持IPv4的互联网到支持IPv6的互联网的转换，我们期待IPv4和IPv6可在这一转换过程中互相兼容。目前，6to4机制便是较为流行的实现手段之一。
四、几种IPv6应用介绍
从语音、数据到视频，从对现有网络应用更卓越的支持与改善，到IPv6独具特色的创新业务，IPv6带给我们的全方位、高品质的应用与服务前景是美妙而广阔的。以下简单介绍几种IPv6的应用：
1. 视频应用
IPv6对于视频应用的意义在于：解决了地址容量问题，优化了地址结构以提高选路效率，提高了数据吞吐量，以适应视频通信大信息量传输的需要。IPv6还加强了组播功能，实现基于组播、具有网络性能保障的VC视频会议、高清晰度数字电视、VOD视频点播、网络视频监控应用。这是只有高带宽、高性能的下一代互联网才能支持的典型应用，具有交互协同技术特性。IPv6对于IPv4的最大革新之处在于它对于QoS的考虑，对各种多媒体信息根据紧急性和服务类别确定数据包的优先级。此外，IPv6采用必选的IPSec很好地保证了网络的安全性。
2. 移动智能终端应用
传统的移动通信技术主要是为了支撑话音业务，虽然随着用户需求的提出和技术的发展，目前已经有了基于WAP或GPRS提供IP业务的蜂窝电话产品，但是现有的技术远远无法满足未来通信的需要，第三代移动通信将采用分组交换的设备来代替电路交换设备，IP业务将是第三代移动通信业务中的重要组成部分。
由于IP的诸多优点和全球IP浪潮的影响，3G演变为全IP的趋势越来越明显。作为移动通信的核心，3G为了满足始终在线的需求，需要很大的地址空间，只有IPv6才能满足这种需求。3GPP RAN WG3已经要求，对于Iu、Iub以及Iur接口，如果要提供IP传输，则UTRAN节点必须支持IPv6，对IPv4的支持则是可选的。
3G的发展方向将是一个全IP的分组网络，3G业务将以数据和互联网业务为主，在3G网络上将承载着实时话音、移动多媒体、移动电子商务等多种业务，因此在计费、漫游、应用、终端等方面会更加复杂，IPv6将是实现这些服务的关键。如果说3G的发展推动了IPv6的发展和标准化，那么IPv6协议的诸多优越特性则为3G网络的发展奠定了坚实的基础，IPv6有庞大的地址空间、对移动性有良好的支持、有服务质量的保证机制、安全性和地址自动分配机制等。3GPP将IPv6作为3G必须遵循的标准，国内外很多通信厂商正致力于构建基于IPv6的全IP的3G核心网（All-IP Core）。
3. 无线网络应用
最近，无线网络WLAN在中国的热点地区渐成亮点，随着网络技术和业务的发展，人们将会提出多种接入方式无缝互连的要求，即忽略蓝牙、无线局域网和广域网（GSM/CDMA）之间的技术差异，使得在不同网络环境下用户的连接和所使用的业务不会中断，真正实现不间断的连接。采用移动IPv6将使这一目标的实现更加容易。
实现用户通信的同一性：目前一个人拥有多个不同类型的终端（如手机、PDA、笔记本电脑等）的现象已不鲜见，这些终端普遍都有上网功能，但这些终端的上网是互不相干的，通信的内容、方式也因终端而异。然而从用户的角度来看，实现通信的同一性是至关重要的，未来用户应该只关注自己的应用而将终端淡化成一种手段，而以IPv6大量的地址资源和其它先进的性能做基础，完全可以实现通信的同一性。
实现多种接入方式的无缝互联：未来各种接入网技术仍然共存，如在PAN中采用蓝牙技术、LAN中采用无线局域网（802.11）、WAN中采用WCDMA/GSM等，而无线技术最终将使人们忽略接入技术的不同而实现随时随地的网络连接，用户能够使用一种多模的终端来通过全球移动网络以及有限范围的WLAN或蓝牙系统来接入IP网络或因特网，用户从某种接入技术覆盖的区域移动到另外一种接入技术覆盖的区域时仍然能够保持不间断的连接。
五、总结与展望
业界的一种观点认为，未来的网络将是全IP网络，全IP能无缝集成各种接入方式，将宽带、移动因特网和现有的无线系统都集成到IP层中，通过一种网络基础设施提供所有通信服务，并为运营商带来许多好处，如节省成本、增强网络的可扩展性和灵活性、提高网络运作效率、创造新的收入机会等等。要实现全IP网络，采用移动IPv6是最基本的要求。
在电信网方面，越来越多的人认为未来的电信网络是基于IP技术的网络。IP电信网和传统的电信网络存在很大的不同，其力图将自由的IP网络变成有序的、可管理的、有QoS保障的，以提供增值业务为主的网络。在组建IP电信网时，IPv6是首选的技术之一。
除此之外，在线游戏，网络家电，智能终端的不断发展也会是IPv6应用的一个有力的推动因素。总之，要提供whoever、whenever、whereever始终在线的服务，只有IPv6才能满足要求。
随着我国大规模IPv6网络部署的全面展开，可以预见的是：IPv6关键技术研究、重大应用示范以及应用推广亦将于2004年到2005年陆续启动并全面铺开。中国将在全球IPv6的部署进程中发挥越来越重要的作用。将于2004年4月在北京召开的第三届全球IPv6高峰论坛的主题就是：中国--IPv6引擎。我们完全有理由相信，届时，IPv6产业界的支持者和推动者们将会分享到更多和更新的IPv6网络部署以及应用探索的实践成果与经验。
