IPV6為下一代網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的基礎(chǔ)

2019-11-03 08:59:44

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供稿：網(wǎng)友

徐貴寶

　　——ipv6地址結(jié)構(gòu)體系研究的進(jìn)展與地址分配策略

　　一、引言

　　下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)是以IP為中心，支持語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的全業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。因此，IP協(xié)議的研究對下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展至關(guān)重要。然而，IPV4已經(jīng)很難獨自擔(dān)當(dāng)起支撐下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重任。相對于IPv4而言，IPv6改進(jìn)了許多功能，如單播和組播地址空間、任意廣播地址、分層路由的集體尋址等。通過這些改進(jìn)，IPv6擴(kuò)大了地址空間，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量，改善了服務(wù)質(zhì)量和安全性，增強(qiáng)了對即插即用和移動性的支持，更好地實現(xiàn)了多播功能，從而使IPv6成為下一代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。目前，IETF及相關(guān)機(jī)構(gòu)正在努力完善IPv6地址結(jié)構(gòu)體系和地址分配策略，使之能更好地為下一代網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　二、IPv6地址結(jié)構(gòu)體系研究的進(jìn)展

　　RFC3513是IETF最近公布的IPv6地址結(jié)構(gòu)體系，該體系取消了早期公布的RFC2373。雖然在RFC3513中保留了RFC2373的部分內(nèi)容，IPv6地址仍分為單播、任播、組播三種類型，地址和地址前綴的表示方法也未變，但在其它許多方面作了重大調(diào)整。另外，IETF還在RFC3587公布了新的IPv6全球單播地址格式，并取消了RFC2374。

　　1.大大擴(kuò)展了全球單播地址空間

　　在RFC3513中，IETF對IPv6的地址類型及其所占地址空間的比重進(jìn)行了重新調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果如表1所示。

表1　IPv6的地址類型及其所占地址空間的比重

地址類型	二進(jìn)制前綴	IPv6符號	占地址空間的比重
不確定型	00…0(128位)	∷/128	1/2¹²⁸
環(huán)回	00…1(128位)	∷1/128	1/2¹²⁸
組播	11111111	FF00∷/8	1/256
本地鏈路單播	1111111010	FF80∷/10	1/1024
本地站點單播	1111111011	FFCO∷/10	1/1024
全球單播	（所有其他）

　　通過與RFC2373對比可知，RFC3513取消了為NSAP和IPX等保留的地址，將原來的保留地址全部劃入了全球單播地址的行列，從而大大擴(kuò)展了全球單播地址的空間。

　　2.給出了新的全球單播地址格式

　　RFC3513給出了新的IPv6全球單播地址通用格式，見圖1。

n bits	m bits	128-n-m bits
全球路由前綴	子網(wǎng)ID	接口ID

圖1　新的IPv6全球單播地址的通用格式

　　在圖1中，全球路由前綴是分配給站點(一組子網(wǎng)/鏈接)的一個典型層次結(jié)構(gòu)值，子網(wǎng)ID是一個站點內(nèi)子網(wǎng)的標(biāo)識。全球路由前綴由RIR和ISP設(shè)計為分層結(jié)構(gòu)，子網(wǎng)域由站點管理員設(shè)計為分層結(jié)構(gòu)。在RFC3513中還刪除了格式前綴(FP)這個術(shù)語，以保證執(zhí)行簡便，而不需要掌握任何有全球單播格式前綴的知識。

　　由于RFC3513要求所有的單播地址(除了以二進(jìn)制00O開頭的地址外)有64位接口ID并具有改進(jìn)EUI-64格式的結(jié)構(gòu)(以二進(jìn)制000開頭的全球單播地址在接口標(biāo)識大小和結(jié)構(gòu)方面沒有這個限制)，即要求n+m=64，為進(jìn)一步明確IPv6全球單播地址格式，RFC3587給出了新的格式，見圖2。

n bits	64-n bits	64 bits
全球路由前綴	子網(wǎng)ID	接口ID

圖2　RFC3587給出的IPv6全球單播地址新格式

　　RFC3513亦規(guī)定，IANA對IPv6全球單播地址的空間分配權(quán)限只局限于以二進(jìn)制001開頭的地址范圍。RFC3587雖廢除了RFC2374中全球可聚集單播地址的前綴格式001，但同時又指出，只有001前綴格式供IANA分配，其余的全球單播地址空間(大約是IPv6地址空間的85%)要保留下來，以備將來定義和使用，暫時不再由IANA分配。所以，由IANA代理、與RFC3177中的建議相一致的2000∷/3前綴的全球單播地址就成了如圖3所示的格式。

3 bits	45 bits	16 bits	64 bits
001	全球路由前綴	子網(wǎng)ID	接口ID

圖3　IANA代理的2000∷/3前綴的IPv6全球單播地址格式

　　根據(jù)RFC3177，RFC3513和RFC3587，并結(jié)合目前LIR的分配情況，可將IANA有權(quán)分配的全球單播地址格式表示為圖4所列的形式。

3	45		16	64
001	29 bits	16 bits	16 bits	64 bits
LIR/32
客戶站點/48
子網(wǎng)/64
設(shè)備/128

圖4　IANA有權(quán)分配的IPv6全球單播地址格式

　　從該格式可以看出，在IANA有權(quán)分配的地址空間中，前三個比特是固定的，29比特地址空間分配給各LIR，LIR可將后面的16比特地址空間分配給客戶站點。這樣，客戶站點前綴即為48比特，并具有16比特的子網(wǎng)劃分空間。

　　3.進(jìn)一步明確了本地使用的IPv6單播地址

　　本地使用的單播地址有兩種，分別是鏈路本地地址和站點本地地址。

　　鏈路本地地址格式見圖5。

10 bits	54 bits	64 bits
1111111010	0	接口ID

圖5　鏈路本地地址格式

　　鏈路本地地址用于單個鏈接，可進(jìn)行自動地址配置、鄰居發(fā)現(xiàn)或在沒有路由器時進(jìn)行單個鏈接編址。RFC3513規(guī)定，路由器不能轉(zhuǎn)發(fā)任何到達(dá)其他鏈路的具有鏈路本地源或目的地址的包。站點本地地址格式見圖6。

10 bits	54 bits	64 bits
1111111011	子網(wǎng)ID	接口ID

圖6　站點本地地址格式

　　站點本地地址用于單個站點，即用于不需要全球前綴站點的內(nèi)部編址。盡管子網(wǎng)ID可以長達(dá)54位，但最好還是保證全球鏈接站點能在站點本地前綴和全球前綴中使用相同的子網(wǎng)ID。RFC3513規(guī)定，路由器不能轉(zhuǎn)發(fā)站點以外的任何具有站點本地源或目的地址的包。

　　4.鞏固了IPv4和IPv6聯(lián)合應(yīng)用的基礎(chǔ)

　　在RFC3513進(jìn)一步明確了“內(nèi)嵌IPv4地址的IPv6地址”的概念。“內(nèi)嵌IPv4地址的IPv6地址”包括“IPv4兼容的IPv6地址”和“IPv4映射的IPv6地址”。“IPv4兼容的IPv6地址”的格式如圖7所示。

80 bits	16 bits	32 bits
0000………………0000	0000	IPv4地址

圖7　IPv4兼容的IPv6地址格式

　　這里使用的IPv4地址必須是全球唯一IPv4單播地址。“IPv4映射的IPv6地址”用于代表IPv4節(jié)點的IPv6地址，其格式如圖8所示。

80 bits	16 bits	32 bits
0000………………0000	FFFF	IPv4地址

圖8　IPv4映射的IPv6地址格式

　　IPv4兼容地址和IPv4映射地址用于與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，以使IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間能進(jìn)行無縫通信。

　　三、地址注冊機(jī)構(gòu)的IPv6地址分配策略

　　雖然新的IPv6地址結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)布，但還沒有相應(yīng)的新的地址分配策略出臺，地址分配仍沿用按RFC3177制定的分配方法(RIPE-267)。

　　目前，IPv6的地址空間管理是按規(guī)定的等級結(jié)構(gòu)在全球范圍內(nèi)分配，即IANA->區(qū)域注冊機(jī)構(gòu)RIR(->國家注冊機(jī)構(gòu)NIR)->ISP/本地注冊機(jī)構(gòu)LIR->最終用戶(或ISP)。地址分配的方法分為兩種。一種是上層注冊機(jī)構(gòu)將抵制劃分給下層注冊機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理，稱為分配。另一種是注冊機(jī)構(gòu)將地址劃分給用戶使用，稱為指派。為了互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的長期利益，IETF將IPv6地址空間管理的目標(biāo)確定為保證世界范圍內(nèi)的唯一性、統(tǒng)一在注冊數(shù)據(jù)庫中注冊、盡最大可能保證易聚合、避免無謂的空間浪費、分配公平公正及注冊管理開銷的最小化等。上面所描述的這些管理目標(biāo)經(jīng)常相互沖突或與某些注冊機(jī)構(gòu)(IR)個體及終端用戶的需要相沖突，故必須尋求申請者的需要與整個互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)的需要之間相互平衡，并能正確地判斷出哪方面的需要更為重要。一般情況下，在IPv6地址分配策略中，聚合的目標(biāo)被認(rèn)為是最重要的。

　　此外，IPv6地址空間管理還要遵循如下基本原則：

　　·不能把地址空間當(dāng)作私有財產(chǎn)。IPv6單播地址空間只能憑許可證使用而不能擁有。尤其IP地址是基于許可機(jī)制進(jìn)行分配和指派的，許可證需進(jìn)行周期性更新。許可證的批準(zhǔn)取決于其初次申請或續(xù)借申請時的特殊要求。

　　·不能保證路由的可選性。即不能保證所分配的任何地址在全球范圍都能進(jìn)行路由選擇。因此，要求RIR采取措施減少產(chǎn)生地址空間碎片的可能性，以避免路由的可選性受影響。

　　·IPv6地址空間的最小地址分配塊為32比特。RIR使用最小地址塊進(jìn)行IPv6地址分配，這樣做的目的是為了使基于前綴的過濾更加容易。對于已經(jīng)持有IPv6地址空間的組織，也就是那些已經(jīng)按照原有分配策略獲得35比特IPv6地址的注冊機(jī)構(gòu)，一般不需要提供證明文件就可以直接將他們所分配的地址擴(kuò)展到32比特。該32比特地址塊包含已經(jīng)分配的地址塊(多數(shù)情況下為一個或多個35比特地址塊)，RIR已經(jīng)將這些地址預(yù)留給原有組織以進(jìn)行后續(xù)分配。超過最小地址塊(32比特)的額外地址空間的申請需要在評估后再決定是否分配。

　　·兼顧原有IPv4基礎(chǔ)設(shè)施。已有的IPv4服務(wù)提供商由現(xiàn)有業(yè)務(wù)向IPv6過渡而申請IPv6地址空間時，可將現(xiàn)在IPv4客戶數(shù)一并考慮。

　　LIR在將地址空間指派給用戶時，要按照已有的RFC3177操作，即通常情況下，采用48比特進(jìn)行分配，除非特大客戶；已知一個且僅有一個子網(wǎng)需要設(shè)計時，采用64比特進(jìn)行分配；僅有一個設(shè)備連接時，采用比特進(jìn)行分配。四、IPv6地址分配策略發(fā)展趨勢

　　根據(jù)最新的IPv6地質(zhì)結(jié)構(gòu)體系的特點，結(jié)合目前地址分配的現(xiàn)狀，可以看出IPv6地址分配策略正在向如下的趨勢發(fā)展：

　　1.有利于市場推廣和商業(yè)應(yīng)用

　　雖然IPv6有許多IPv4所不具備的優(yōu)點，但是我們也已經(jīng)看到，IPv6的市場推廣工作非常令人不滿意。一方面的原因在于，IPv6并沒有為用戶帶來所期望獲得的好處：另一方面的原因也在于，在IPv6的地址申請時有較多的繁瑣細(xì)節(jié)，用戶認(rèn)為暫時沒有必要去找那些麻煩。

　　正如RFC3177中指出，IPv6地址空間決不是像IPv4地址空間那樣有限，本來由于其他的原因就已經(jīng)使得IPv6的市場非常低迷了，而毫無理由的保留行為更加重了其低進(jìn)的程度。因此從市場前途方面來考慮，也應(yīng)該使用戶或ISP很容易地獲得與他們實際所需的數(shù)量一樣多的IPv6地址，而不期望其立即使用這些地址或度量其使用效率有多么低。這樣，通過減少跟蹤和評估的緊迫性，使得注冊操作更高效、更集中。在當(dāng)前的地址分配策略中(RIPE-267)中規(guī)定，分給小企業(yè)或大企業(yè)一個48比特地址，而且可以為特大客戶分一個47比特或更短前綴的地址、或者是多個48比特地址；再加上RFC3513和RFC3587這兩個文檔，用戶可以非常容易地改變ISP，在申請地址空間時也不再需要費力地闡述自己是否有正當(dāng)?shù)睦碛蓙砩暾堖@些地址。所有這些都有市場推廣和商業(yè)應(yīng)用方面的考慮。

　　2.便于移動、需時即連或永遠(yuǎn)在線

　　目前，移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求已經(jīng)越來越大，如移動電話、汽車辦公等等；而隨著藍(lán)芽技術(shù)等的出現(xiàn)，使得需時即連或永遠(yuǎn)在線都成為可能，并已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)用戶發(fā)展的新趨勢。在RFC3177中，已經(jīng)建議為移動用戶分配一個靜態(tài)64位前綴地址，以便多個設(shè)備通過一個子網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)接；而對于那些有需時即連或永遠(yuǎn)在線的家庭網(wǎng)絡(luò)客戶則分給一個48位地址。

　　3.便于管理與應(yīng)用

　　隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，即使是比較簡單的功能，實現(xiàn)起來可能也會由于地址結(jié)構(gòu)的原因而非常繁瑣。比如，在站點從一個前綴換到另一個前綴的簡單操作(包括兩個前綴并列運行)的整個過程中，如果前綴長度不同(與站點的大小和復(fù)雜性有關(guān))，操作就會極為復(fù)雜。而如果用戶已經(jīng)采用6to4技術(shù)建立了自己的網(wǎng)絡(luò)，需要改變網(wǎng)絡(luò)前綴時，地址遷移也是一個非常復(fù)雜的工作。

　　為了盡量減少上述類似的情況發(fā)生，避免給管理和應(yīng)用帶來不必要的麻煩，IETF正努力從地址劃分的技術(shù)上解決這些問題。在RFC3177中就提供了一種方法，就是將地址前綴分界固定為48比特，這樣就可以保證用戶在改變即時不需要高昂代價進(jìn)行子網(wǎng)重構(gòu)與合并。在RFC3513新給出的地址結(jié)構(gòu)中，全球路由前綴使用類似CIDR的結(jié)構(gòu)。而通過RFC3513和RFC3587兩個文件，使得每個用戶(除了大用戶和移動節(jié)點外，不管是公司用戶還是個人用戶)都可以獲得48比特前綴和16比特子網(wǎng)空間，而且還簡化多了多穴網(wǎng)絡(luò)和多穴主機(jī)的情形。

　　4.考慮用戶網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證

　　雖然互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一個“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)，但并不能由此就認(rèn)為它不考慮對用戶的。在RIPE-267中規(guī)定，RIR必須采取措施，減少產(chǎn)生地址空間碎片的可能性，以免導(dǎo)致可路由性損失；而在IPv6地址策略中，把聚合作為最重要的目標(biāo)，也正是基于這一點地考慮。目前，IETF正在尋找不過度損失路由聚集和/或最優(yōu)路由選擇的方法，以解決IPv6多穴網(wǎng)絡(luò)的路由質(zhì)量問題。

　　五、結(jié)束語

　　IPv6協(xié)議龐大的地址空間為下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。IETF及相關(guān)機(jī)構(gòu)正在努力挖掘其巨大潛力，不斷地完善其地址結(jié)構(gòu)體系和地址分配策略，使之能在市場方面取得成功，并在應(yīng)用方面為用戶提供完美的服務(wù)。我們已經(jīng)看到，這些努力已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績，IPv6網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)在世界范圍內(nèi)轟轟烈烈地開展起來，有些國家甚至已經(jīng)開始商用。我們相信，隨著IPv6技術(shù)的不斷成熟，IPv6網(wǎng)絡(luò)的商用化進(jìn)程將會不斷加快，必將會大大地推動下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

　　
摘自　泰爾網(wǎng)

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