協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——IPV6技術(shù)白皮書（一）

2019-11-04 12:04:43

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供稿：網(wǎng)友

　　前言
　　
　　下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)信息社會(huì)的制高點(diǎn)，ipv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和靈魂。
　　
　　中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所的研究人員在多年研究和實(shí)踐工作的基礎(chǔ)上，搜集整理了與IPv6有關(guān)的資料，形成本白皮書，內(nèi)容包括互聯(lián)網(wǎng)的基本概念、IPv6的產(chǎn)生背景、IPv6協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)、IPv6的應(yīng)用和過(guò)渡、政府的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃、全球IPv6試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀、IPv6標(biāo)準(zhǔn)演化過(guò)程等方面。
　　
　　我們力圖提供給您準(zhǔn)確、權(quán)威的信息。假如本白皮書能夠?qū)δ斫釯Pv6有所幫助，我們會(huì)感到由衷的欣慰。限于本書作者資料搜集方面的局限，不足之處敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
　　
　　主要內(nèi)容簡(jiǎn)介：
　　
　　1. 基本概念
　　
　　2. IPv6的產(chǎn)生
　　
　　3. IPv6協(xié)議技術(shù)特點(diǎn)
　　
　　4. IPv6應(yīng)用和過(guò)渡
　　
　　5. IPv6的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃
　　
　　6. IPv6試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)
　　
　　7. IPv6的標(biāo)準(zhǔn)演化
　　
　　第一章 IPv6基礎(chǔ)知識(shí)
　　
　　IPv6是/"Internet PRotocol Version 6/"的縮寫，也被稱作下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它是由IETF設(shè)計(jì)的用來(lái)替代現(xiàn)行的IPv4協(xié)議的一種新的IP協(xié)議。
　　
　　今天的互聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)應(yīng)用的是IPv4協(xié)議，IPv4協(xié)議已經(jīng)使用了20多年，在這20多年的應(yīng)用中，IPv4獲得了巨大的成功，同時(shí)隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，它也面臨著越來(lái)越不容忽視的危機(jī)，例如地址匱乏等等。
　　
　　IPv6是為了解決IPv4所存在的一些問(wèn)題和不足而提出的，同時(shí)它還在許多方面提出了改進(jìn)，例如路由方面、自動(dòng)配置方面。經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的IPv4和IPv6共存的時(shí)期，IPv6最終會(huì)完全取代IPv4在互連網(wǎng)上占據(jù)統(tǒng)治地位。對(duì)比IPv4，IPv6有如下的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也可以稱作是IPv6的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化的報(bào)頭和靈活的擴(kuò)展；層次化的地址結(jié)構(gòu) ；即插即用的連網(wǎng)方式；網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證與加密；服務(wù)質(zhì)量的滿足；對(duì)移動(dòng)通訊更好的支持。
　　
　　1．1　簡(jiǎn)化的報(bào)頭和靈活的擴(kuò)展
　　
　　IPv6對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)頭作了簡(jiǎn)化，以減少處理器開(kāi)銷并節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。IPv6的報(bào)頭由一個(gè)基本報(bào)頭和多個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭(Extension Header)構(gòu)成，基本報(bào)頭具有固定的長(zhǎng)度（40字節(jié)），放置所有路由器都需要處理的信息。由于Internet上的絕大部分包都只是被路由器簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)，因此固定的報(bào)頭長(zhǎng)度有助于加快路由速度。IPv4的報(bào)頭有15個(gè)域，而IPv6的只有8個(gè)域，IPv4的報(bào)頭長(zhǎng)度是由IHL域來(lái)指定的，而IPv6的是固定40個(gè)字節(jié)。這就使得路由器在處理IPv6報(bào)頭時(shí)顯得更為輕松。與此同時(shí)，IPv6還定義了多種擴(kuò)展報(bào)頭，這使得IPv6變得極其靈活，能提供對(duì)多種應(yīng)用的強(qiáng)力支持，同時(shí)又為以后支持新的應(yīng)用提供了可能。這些報(bào)頭被放置在IPv6報(bào)頭和上層報(bào)頭之間，每一個(gè)可以通過(guò)獨(dú)特的“下一報(bào)頭”的值來(lái)確認(rèn)。除了逐個(gè)路程段選項(xiàng)報(bào)頭（它攜帶了在傳輸路徑上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須進(jìn)行處理的信息）外，擴(kuò)展報(bào)頭只有在它到達(dá)了在IPv6的報(bào)頭中所指定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)才會(huì)得到處理(當(dāng)多點(diǎn)播送時(shí)，則是所規(guī)定的每一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn))。在那里，在IPv6的下一報(bào)頭域中所使用的標(biāo)準(zhǔn)的解碼方法調(diào)用相應(yīng)的模塊去處理第一個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭(假如沒(méi)有擴(kuò)展報(bào)頭，則處理上層報(bào)頭)。每一個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭的內(nèi)容和語(yǔ)義決定了是否去處理下一個(gè)報(bào)頭。因此，擴(kuò)展報(bào)頭必須按照它們?cè)诎谐霈F(xiàn)的次序依次處理。一個(gè)完整的IPv6的實(shí)現(xiàn)包括下面這些擴(kuò)展報(bào)頭的實(shí)現(xiàn)：逐個(gè)路程段選項(xiàng)報(bào)頭，目的選項(xiàng)報(bào)頭，路由報(bào)頭，分段報(bào)頭，身份認(rèn)證報(bào)頭，有效載荷安全封裝報(bào)頭，最終目的報(bào)頭。
　　
　　2、層次化的地址結(jié)構(gòu)
　　
　　IPv6將現(xiàn)有的IP地址長(zhǎng)度擴(kuò)大4倍，由當(dāng)前IPv4的32位擴(kuò)充到128位，以支持大規(guī)模數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這樣IPv6的地址總數(shù)就大約有3.4*10E38個(gè)。平均到地球表面上來(lái)說(shuō)，每平方米將獲得6.5*10E23個(gè)地址。IPv6支持更多級(jí)別的地址層次，IPv6的設(shè)計(jì)者把IPv6的地址空間按照不同的地址前綴來(lái)劃分，并采用了層次化的地址結(jié)構(gòu)，以利于骨干網(wǎng)路由器對(duì)數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)。
　　
　　IPv6定義了三種不同的地址類型。分別為單點(diǎn)傳送地址(Unicast Address)，多點(diǎn)傳送地址（Multicast Address）和任意點(diǎn)傳送地址（Anycast Address）。所有類型的IPv6地址都是屬于接口（Interface）而不是節(jié)點(diǎn)（node）。一個(gè)IPv6單點(diǎn)傳送地址被賦給某一個(gè)接口，而一個(gè)接口又只能屬于某一個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)，因此一個(gè)節(jié)點(diǎn)的任意一個(gè)接口的單點(diǎn)傳送地址都可以用來(lái)標(biāo)示該節(jié)點(diǎn)。
　　
　　IPv6中的單點(diǎn)傳送地址是連續(xù)的，以位為單位的可掩碼地址與帶有CIDR（classless inter domain router）的IPv4地址很類似，一個(gè)標(biāo)識(shí)符僅標(biāo)識(shí)一個(gè)接口的情況。在IPv6中有多種單點(diǎn)傳送地址形式，包括基于全局提供者的單點(diǎn)傳送地址、基于地理位置的單點(diǎn)傳送地址、NSAP地址、IPX地址、節(jié)點(diǎn)本地地址、鏈路本地地址和兼容IPv4的主機(jī)地址等。
　　
　　多點(diǎn)傳送地址是一個(gè)地址標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)多個(gè)接口的情況（通常屬于不同節(jié)點(diǎn)）。IPv6多點(diǎn)傳送地址用于表示一組節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)屬于幾個(gè)多點(diǎn)傳送地址。在Internet上進(jìn)行多播是在1988年隨著D類IPv4地址的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的。這個(gè)功能被多媒體應(yīng)用程序所廣泛使用，它們需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸。RFC-2373對(duì)于多點(diǎn)傳送地址進(jìn)行了更為具體的說(shuō)明，并給出了一系列預(yù)先定義的多點(diǎn)傳送地址。
　　
　　任意點(diǎn)傳送地址也是一個(gè)標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)多個(gè)接口的情況。假如一個(gè)報(bào)文要求被傳送到一個(gè)任意點(diǎn)傳送地址，則它將被傳送到由該地址標(biāo)識(shí)的一組接口中的最近一個(gè)（根據(jù)路由選擇協(xié)議距離度量方式?jīng)Q定）。任意點(diǎn)傳送地址是從單點(diǎn)傳送地址空間中劃分出來(lái)的，因此它可以使用表示單點(diǎn)傳送地址的任何形式。從語(yǔ)法上來(lái)看，它與單點(diǎn)傳送地址間是沒(méi)有差別的。當(dāng)一個(gè)單點(diǎn)傳送地址被指向多于一個(gè)接口時(shí)，該地址就成為任意點(diǎn)傳送地址，并且被明確指明。當(dāng)用戶發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到這個(gè)任意點(diǎn)傳送地址時(shí)，離用戶最近的一個(gè)服務(wù)器將響應(yīng)用戶。這對(duì)于一個(gè)經(jīng)常移動(dòng)和變更的網(wǎng)絡(luò)用戶大有益處。
　　
　　3、即插即用的連網(wǎng)方式
　　
　　IPv6把自動(dòng)將IP地址分配給用戶的功能作為標(biāo)準(zhǔn)功能。只要機(jī)器一連接上網(wǎng)絡(luò)便可自動(dòng)設(shè)定地址。它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是最終用戶用不著花精力進(jìn)行地址設(shè)定，二是可以大大減輕網(wǎng)絡(luò)治理者的負(fù)擔(dān)。IPv6有兩種自動(dòng)設(shè)定功能。一種是和IPv4自動(dòng)設(shè)定功能一樣的名為“全狀態(tài)自動(dòng)設(shè)定”功能。另一種是“無(wú)狀態(tài)自動(dòng)設(shè)定”功能。
　　
　　在IPv4中，動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）實(shí)現(xiàn)了主機(jī)IP地址及其相關(guān)配置的自動(dòng)設(shè)置。一個(gè)DHCP服務(wù)器擁有一個(gè)IP地址池，主機(jī)從DHCP服務(wù)器租借IP地址并獲得有關(guān)的配置信息（如缺省網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器等），由此達(dá)到自動(dòng)設(shè)置主機(jī)IP地址的目的。IPv6繼續(xù)了IPv4的這種自動(dòng)配置服務(wù)，并將其稱為全狀態(tài)自動(dòng)配置（Stateful Autoconfiguration）。
　　
　　在無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置（Stateless Autoconfiguration）過(guò)程中，主機(jī)首先通過(guò)將它的網(wǎng)卡MAC地址附加在鏈接本地地址前綴1111111010之后，產(chǎn)生一個(gè)鏈路本地單點(diǎn)傳送地址。接著主機(jī)向該地址發(fā)出一個(gè)被稱為鄰居發(fā)現(xiàn)（neighbor discovery）的請(qǐng)求，以驗(yàn)證地址的唯一性。假如請(qǐng)求沒(méi)有得到響應(yīng)，則表明主機(jī)自我設(shè)置的鏈路本地單點(diǎn)傳送地址是唯一的。否則，主機(jī)將使用一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的接口ID組成一個(gè)新的鏈路本地單點(diǎn)傳送地址。然后，以該地址為源地址，主機(jī)向本地鏈路中所有路由器多點(diǎn)傳送一個(gè)被稱為路由器請(qǐng)求（ router solicitation）的配置信息。路由器以一個(gè)包含一個(gè)可聚集全球單點(diǎn)傳送地址前綴和其它相關(guān)配置信息的路由器公告響應(yīng)該請(qǐng)求。主機(jī)用它從路由器得到的全球地址前綴加上自己的接口ID，自動(dòng)配置全球地址，然后就可以與Internet中的其它主機(jī)通信了。使用無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置，無(wú)需手動(dòng)干預(yù)就能夠改變網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)的IP地址。例如，當(dāng)企業(yè)更換了聯(lián)入Internet的ISP時(shí)，將從新ISP處得到一個(gè)新的可聚集全球地址前綴。ISP把這個(gè)地址前綴從它的路由器上傳送到企業(yè)路由器上。由于企業(yè)路由器將周期性地向本地鏈路中的所有主機(jī)多點(diǎn)傳送路由器公告，因此企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)都將通過(guò)路由器公告收到新的地址前綴，此后，它們就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生新的IP地址并覆蓋舊的IP地址。
　　
　　使用DHCPv6進(jìn)行地址自動(dòng)設(shè)定，連接于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器需要查詢自動(dòng)設(shè)定用的DHCP服務(wù)器才能獲得地址及其相關(guān)配置。可是，在家庭網(wǎng)絡(luò)中，通常沒(méi)有DHCP服務(wù)器，此外在移動(dòng)環(huán)境中往往是臨時(shí)建立的網(wǎng)絡(luò)，在這兩種情況下，當(dāng)然使用無(wú)狀態(tài)自動(dòng)設(shè)定方法為宜。
　　
　　4、網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證與加密
　　
　　安全問(wèn)題始終是與Internet相關(guān)的一個(gè)重要話題。由于在 IP協(xié)議設(shè)計(jì)之初沒(méi)有考慮安全性，因而在早期的Internet上時(shí)常發(fā)生諸如企業(yè)或機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)遭到攻擊、機(jī)密數(shù)據(jù)被竊取等不幸的事情。為了加強(qiáng)Internet的安全性，從1995年開(kāi)始，IETF著手研究制定了一套用于保護(hù)IP通信的IP安全（IPSec）協(xié)議。IPSec是IPv4的一個(gè)可選擴(kuò)展協(xié)議，是IPv6的一個(gè)必須組成部分。
　　
　　IPSec的主要功能是在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)分組提供加密和鑒別等安全服務(wù)，它提供了兩種安全機(jī)制：認(rèn)證和加密。認(rèn)證機(jī)制使 IP通信的數(shù)據(jù)接收方能夠確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送方的真實(shí)身份以及數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否遭到改動(dòng)。加密機(jī)制通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼來(lái)保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，以防數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被他人截獲而失密。IPSec的認(rèn)證報(bào)頭（Authentication Header，AH）協(xié)議定義了認(rèn)證的應(yīng)用方法，安全負(fù)載封裝（Encapsulating Security Payload，ESP）協(xié)議定義了加密和可選認(rèn)證的應(yīng)用方法。在實(shí)際進(jìn)行IP通信時(shí)，可以根據(jù)安全需求同時(shí)使用這兩種協(xié)議或選擇使用其中的一種。AH和ESP都可以提供認(rèn)證服務(wù)，不過(guò)，AH提供的認(rèn)證服務(wù)要強(qiáng)于ESP。
　　
　　IPSec定義了兩種類型的SA：傳輸模式SA和隧道模式SA。傳輸模式SA是在IP報(bào)頭（以及任何可選的擴(kuò)展報(bào)頭）之后和任何高層協(xié)議（如TCP或UDP）報(bào)頭之前插入AH或ESP報(bào)頭；隧道模式SA是將整個(gè)原始的IP數(shù)據(jù)包放入一個(gè)新的IP數(shù)據(jù)包中。在采用

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