關(guān)于對IP地址的分析與探討

摘 要：國際互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議核心為TCP/IP協(xié)議，我們今天大部分計(jì)算機(jī)使用的協(xié)議是IPv4。本文通過對IPv4的探討，分析了IPv4目前面臨的主要危機(jī)，論述了IPv4將被取代的必然性，引出論述IPv6的發(fā)展及優(yōu)勢，IPv6面臨的困難。意在引起大家對IPv6的關(guān)注，促進(jìn)IPv6的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：IPv4；IPv6；協(xié)議；國際互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393.4

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已滲透到社會的各個(gè)階層并深刻地改變著人的思維方式和生活方式。現(xiàn)在大部分計(jì)算機(jī)上使用的IP協(xié)議是20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)美國國防部為適應(yīng)核戰(zhàn)爭的通信需要建立了ARPANET實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，該網(wǎng)使用的協(xié)議就是現(xiàn)在IPv4原型。但是IPv4發(fā)展至今卻暴露出無法克服的缺陷潛伏著嚴(yán)重的危機(jī)，到了必須要更新?lián)Q代的程度，這時(shí)計(jì)算機(jī)的專業(yè)人士就提出了新一代互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，主要是制定出了新一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議稱為IPv6。本文就從多個(gè)方面探討一下IPv4和IPv6。

1 IPv4的缺陷

1.1 地址枯竭。目前的互聯(lián)網(wǎng)IP地址將消耗殆盡，這不是一個(gè)聳人聽聞的消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，“互聯(lián)網(wǎng)之父”、TCP/IP協(xié)議聯(lián)合創(chuàng)始人溫頓·瑟夫（Vinton Cerf）曾表示，IPv4地址將于2011年耗盡，但這個(gè)預(yù)測并不準(zhǔn)確。

IP地址的枯竭究其原因主要有以下幾方面：

1.1.1 首先是IPv4的先天不足。IP協(xié)議的開發(fā)者當(dāng)時(shí)將它用于ARPANET中，這是個(gè)軍事網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)當(dāng)時(shí)不多，因此將IP協(xié)議的地址長度設(shè)定為32位二進(jìn)制數(shù)，其長度有其先天的不足。國際互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)在這個(gè)規(guī)模，當(dāng)時(shí)的IP協(xié)議開發(fā)者確實(shí)沒有想到。

1.1.2 IP地址的驚人浪費(fèi)。為了彌補(bǔ)IP地址的不足將32位IP地址分成了五類，即A類、B類、C類、D類和E類，其中D類和E類作為特殊用處或保留，只有A、B、C三類可使用。A類網(wǎng)絡(luò)只有126個(gè)，可容納主機(jī)1700萬個(gè)，B類網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)為16384個(gè)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)主機(jī)；而C類地址有約200萬個(gè)網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)號只有254個(gè)主機(jī)。而許多企業(yè)主機(jī)個(gè)數(shù)超出了254，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到B類主機(jī)數(shù)，在這種情況為他們分配B類地址，一方面造成IP地址的極大浪費(fèi)，另一方面導(dǎo)致B類地址面臨枯竭的危險(xiǎn)。

1.1.3 IP地址分配不均衡。由于IPv4地址的分配采用的是“先到先得，按需要分配”的原則，互聯(lián)網(wǎng)在全球各個(gè)國家和各個(gè)國家內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的發(fā)展又是極不均衡的，這就勢必造成大量IP地址資源集中分布在某些發(fā)達(dá)國家和各個(gè)國家的某些發(fā)達(dá)地區(qū)的情況。

據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2010年8月30號占分配網(wǎng)址的50.50%在美國，我國為第二位占7.4%。

1.2 路由表越來越大。路由表中存放著所連接子網(wǎng)的狀態(tài)信息。由于IPv4地址的層次結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一的分配管理，并且多數(shù)IP地址空間的結(jié)構(gòu)只有兩層或者三層，這導(dǎo)致主干路由器中存在大量的路由表項(xiàng)。隨著接入的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目增加，路由器的路由表迅速膨脹，路由效率特別是骨干網(wǎng)絡(luò)路由效率急劇下降，最終可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

1.3 安全性不夠。由于地址不足，很多用戶是通過NAT“網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換”和CIDR“無類別域際路由選擇”等技術(shù)上網(wǎng)，無法建立和外部主機(jī)的端到端的安全連接，因此也無法保證數(shù)據(jù)報(bào)可以不被修改地傳送，這也成為了很多黑客的攻擊手段。

2 IPv6優(yōu)勢

為了克服IPv4的缺陷，彌補(bǔ)IPv4的不足，IFTF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）從1992年6月提出制定下一代的IP，即IPNG后被正式命名為IPv6。并從1995年后陸續(xù)公布了一系列的IPv6協(xié)議，并不斷進(jìn)行修改和補(bǔ)充，至2002年基本上修改完善。

2.1 巨大的地址空間。IPv6采用128位地址長度，理論上可容納2的128次方-1個(gè)主機(jī)，這樣大的地址空間，有人計(jì)算過從理論上講地球上的每個(gè)人大約擁有5.7×1028個(gè)地址，不僅為世界上的每臺計(jì)算機(jī)，而且為所有的移動電話和家用電器等許多設(shè)備都分配若干個(gè)地址也足夠了。徹底解決了IP地址不足的問題。

2.2 地址自動配置。為了簡化主機(jī)配置，IPv6協(xié)議支持地址自動配置，就是利用專用的地址分配服務(wù)器動態(tài)分配IPv6地址，不需要人為參與，IPv6網(wǎng)絡(luò)接口能夠自動獲得全局地址、站點(diǎn)局部地址和鏈路局部地址，并且可以防止地址重復(fù)。這是—種即插即用的地址配置機(jī)制。

2.3 內(nèi)置的安全機(jī)制。IPv6從開始研制時(shí)就考慮了通信安全問題，早在1995時(shí)IETF就研制了一套用于保護(hù)IP通信安全協(xié)議，簡稱為IPsec，IPv6內(nèi)置了IPsec，IPsec提供了認(rèn)證和加密機(jī)制有效的提高了IPv6的通信安全。

2.4 滿足了3G網(wǎng)絡(luò)的需求。隨著技術(shù)發(fā)展，移動通信正試圖從基于電路交換提供語音服務(wù)，向基于IP提供數(shù)據(jù)、語音、視頻等多種服務(wù)轉(zhuǎn)變。由于IPv4的缺陷不能提供有效的支持，而IPv6的地址空間、移動性的支持、服務(wù)質(zhì)量保證機(jī)制、安全性和其他靈活性很好地滿足了3G網(wǎng)絡(luò)的需求。

2.5 簡化了基本頭部，增加了擴(kuò)展頭部。IPv6使用了一種全新的、相對更加靈活的頭部結(jié)構(gòu)，在IP頭部中刪除了一些不必要的IPv4功能，還有一些把頭部字段變?yōu)榱丝蛇x項(xiàng)，以減少包處理中例行處理的消耗；在基本頭部后增加了擴(kuò)展頭部，可以很方便地實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。IPv6擴(kuò)展頭部的長度只受IPv6的數(shù)據(jù)包的長度限制。當(dāng)有新技術(shù)應(yīng)用需求時(shí)，IPv6允許對協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)充，增加了IPv6的靈活性。

2.6 更小的路由表。IPv6的地址分配一開始就遵循聚類（Aggregation）的原則，這使得路由器能在路由表中用一條記錄（Entry）表示一片子網(wǎng)，大大減小了路由器中路由表的長度，提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。

3 IPv6的現(xiàn)狀及發(fā)展

IPv6從公布到現(xiàn)在約有14年，IPv6技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)基本成熟，支持IPv6的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也逐漸推出。但從全球來看IPv6發(fā)展相當(dāng)緩慢，有一個(gè)臺灣的網(wǎng)站對各個(gè)國家申請IPv6地址的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，我摘取了2008年10月及2009年9月兩個(gè)月份的數(shù)據(jù)，見表1。我國排在第18位。

表1

從這個(gè)表中我們看到大部分國家在一年內(nèi)IPv6地址數(shù)增加的都不快，發(fā)展都比較慢，究其我認(rèn)為原因有以下幾種：

3.1 從IPv6的自身來說，IPv6所解決的核心問題是解決了IPv4地址不足等幾個(gè)主要問題，并沒有解決IPv4的全部問題，許多問題只是對IPv4的改良，并且IPv6還處在進(jìn)一步完善、測試階段，許多國家持有觀望態(tài)度。

3.2 IPv4還有相當(dāng)強(qiáng)的生命力。目前正在使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大都是只支持IPv4的，IPv4從1981年到現(xiàn)在己有二十多年，經(jīng)受住了各種考驗(yàn)，從早期的小規(guī)模，到如今已成為全球性國際互聯(lián)網(wǎng)，這充分證明了IPv4具有相當(dāng)強(qiáng)盛的生命力，易于實(shí)現(xiàn)性能良好。

3.3 采用了新技術(shù)在一定程序上緩解了IPv4地址不足的危機(jī)。為了緩解地址危機(jī)的發(fā)生，相應(yīng)地產(chǎn)生了兩種新的技術(shù)無類型網(wǎng)絡(luò)區(qū)域路由技術(shù)CIDR和網(wǎng)絡(luò)地址翻譯技術(shù)NAT。采用無類型網(wǎng)絡(luò)區(qū)域路由（Classless Inter Domain Routing，CIDR）的目的是為了節(jié)省B類地址。采用NAT（Network Address Translation，NAT）的主要作用是節(jié)約了地址空間，減少了對合法地址的需求，多個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)外部地址，使用端口進(jìn)行區(qū)分（Network Address Port Translation，NAPT），這樣就能更有效的節(jié)約合法地址，但這兩種技術(shù)都帶來的路由表膨脹的缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴維斯（Joseph Davies）.深入解析IPv6（第3版）[M].汪海霖，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

[2]崔勇，吳建平等.下一代互聯(lián)網(wǎng)與IPv6過渡[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

作者簡介：黃斌（1979.05-），男，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)。

作者單位：江蘇省武進(jìn)中等專業(yè)學(xué)校，江蘇常州 213164