淺談IPv4向IPv6平滑過渡的必然性

郝佳晶

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機工程系，山西太原030006)

IPv4協(xié)議在因特網(wǎng)中獲得了巨大的成功，但是，隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展和接入主機數(shù)量的急劇膨脹，IP地址也越來越緊張，路由表也變得越來越大，根據(jù)2009年的統(tǒng)計，全球只有21%的網(wǎng)民擁有IP地址，接入到Internet中。其他80%的網(wǎng)民只能用其他技術(shù)來實現(xiàn)接入因特網(wǎng)，比如私有地址，來減少IPv4地址的消耗。在當(dāng)前形勢下，IPv6最終取代IPv4是大勢所趨，幾乎無限的地址容量是IPv6發(fā)展最直接的理由，我們從下面幾個方面來討論其必然的因素。

1 地址空間比較

1)IPv4:地址空間有限

IPv4采用32位地址長度，只有大約43億個地址。根據(jù)統(tǒng)計，在2010年1月，IPv4的公網(wǎng)地址只有10%沒有分配出去，各項資料顯示，最遲到2011年這些地址將會被全部消耗掉。

2)IPv6:更大的地址空間

IPv6地址是128位，幾乎可以不受限制地提供地址，按保守方法估算IPv6實際可分配的地址，整個地球每平方米面積上可分配1 000多個地址，這樣，就有足夠的IPv6地址分配超過整個IPv4網(wǎng)絡(luò)地址空間到地球上每一個人。

2008年北京奧運會的官網(wǎng)使用的全部是IPv6技術(shù)，包括路由，包括DNS服務(wù)器等等，得到行業(yè)里面許多人的關(guān)注。

在實施上，IOS支持IPv6，但之所以沒有大范圍地部署IPv6的原因是:IPv6與IPv4的編址發(fā)生變化，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的格式也發(fā)生變化。對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對傳輸設(shè)備來講，對IPv4能做到限時轉(zhuǎn)發(fā)，對IPv6就不見得能做到這一點。比如交換機在制作芯片的時候，對PDU的處理，肯定是基于IPv4的，而不是基于IPv6的PDU。所以交換機或者三層設(shè)備，它要能對IPv6的數(shù)據(jù)包做限時轉(zhuǎn)發(fā)，只有一個前提條件，就是對硬件方面來講，PDU要基于IPv6制造。這就是全球為什么沒有大范圍地部署IPv6的原因，只是劃片區(qū)的，局部的，就是因為考慮到硬件設(shè)備的投入。所以除了IPv4和IPv6的兼容性之外，還需要投入大幅度的設(shè)備經(jīng)費。

2 路由聚合性能比較

1)IPv4:路由聚合性能不足

由于接入因特網(wǎng)主機的不斷膨脹，主機因特網(wǎng)路由表繼續(xù)增長，這意味著互聯(lián)網(wǎng)核心路由器需要更多的處理能力、內(nèi)存和開銷。

全球路由表的膨脹是非?？斓?，因為它會消耗我們大量的CPU、內(nèi)存資源。2010年7月統(tǒng)計:大概全球有超過33萬條路由表信息，雖然我們有各種各樣的路由匯總、路由聚合技術(shù)，但也至少消耗300M內(nèi)存。隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的增長，IPv4地址即將消耗殆盡，IPv4的全球路由表也在不斷膨脹。好在我們有路由匯總、路由聚合技術(shù)，否則，全球路由表至少超過200萬條，對于骨干路由器來說，光用于存儲這些路由表就需要2G的內(nèi)存。再言之，全球路由表的交換方式是基于BGP，BGP的交換是消耗BGP表的表項，也就是說不再做匯總和聚合這種背景之下，它所產(chǎn)生的表項都是存儲在BGP表里面，BGP表至少需要有2G的內(nèi)存，然后再寫入路由表，還要映射到FIB表，在不考慮鄰接關(guān)系的數(shù)量下，就有6、7百萬條。換句話說，一個路由器需要有10G的內(nèi)存用于存儲這些表項，所以說這是非常不現(xiàn)實的!

IPv4的先天不足在于IP編址上做的不是特別好。IPv4是層次化的地址，體現(xiàn)在它分為網(wǎng)絡(luò)位和主機位。就是由于IPv4的這種結(jié)構(gòu)，所以對路由聚合做不到太大優(yōu)化，優(yōu)化效果不很顯著，不管如何路由匯總，都匯總不到我們需要的少的路由條數(shù)。

2)IPv6:鏈路聚合能力相當(dāng)優(yōu)秀

我們?nèi)騃P地址42億個地址，實際產(chǎn)生大概200多萬個子網(wǎng)，經(jīng)過一些聚合，聚合成30多萬條路由條目。IPv6有128位地址，產(chǎn)生的地址更多，子網(wǎng)數(shù)也更多，理論上產(chǎn)生的路由條目也更多。因此IPv6編碼格式不像我們之前分的A類、B類、C類，所以IPv6的編址層次化結(jié)構(gòu)相當(dāng)優(yōu)秀。對于IPv6，我們只把它叫做聚合，不講匯總。但在IPv4中我們很少講聚合，都在講匯總。這在根源上是有區(qū)別的。

3 端到端的通信能力以及故障排除能力比較

1)IPv4:缺乏端到端通信以及故障排除的能力

IPv4網(wǎng)絡(luò)通常使用NAT技術(shù)來解決地址耗盡，但是，NAT隱藏了真正的源地址的流量，這可能會導(dǎo)致其他問題。

因為IPv4地址空間不夠，所以我們平時在單位上網(wǎng)，是通過NAT技術(shù)將內(nèi)網(wǎng)地址翻譯成外網(wǎng)地址，這樣可以實現(xiàn)多個內(nèi)網(wǎng)地址對應(yīng)一個外網(wǎng)地址，內(nèi)部通過端口號進(jìn)行區(qū)分，從外部來看，看到的只是一個公網(wǎng)地址。那么在理想的情況下，假設(shè)IP地址夠用，會不會用這項技術(shù)?答案是肯定的。NAT在某些方面來看，它可以隱藏網(wǎng)絡(luò)的一些細(xì)節(jié)，但是從故障排除來看，我們沒有辦法做端到端的故障排除。比如一個用戶做一些入侵行為，定位我們只能定位到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，具體是誰，還得用其他技術(shù)和手段一臺一臺做故障排除，只是通過IP編址，我們是沒有辦法區(qū)分的。

再者，由于內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)頻繁通信，每次通信需要NAT轉(zhuǎn)換地址，做NAT需要創(chuàng)建NAT表項，創(chuàng)建表項的過程中會消耗CPU資源，再加上每次內(nèi)轉(zhuǎn)外，外轉(zhuǎn)內(nèi)，這樣頻繁做計算，流量也會增加，同時也會消耗大量CPU資源。所以，很多時候路由器CPU占用率和內(nèi)存占用率大幅度提升都是由于NAT造成的。這樣只能升級硬件進(jìn)行解決或者采用IPv6技術(shù)。

2)IPv6:支持端到端的通信以及故障排除

端到端通信可追溯性是可能的。由于地址非常多，所以不存在公網(wǎng)地址、私網(wǎng)地址的區(qū)分，也不再需要NAT技術(shù)，增加了端到端排錯的優(yōu)勢。

4 協(xié)議安全性比較

1)IPv4:安全性差

IP包頭是以明文形式暴露在外的，我們抓包抓下來之后，就可以獲得相應(yīng)的信息。除此之外，IPv4協(xié)議中，尤其是單播路由形式，它是基于目標(biāo)地址路由，不關(guān)心從哪里來，只關(guān)心去往哪里，這就是為什么單播路由表只記錄目標(biāo)地址，不記錄原地址。再加上它不具備一種安全機制，缺乏一種認(rèn)證。

同時，IP包頭明文，缺乏各種各樣的加密技術(shù)，其中也包括了校驗和技術(shù)。包頭的校驗和指的是對包頭，如果是對數(shù)據(jù)本身做一些修改，那它這個包頭校驗和僅僅是對包頭，不能對整個數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。

2)IPv6:安全性高(集成了IPsec)，移動性高，幫助確保符合移動IP和IPsec標(biāo)準(zhǔn)

在對移動IP的性能上，IPv4也支持，但是IPv6支持的更好一些，已經(jīng)將移動IP做到了集成化，同時，在IPv6中要求更高，如果是一些服務(wù)技術(shù)，比方說像一些導(dǎo)航系統(tǒng)，它就要求使用到移動IP以及它背后的新對應(yīng)出的PDU，也就是我們的任意播。

除此之外IPv4中有一個最大的缺點，就是安全性，IPv4包頭是以明文形式傳輸?shù)?，后來才提到IPsec安全版的IP，也需要我們做特殊的配置。但是在IPv6中，IPsec是一種強制手段，是一種集成化的，所以它的安全性和移動性比IPv4做的更好。同時，在使用IPv6網(wǎng)絡(luò)中用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并對IP報文進(jìn)行校驗，在IPv6中的加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性，極大地增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

5 廣播方面比較

1)IPv4:存在廣播

IPv4中有單播、組播、廣播。其中廣播的應(yīng)用是沒有價值的，廣播的優(yōu)勢是多點傳輸，但是它完全可以用組播實現(xiàn);廣播的缺點太多，它可以被各種各樣的攻擊手段利用(蠕蟲就是復(fù)制，以廣播形式向整個網(wǎng)段掃描，來進(jìn)行傳播的)。如果我們把廣播消除掉，采用組播或者多播來代替這種多點傳輸是完全可以的。

交換機vlan的出現(xiàn)就是由于IPv4會出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，通過vlan技術(shù)來控制盒隔離廣播風(fēng)暴。

2)IPv6:使用組播代替廣播，并增加任意播

IPv6現(xiàn)在包括單播、多播、任意播，所以在IPv6里面，它的PDU類型發(fā)生變化，取消了廣播，取而代之，多了一種播，叫任意播(anycast)。任意播和廣播是絕對不能劃等號的，任意播是IPv6單播地址比較特殊的一種類型。

任意播并不是為了取代廣播，任意播的應(yīng)用面很窄，但是一旦要用到任意播的時候，說明對這種特性需要依賴的應(yīng)用能做一個非常高的支持度，主要體現(xiàn)在移動。也就是說我們做移動IP的話，我們可以使用任意播。今后的哪些應(yīng)用，如果要在移動性方面做一個體現(xiàn)的話，那么任意播一定是首選。

6 IP包頭方面比較

原來IPv4包頭只有20位字節(jié)，但I(xiàn)Pv4中的很多字段是沒有用的，比如“選項”字段、“保留”字段，這些字段開發(fā)的時候想到今后可能要用，事實上，卻沒有用到它。

現(xiàn)在IPv6包頭有40個字節(jié)，比IPv4大了一倍，但是檢索起來反而更快了，因為在IPv6中，對IPv4的報文頭部格式進(jìn)行了簡化，把一些不必要的字段給去掉了，字段只有8個，加快了報文轉(zhuǎn)發(fā)，提高了吞吐量。所以，從路由效率來講，IPv6的包頭更為簡化。

7 結(jié)束語

IPv6和IPv4比較，它徹底解決了地址空間耗盡和路由表爆炸等問題，而且為IP協(xié)議注入了新的內(nèi)容，使支持安全、主機移動以及多媒體成為IP協(xié)議的有機組成部分。協(xié)議的設(shè)計使路由器處理報文更加簡便，擴展性也更好。目前，IPv4的實驗網(wǎng)已經(jīng)遍布全球，IP協(xié)議從IPv4過渡到IPv6已經(jīng)是歷史必然。同時，基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，取代的過程需要一個較長的過渡時期，在這段時間內(nèi)，IPv6將與IPv4共存。IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是我們下一代互聯(lián)網(wǎng)的主流協(xié)議。隨著它的不斷推廣，我們的網(wǎng)絡(luò)業(yè)也越加復(fù)雜和多樣化。當(dāng)然這也就容易產(chǎn)生不少的問題。我們所需要做的是加快IPv6網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，不斷完善其不足，發(fā)掘其新的應(yīng)用，以逐步替代目前的IPv4網(wǎng)絡(luò)。