IPv4、IPv6和IPv9比較研究

賀勁松　彭智朝　賀文華　江雪君

摘 要：本文對IPV4、IPV6和IPV9的特點進行了概述，并在地址空間、地址管理、地址表示、安全性、域名服務、QoS、應用范圍，以及發(fā)展趨勢等方面，對三者進行比較研究，分析其優(yōu)勢與劣勢。不管從IPV4演進到IPV6還是推進到IPV9，都要基于IPV4的成熟服務，支持協(xié)議的兼容性。IPV6是發(fā)展趨勢，相信IPV9也能為網(wǎng)絡安全做出貢獻。

關(guān)鍵詞：IPV4；IPV6；IPV9；標準；IETF

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

Abstract：The characteristics of IPV4，IPV6 and IPV9 are outlined in the paper.The advantages and disadvantages of these 3 protocols are analyzed by comparing their address space，address management，address representation，security，domain name service，QoS，application scopes and development trends.Regardless of the evolution from IPV4 to IPV6 or the advance to IPV9，it should be based on IPV4's mature service and the protocol compatibility.As IPV6 is the development trend，IPV9 can also contribute to network security as well.

Keywords：IPV 4；IPV 6；IPV 9；standard；IETF

1 引言（Introduction）

IP是網(wǎng)絡之間互聯(lián)的協(xié)議，英文縮寫是Internet Protocol，自從有了IP協(xié)議，因特網(wǎng)才得以迅速發(fā)展成為全世界最大的、開放網(wǎng)絡。IP各版本很多不是互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）所推薦的國際標準，IPV4是IP的第一個版本，一直沿用[1]。和IPV6一樣，IPV7、IPV8與IPV9都是IPng國際標準的候選者，只有IPV6被IETF選作標準，因此IPV9也不是IPV6的升級版本，更不是國際標準。

目前，IPV4是TCP/IP協(xié)議族的核心協(xié)議，發(fā)展至今使用了30多年，由32位地址組成，分為網(wǎng)絡號、主機號兩部分，有二進制數(shù)、點分十進制數(shù)表示法，定義了五類地址。IPV4是不可靠的無鏈接數(shù)據(jù)報協(xié)議，提供盡力而為的傳輸服務，不提供差錯檢驗和跟蹤，并采用與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的方式分配地址，隨著網(wǎng)絡規(guī)模與路由器數(shù)量不斷增長，路由表不斷增大導致路由查詢開銷也增大，網(wǎng)絡效率降低。還有IPV4缺乏網(wǎng)絡服務質(zhì)量、移動服務支持。

IPV6是因特網(wǎng)工程任務組（IETF）提出來替代IPV4的一種新的網(wǎng)際協(xié)議，將地址擴大為128位，由地址前綴與接口標志兩部分組成，有三種規(guī)范的文本表示形式，分為單播地址、組播地址和任意播地址類型，支持大量的網(wǎng)絡節(jié)點、多級別的地址層次。并且基本首部長度為固定的40字節(jié)，取消了如首部檢驗和字段等功能，路由處理速度明顯加快，且基本首部的后面允許有多個擴展首部[2]。

IPV9協(xié)議最早始于TCP/IP協(xié)議公開的RFC1606和RFC1607文檔中，展望了21世紀網(wǎng)絡的設想，設計者構(gòu)想將地址32位擴展256位，提出直接路由假設，希望通過一系列協(xié)議，讓IPV4、IPV6、IPV9能在互聯(lián)網(wǎng)中同時使用。為了掌握互聯(lián)網(wǎng)的控制權(quán)、地址分配權(quán)、信息監(jiān)控權(quán)、技術(shù)專利的擁有權(quán)等，中國信息產(chǎn)業(yè)部科技司支持IPV9，是推行IPV9的最大動力，從而成為世界研究熱點。

IPV9用256位表示地址，使用“中括號十進制”表示法，為接口指定256位的標識符，有單播、任播、組播地址類型。所有類型IPV9地址都被分配到接口，而不是節(jié)點，采用全數(shù)字碼分配地址的方法，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術(shù)上電子政務和電子商務所不能解決的諸多問題。IPV9延伸了IPV4模型，一個子集前綴關(guān)聯(lián)一條鏈路，多個子集前綴可指定給同一鏈路。

研究IPv4、IPv6和IPv9，對組建和規(guī)劃設計網(wǎng)絡，實現(xiàn)安全通信具有重大現(xiàn)實意義。

2 IPV4的現(xiàn)狀（Status of IPV4）

IPV4在網(wǎng)絡發(fā)展中起到了關(guān)鍵性的重要作用，但隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，已不能滿足網(wǎng)絡發(fā)展需求，首先是地址資源面臨枯竭，直接導致地址危機，雖無分類編址CIDR技術(shù)、網(wǎng)絡地址翻譯NAT技術(shù)緩解了地址危機，但仍不能解決問題。

其次是路由表膨脹問題，地址空間的拓撲結(jié)構(gòu)直接導致地址分配形式具有與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)性，隨著網(wǎng)絡、路由器數(shù)量增長，過度膨脹的路由表，增加了查找、存儲開銷，成為互聯(lián)網(wǎng)的瓶頸。同時分組頭長度不固定，利用硬件實現(xiàn)路徑的提取和分析與選取也是十分不便，因而難以提高路由數(shù)據(jù)吞吐率[3]。

再有是IP地址分配不均勻，由于源于美國，全部地址中有一大半是美國所有，約占可用地址總數(shù)的56.9%，導致IP地址分配嚴重失衡。

還有缺乏服務質(zhì)量QoS支持，設計時沒有引入QoS概念，初衷是用于軍事，并沒有想對外開放，從而在服務質(zhì)量QoS及安全性方面很欠缺，很難為實時多媒體、移動IP等商業(yè)服務提供豐富的QoS功能，雖然后來發(fā)展的RSVP等協(xié)議提供QoS支持，但規(guī)劃、構(gòu)造IP網(wǎng)絡的成本較高。

3 IPV4與IPV6比較研究（Comparative study of IPv4 and IPv6）

3.1 數(shù)據(jù)報格式

數(shù)據(jù)報格式方面，IPV4數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)區(qū)組成，而IPV6數(shù)據(jù)報則從基本首部開始，其后可允許沒有或有多個擴展首部，然后才是數(shù)據(jù)。從首部比較發(fā)現(xiàn)，IPV6基本首部字段數(shù)減少到8個，取消了IPV4報頭中首部長度、標識、片偏移、校驗和、選項等字段，原來的片偏移、選項字段放到IPV6擴展首部，提高了路由處理分組的速度與吞吐率；同時取消了IPV4中所有與分段相關(guān)的字段，用另一種方法實現(xiàn)分段，比在分組傳輸中對其分段更加有效[4]。

還有IPV6協(xié)議保留IPV4報頭中的業(yè)務類別字段，新增流標記字段，從而實現(xiàn)了優(yōu)先級控制和QoS保障，服務質(zhì)量得到了改善；再有IPV6引入了擴展首部概念，如跳一跳頭、路由頭、分段頭、認證頭。

3.2 路由協(xié)議

路由協(xié)議方面，IPV4為了便于路徑選擇，減小路由規(guī)模，減輕路由維護開銷，單個路由表并不存放完整路由信息，只反映因特網(wǎng)局部拓撲信息，只有全部路由表的集合才能反映因特網(wǎng)整體拓撲信息[5]。

IPV6路由查找采用最長的地址匹配原則，選擇最優(yōu)路由，還允許地址過濾、聚合、注射操作，每個單播地址標識一個單獨的網(wǎng)絡接口，同時在硬件有能力在多個網(wǎng)絡接口上共享其網(wǎng)絡負載的條件下，多個網(wǎng)絡接口可共享一個IPV6地址，實現(xiàn)從服務器擴展至負載分擔的服務器群成為可能，不需服務器硬件升級。還有所有的網(wǎng)絡接口在IPV4中都需一個專用的IP地址，而在IPV6中，若是點到點鏈路的任何一個端點都不需要從非鄰居節(jié)點接受、發(fā)送數(shù)據(jù)即主要是傳遞業(yè)務流，可不需要具備IPv6地址。

3.3 自動配置與安全特性

自動配置方面，IPV6協(xié)議中引入了自動配置功能，由于MAC地址是唯一的，真正實現(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置，是真正意義上的即插即用，因此，極大的改善和降低網(wǎng)絡管理者的配置、地址映射工作，也方便了移動工作者，何時何地都能接入到Internet網(wǎng)。

安全特性方面，在IPV4體系中，由于IPV4地址分布零散，為偽造源IP地址進行網(wǎng)絡攻擊的可能性加大，同時存在傳送大于網(wǎng)絡MTU的數(shù)據(jù)包要進行分片，也就帶來安全漏洞，可讓攻擊者造成操作系統(tǒng)的崩潰等，因此IPV4的網(wǎng)絡層安全性很低。IPV6擁有巨大的地址空間，引入了有加密和認證機制的IPSEC，保證了網(wǎng)絡層端到端通信的完整性、機密性[6]。

3.4 地址類型與地址空間

地址類型方面，兩者的同點是給計算機、物理網(wǎng)絡的每一連接唯一的地址，并將地址分成前、后綴。但IPV4采用兩層地址結(jié)構(gòu)，分配原則是同一網(wǎng)絡的所有主機分配相同的網(wǎng)絡號和不同的主機號，不同網(wǎng)絡的所有主機分配不同的網(wǎng)絡號。而IPV6地址由格式前綴、地址兩部分組成，格式前綴定義地址含義，且格式前綴、地址的長度可變，所有類型的IPV6地址都被分配到接口而不是節(jié)點，并且，IPV6的單播地址是三層地址結(jié)構(gòu)。

地址表示法方面，二進制數(shù)和點分十進制數(shù)為IPV4地址的兩種表示法。128位IPV6通常有冒號十六進制、簡化記法、十六進制前綴與十進制后綴的混合表示法三種，從IPV4過度到IPV6來講，混合表示法特別有用。

地址空間方面IPV4理論上提供約43億個IP地址，而IPV6支持地址總數(shù)大于3.4*10^38個，將幾乎不受限制，也支持多級別地址層次，以利于骨干路由對數(shù)據(jù)報的快速轉(zhuǎn)發(fā)。

3.5 服務質(zhì)量與整體吞吐量

服務質(zhì)量方面，IPV6有很大改善，報頭中的業(yè)務級別和流標記通過路由器的配置可以實現(xiàn)優(yōu)先級控制與服務質(zhì)量QOS保障。

整體吞吐量方面，IPV6有提高，同時IPV6簡化數(shù)據(jù)報頭，由40字節(jié)定長的基本報頭和多個擴展報頭組成，加快了數(shù)據(jù)包傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)速率，提高了網(wǎng)絡整體吞吐量[1]。

3.6 域名解析

域名解析方面，IPV6與IPV4在體系結(jié)構(gòu)上采用樹型結(jié)構(gòu)的域名空間是一致的。而在二者的過渡階段，可同時對應于多個IPV4和IPV6的地址。隨著網(wǎng)絡規(guī)模和IPV6的發(fā)展，IPV6地址將逐漸取代IPV4地址。

盡管IPV6有明顯優(yōu)勢，但IPV4路由器數(shù)量巨大，從IPV4過渡到IPV6是一個循序漸進過程，同時IPV6要具有向后兼容性。因此，IPV6與IPV4共存局面將會共存較長一段時間。

4 IPV6與IPV9比較研究（Comparative study of Ipv6 and Ipv9）

IPV9的出臺，表明我國已是世界上能將域名、IP地址和MAC地址統(tǒng)一到十進制文本表示方法的國家，也是繼美國之后，可獨立分配域名、IP地址和MAC地址的國家，擁有根域名解析服務器和IP地址硬連接服務器的國家。

4.1 地址空間

地址空間方面，IPV6可提供地址總數(shù)大于3.4*10^38個，支持更多級別的地址層次，利于骨干網(wǎng)路由快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報，而IPV9擁有1.16*10^77巨大地址空間。二者都具有空間可擴展性，但由于IPV9有較長地址，增加了路由阻塞的可能。

4.2 域名

域名方面，IPV6通過美國進行域名解析，IPV9的核心是用數(shù)字域名系統(tǒng)取代互聯(lián)網(wǎng)上的英文字母或其他符號作域名，雖難以記憶但鍵盤的輸入簡易，也兼容IPV4、IPv6英文域名，但會帶來地址翻譯方面的開銷。還有IPV9避免了域名和IP地址受制而形的不平等現(xiàn)象，域名申請和使用費也免除了，但IPV9域名需求的不均衡也是二者都無法避免的，IPV6下人們搶注英文或拼音域名，IPV9下人們搶注“88...8”域名等。

4.3 多媒體與兼容性

多媒體方面，IPV6解決了多媒體傳送問題，有成熟的標準，而IPV9雖然傳輸有較好的質(zhì)量，但許多方面還是在理論研究上。

兼容性方面，IPV6比IPV4在兼容性方面更有優(yōu)勢，而IPV9在機器兼容性方面更有優(yōu)勢。對128位微機的IPV6，其處理效率、擴展性方面有所不足，而256位微機的IPV9，面世不會太晚，尤其是生物芯片和量子計算機的問世對其提供了好的基礎。

4.4 移動性支持與安全特性

移動性支持方面，IPV4因地址資源面臨枯竭而無法提供足夠的地址給移動終端，但IPV6、IPV9解決的辦法就是地址擴展，非常簡單，不同的是IPV6有更多標準的支持。

安全特性方面，IPV6與IPV9在加密技術(shù)、認證技術(shù)方面相對于IPV4有顯著提高。且IPV9提出的加密機制，在物理上不可能破譯，加密特性顯著改善[7]。

4.5 服務質(zhì)量與自動配置

服務質(zhì)量方面，IPV6有很大改善，報頭中的業(yè)務級別和流標記通過路由器的配置可以實現(xiàn)優(yōu)先級控制與服務質(zhì)量QOS保障，還支持“實時在線”連接，以防止中斷和提高性能。IPV9在繼承IPV6的基礎上，采用特別的語言法簡化網(wǎng)絡管理難度和處理IP流。

自動配置方面，IPV6擁有無狀態(tài)（即插即用）和有狀態(tài)（如DHCP）的主機地址自動配置功能。而IPv9解決方法尚不明確，目前僅支持后者。

此外，IPv9引入了具有多層次結(jié)構(gòu)可聚合地址，有效的在各級路由系統(tǒng)中聚合子網(wǎng)，減小路由規(guī)模。IPV9許多方面還停留在理論研究和設想上，尚待論證。

5 發(fā)展與障礙（Development and obstacles）

不管從IPV4過渡到IPV6還是演進到IPV9都是一個循序漸進的過程，必須維護基于IPV4的成熟服務，支持新舊協(xié)議間的互通性。因此，嚴重缺乏IP地址的中國的下一代商用網(wǎng)仍處于起步階段，而擁有大量IP地址的思科等設備廠商們已推出IPV6路由器。

產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是主管部門的支持、成功的商業(yè)模式和保護運營商的投資。IP網(wǎng)只收取網(wǎng)絡接入費，主流技術(shù)不能很好的支持成功的商業(yè)模式等，這正是IPV9的致命之處。全球各國政府和廠商都支持IPV6，IPV9支持者有限，短期內(nèi)難以形成規(guī)模和提供良好的服務，僅靠我國自主開發(fā)，難以對抗IPV6已經(jīng)形成的網(wǎng)絡外部效應和花費巨大人力與財力所得出的研究成果，也難以通過進入商業(yè)用途的網(wǎng)絡市場來形成規(guī)模效益和降低成本。

6 結(jié)論（Conclusion）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，上網(wǎng)人數(shù)的日益增多，IPV4 地址資源匱乏問題已成為制約其發(fā)展的瓶頸。技術(shù)上先進性的IPV6 可提供巨大的地址空間，發(fā)展前景看好。雖然一段時間內(nèi)IPV4、IPV6 共存，但過度到IPV6是發(fā)展趨勢。

不管從IPV4演進到IPV6還是推進到IPV9，都要基于IPV4的成熟服務，支持協(xié)議的兼容性。此外，IPV9許多方面還停留在理論研究和設想上，尚待論證，而IPV6則是成熟的標準，解決了地址枯竭難題，且互聯(lián)網(wǎng)更加穩(wěn)定、可靠、高效和安全，其規(guī)模與效益遠遠領先IPV9，按梅特卡夫法則，其經(jīng)濟技術(shù)地位是IPV9所無法相比的。

大家都相信IPV9能為網(wǎng)絡安全做出貢獻，但IPV6已占國際主流地位，而IPV9尚未得到國際認可，競爭中處于劣勢。在民用互聯(lián)網(wǎng)中，IPv6無疑是主流標準；在軍事網(wǎng)和部分政府網(wǎng)絡中，從國家安全的角度出發(fā)，IPv9可能爭得一席之地[7]。不管未來趨勢怎樣，提供一個安全、高效、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡環(huán)境是我們共同追求的目標。

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[7] 張永暉，蔣新華，林漳希.IPV6與IPV9比較[J].計算機工程，2006（4）：116-118.

作者簡介：

賀勁松（1989-），男，碩士生.研究領域：計算機網(wǎng)絡與安全.

彭智朝（1975-），男，博士，副教授.研究領域：計算機網(wǎng)絡與大數(shù)據(jù).

賀文華（1964-），男，碩士，教授.研究領域：計算機網(wǎng)絡與信息安全.

江雪君（1991-），女，碩士生.研究領域：計算機網(wǎng)絡.