IPv6技术概述

一引言

随着IP业务的迅速增长，IP网络上应用的不断增加，原有的IP网越来越显得力不从心。IP网络正在向下一代网络演进。其网络协议也应产生重大变化。

目前使用的IP协议是IPv4。IPv4是70年代制定的协议，随着全球IP网络规模的不断扩大和用户数的迅速增长，IPv4协议已经不能适应发展的需要。90年代初，有关专家就预见到IP协议换代的必然性，提出在下一代网络中用IPv6协议取代IPv4。IPv6是1992年提出的，主要起因是由于Web的出现导致了IP 网的爆炸性发展，IP网用户迅速增加，IP地址空前紧张，由于IPv4只用32位二进制数来表示地址，地址空间很小，IP网将会因地址耗尽而无法继续发展，因而IPv6首先要解决的问题是扩大地址空间，IPv6有许多优良的特性，尤其在IP 地址量，安全性，服务质量，移动性等方面优势明显。采用IPv6的网络将比现有的网络更具扩展性、更安全，更容易为用户提供质量服务。现在的IPv6协议是在1995年由Cisco公司的Steve Deering和Nokia公司Robert Hinden完成起草并定稿的，即RFC2460。在1998年IETF对RFC2460进行了较大的改进，形成了现有的RFC2460，1998版。IPv6的其他标准也陆续由IETF的相关工作组制定出来，现已有100多项有关IPv6的RFC制定出来

二IPV6协议分析

IPv6协议是IP协议的第6版本，于1992年开始开发，

1998年12月发布标准RFC2460。IPv6继承了IPv4的优点，并总结了IPv4近30年运行经验，目的是解决IPv4地址空间不足、地址结构规划不合理的问题，同时对IPv4协议运行中存在的不足进行了改进和功能扩充，IPv6协议相对IPv4协议具有如下技术特点：

●采用128位的IP地址，极大地扩展了地址空间，解决了IPv4协议地址资源不足的问题。IPv6能够提供几乎任意多的地址，因此目前在IPv4网络上普遍采用的NAT技术将逐渐过时，使得网络通信的端到端安全性也可以得到保证。

●支持良好的自动配置功能，包括IPv6地址的自动配置和主机默认路由的自动配置等，同时还可以自动实现其他网络参数例如跳限和MTU的自动配置。

IPv6的自动配置功能极大地简化了网络管理的工作量，同时也使网络的访问变得简单。

●IPv6能够提供良好的移动性支持。对移动性的支持是在IPv6协议制订之初就考虑到的，因此IPv6的移动性支持能够得到基本协议的较好配合，在IPv6当中不再需要异地代理路由器，同时也很好地解决了移动IPv4协议当中存在的三角路由问题，同时移动节点的通信也有较好的安全性保障。

●在IPv6当中，对安全性的支持是必须的，利用IPsec协议，IPv6能够提供比IPv4更高得多的安全性。

●IPv6采用了类似CIDR的地址划分方式，对地址空间的分配比较合理，便于实现路由聚合，有效限制路由表规模。

●IPv6采用固定的40字节报头，同时取消了报头校验和字段，便于路由器进行硬件转发处理，效率更高。

●IPv6完全依靠报文的发送方对报文进行必要的分片，在接收端进行重组，取消了路由器对报文的分片功能，提高了IPv6路由器的转发效率。●IPv6的组播功能得到了扩展，使用了更多的组播地址，同时对组播域进行了划分，取消了IPv4当中的广播，可以更加有效地利用网络带宽，避免广播风暴。

●IPv6在解决IP网络的QoS问题方面进行了革新，对各种信息根据紧急性和服务类别确定数据包的优先级。

三IPv6与IPv4比较

1、IPv6基本报头与IPv4报头的对比

如图1所示，将IPv6的基本报头和IPv4的报头作一比较，括号里的数表示比特数。

版本

(4)xx

(4)

标示符(16)

生存时间(8)传输协议(8)

信源地址(32)

信宿地址(32)

选项

(8)

IPv4报头格式版本

(4)传输流类型(8)

有效载荷长度(16)数据流标签(20)

下一个报头(8)跳数限制

(8)填充(变长)

服务类型

(8)

标志

(3)数据包总长度

(16)

分段偏移量

(13)报头校验和

(16)

信源地址

(128)

信宿地址

(128)

IPv6报头格式

图1IPv6基本报头与IPv4报头的比较

通过对两者的分析，可以得出如下结论：

（1）IPv4中所有报头是以32bit为单元，基本长度是4bit；而在IPv6基本报头中，报头是以64bit为单元，报头的总长度固定为40字节（320bit）。

（2）IPv6基本报头去掉了IPv4中的所有可选项，还减少、改变了许多IPv4中的字段，如取消了IPv4报头中的6个字段：

头标长度

（4）、服务类型

（8）、标识符

（16）、标志

（3）、分段偏移量

（13）及报头校验和

（16）。

（3）在IPv6基本报头中有三个报头字段重新命名，并赋予了新的含义：

服务类型

（8）、生存时间

（8）、传输协议

（8）被分别改为数据流类型

（8）、跳数限制

（8）和下一个报头

（8）。

（4）IPv6基本报头增加了新的字段：

数据流标签

（20）。

这样，尽管IPv6地址长度是IPv4的4倍，但IPv6的基本报头只是IPv4报头长度的2倍，并且取消了对报头中可选项长度的严格限制，通过引入扩展报头的概念，从而大大地增加了IPv6报头的灵活性，也使得网络中的中间路由器在处理IPv6协议头时有更高的效率。

2、IPv6和IPv4的主要区别

通过前面对IPv6与IPv6的报头分析，我们也可以初步看出IPv6与IPv4的区别。下面将更有针对性地比较二者的不同之处，即IPv6相对于IPv4来说较为显著的变化。

2.1网络地址空间的极大扩展

从IPv4到IPv6，IP地址规模一下子从32bit增加到128bit，这是一个巨大的地址空间。目前，为了缓解IPv4地址空间的消耗而采用了NAT技术和CIDR技术，但仍然不能阻止IPv4地址耗尽趋势。采用IPv6后，不仅每个人可以拥有一个IP地址，而且这个IPv6地址很可能就像现在的身份证一样为用户终身使用，作为个人的标识之一。就连未来的手机、电视、空调、微波炉等每一台信息家电设备都能分到一个IP地址，而一个人拥有成百上千台个人计算终端也是很正常的一件事。这些美好的设想都来源于IPv6较之于IPv4有远为巨大的地址空间。2.2网络地址表示法不同

在IPv4中，有二进制和点分十进制两种格式表示方法，而实际上一般日常中运用的则是点分十进制。因为IPv6超长的128bit地址，不论是采用二进制，还是点分十进制，都无法有效简洁地表达，于是就引进了冒号十六进制来表示IPv6地址。

2.3网络地址的分类方式不同

对于IPv4来说，IP地址分为

A、B、

C、D、E五类，其中有单播地址、多播地址和广播地址。而在IPv6中取消了IPv4中的广播地址，广播从一开始就为IPv4网络带来了问题，它可能对网络性能产生灾难性的影响。同一网络链路上的大量广播意味着，该链路上的所有节点都必须处理这些广播，而实际上，绝大部分节点最终都将忽略这些广播，因为该信息与它无关。同时IPv6还增加了任意播地址，这对于路由的优化有着重要的作用。

2.4改进的IP多播

IPv6对多播进行了改进，具体表现在以下三个方面：

（1）强调了多播的必要性。

（2）多播地址的改进。从IPv6的多播地址格式定义，可见其相对于IPv4所具有的优越性：

具有更大的多播地址空间，范围字段的应用，定义了新类型的多播地址——请求节点地址（Solicited-Node Address）。

（3）将IP多播分为域内多播和域间多播，改善了其可管理性。

2.5报头格式的不同

IPv6基本报头格式比IPv4报头简单得多。在IPv4中有10个固定长度的域，2个地址空间和若干个选项，IPv6中只有6个域和2个地址空间。报头的简化使IP的某些工作方式发生了变化：

因为所有报头长度统一，所以不再需要报头长度字段；IPv6中的分段只能由源节点进行，中间路由器不再进行任何分段，减轻了中间路由器的工作负荷；去掉IP头校验和并不影响可靠性，主要是因为头校验和将由更高层协议（TCP/UDP）负责。虽然IPv6基本报头是IPv4报头的2倍，但因其长度固定，故不需要消耗过多的内存容量；又因其要处理的域由IPv4的14个减少到8个，从而大大减少了路由器上的软件处理内容。根据Cisco Systems资料，IPv6路由器软件内核（Kernel）实际上比IPv4还小。在Cisco2500系列中配置的IPv4内核为2.17MB；存放路由表的工作区（Work Area）升到3.2MB；配置IPv6的内核时，其内核仅为1.69MB，工作区也不过2.7MB。

2.6良好的扩展性

因为IPv6报头之后添加了扩展报头，IPv6可以很方便地实现功能扩展，IPv4报头的选项字段最多可以支持40字节的选项，而IPv6扩展报头的长度只受到IPv6数据包长度的制约，无疑这将极大地增强IP包传送的灵活性。

2.7内嵌的安全性

一个IPv6的端到端的传送在理论上至少是安全的，传送过程中对端的验证，以及数据的加密保护使得敏感数据可以在IPv6网络上安全地传递。而且全球惟一的地址可以清楚地标识每个节点，避免了NAT对端到端安全性的破坏。

2.8服务质量的保证

在IPv6中，IPv6基本报头中定义的8bit数据流类型和20bit数据流标识来确保所必需的带宽，以保证可靠的实时报文传输。由于数据流身份信息包含在IPv6基本报头中，因此即使是经过IPSec加密的数据报文也可以获得QoS支持。

2.9即插即用（Plug & Play）功能

即插即用，是指无需任何人工干预，就可以将一个节点插入IPv6网络并在网络中启动。

在IPv6中，发展了许多新技术，如邻居发现（Neighbor Discovery）、节点自动配置（Auto-Config-uration）、路由器宣告（Router Advertisement）、路由器请求（Router Solicitation）、组成员资格查询（Group Membership Inquire）、最大传输单元发现（MTU Discovery）等等，并通过这些新技术实现了IPv6网络的自动发现及其自动配置等诸多功能，从而简化了网络的配置、维护和管理。

2.10移动性的改进

网络的移动性是必须考虑的一个大方向，很多人认为未来的互联网在实质上应该称为移动互联网。在移动性的实现上，IPv6所设计的许多新技术与IPv4相比更加成功地进行了移动方面的计算、保障和提高。当然，移动IPv6（Mobile IPv6，MIPv6）也并不是一个全新的移动网络协议，而是从IPv4中学习、继承了许多思路、概念。MIPv6同时结合采用了隧道技术和信源路由技术来向连接在外地链路上的移动节点传送数据报文，而在MIPv4中只采用了隧道技术。

相对于MIPv4，MIPv6有以下优点：

IPv6巨大的地址空间，使移动性实现起来更加简单；IPv6地址自动配置简化了移动节点的转交地址的分配；MIPv6避免了MIPv4的三角路径问题，实现了路由优化；MIPv6不再需要外地代理。

2.11寻径效率的提高

IPv4中，地址是用户拥有的。也就是说，一旦用户从某机构处申请到一段地址空间，他就永远使用该地址空间，而不管他是从哪个ISP处获得的服务。这种方式的缺点是ISP必须在路由表中为每个用户的网络号维护一条表项。随着用户数的增加，会出现大量无法汇聚的特殊路由，即使CIDR（RFC 1519）也不能处理这样的路由表爆炸现象。路由表爆炸即互联网路由表的持续增长经常被称为当前互联网的严重问题之一，更加严重和急迫的问题是路由表的稳定性。只要一个路由“翻动”或状态发生变化，整个互联网骨干中的BGP进程都必须重新计算。

路由“翻动”次数越多，整个互联网的稳定性就越差，而且每天都会发生这种情况。

IPv6改变了地址的分配方式，从用户拥有变成了ISP拥有。IANA分配给ISP，用户的全球网络地址是ISP地址空间的子集。每当用户改变ISP时，全球网络地址必须更新为新ISP提供的地址。这样ISP能有效地控制路由信息，避免路由爆炸现象的出现。

四IPv6技术应用前景展望

IPv6协议的设计目的在于解决现有IPv4版本所具有的各种问题，包括地址数量限制、安全性、自动配置、移动性、可扩展性等方面，因此IPv6为各种价值应用构想提供了强大的技术支持，尤其对视频、语音、移动、安全等业务的发展有极大的促进作用。随着IPv6应用探索的进一步深入，IPv6在网络通信行业以及人们日常生活中具有广阔的应用前景。

1.视频应用

随着IP宽带业务的不断普及和发展，越来越多的行业、企业开始大量采用视频技术开展远程会议、视频点播和广播、远程教学、远程医疗、远程监控、可视电话等多种应用，以满足人们对交互式可视化沟通的需要。IPv6协议具有丰富的地址空间，解决了地址容量问题，优化了地址结构，提高了选路效率和数据吞吐量，适应了视频通信大信息量传输的需要，有助于发展用户；IPv6协议组播功能的加强和扩展，使用了更多的组播地址，对组播域进行了划分，取

消了IPv4广播，可以更加有效地利用网络带宽，实现基于组播、具有网络性能保障的大规模视频会议和高清晰度电视广播应用；同时IPv6协议使用IPsec协议提供更

高的安全性，使用流标签为数据包所属类型提供个性化的网络服务，有效保障了相关业务的服务质量，对商业用户的安全性提供了充分的保障，并对视频应用中各种媒体信息可以根据紧急性和服务类别确定数据包的优先级，协调视频应用中语音、视频、数据流的优先顺序，获得更佳的信息传输质量。

2. VoIPv6

随着互联网的普及及其商业运营价值的发现，VoIP (Voiceover IP)技术作为互联网的增值应用，已被很多新兴的电信运营商引入到电信运营中，并取得了爆炸式增长。国内电信运营商从1999年开始展开了基于H.323协议的VoIP建设高潮，目前VoIP除基于H.323协议外，还有基于H.248/MGCP协议、SIP协议等。VoIP最大的优势是低成本，并能利用互联网和全球IP互联的环境，提供比传统业务更多更好的服务，但在我国VoIP还不是端到端的服务，同时IPv4中所存在的NAT等问题，使得VoIPv6应运而生，为实现端到端的VoIP电话业务提供了前提。IPv6协议丰富、大容量的地址空间可以使每一部VoIPv6话机得到一个IP 地址，同时IPv6无状态地址自动配置技术，使VoIPv6话机能够快速连接到网络上，无需人工配置，实现了真正的即插即用。IPv6的QoS技术为话音质量提供了优于IPv4的保证，电话的语音信息通过VoIPv6封装在IPv6数据包中传送于网络间，可通过对数据包的优先级设定，获得高质量的语音传送。

3.网络家电

要实现真正的网络家电，目前还需进一步研究网络操作的安全性和操作的轻便性两项内容，IPv6技术可以使用IPSec所具有的认证和加密机制来保证安全性，并通过相关的认证服务等系统加以实现。4.移动IPv6业务

随着3G等业务的推出，移动IPv6业务将是移动业务发展的主要方向，移动通信业务和互联网业务将都会由IPv6协议来承载。IPv6技术的大容量地址结构，能够使每一个移动终端都可获得全球惟一的IP地址，无状态地址自动配置技术和强大的兼容性，使手机、PDA等移动终端能够快速连接到网络上，实现

即插即用，同时兼容符合IPv6协议标准的各个厂家的产品和应用。相对于Mobile IPv4，移动IPv6是IPv6技术的一个特色，通过邻居发现、自动配置等技术可以直接发现外地网络和获得转交地址，而不必依赖外地代理。同时利用协议包中的路由扩展头以及新增的家乡地址等选项优化报文路径、解决源地址过滤等问题，使移动节点的应用层对转交地址透明处理，可以实现无缝的移动连接和提供端到端视频、音频和数据业务，配合IPv6协议中的QoS技术，运营商就可以提供有效的端到端QoS，以确保高质量业务传输，尤其在开展移动视频流媒体、移动视频会议和移动VoIP等业务方面具有重要的意义。

5.传感器网络

日常生活中的地质、环境（大气、水文、水质）等自然状况和老百姓的生产、生活息息相关，也关系到国民经济和可持续发展，同时生产活动对各种环境也产生一定的影响，所以需要对地质和环境进行监测和保护，这就需要使用大量的传感设备对环境参数进行大规模的采集并进行分析。IPv6技术中的大容量地址空间特性，可以实现为每个传感器分配一个单独的IP地址，通过IPv6互联网络，实时采集地震、大气、水文等各种环境监测数据，进行分析研究。而IPv6无状态地址自动配置技术，更能体现IPv6技术的方便性，使分布在不同地域大量的各种传感器自动获得IPv6地址，无需人工分配。如使用IPv6技术，通过开发可联网的地质监测传感器可以建立全国地震监测网，实时采集各种地质数据，分析地质活动情况，提高对地震等灾害的监测能力，为人民生活和国民经济发展提供更好的服务。

6.智能交通系统

交通拥挤是当今世界各国大城市都存在的问题，在西方发达国家，为了解决交通问题，已开始大规模地进行交通智能化的研究。随着我国经济的高速发展，车辆数量也极度攀升，交通问题亦非常严重，深刻影响着人们的日常生活，所以需要通过使用现代信息与网络通信技术，使用智能交通系统来提高交通运行的效率。IPv6大容量地址结构技术，可以使城市交通监控系统中每个信号灯、监视器及各种感应设备都能获得单独的IP地址，实现系统整体联网，动态的对交通进行监控，提高交通运输效率。另一方面，IPv6大容量地址结构技术可以为车载终端系统分配单独的IP地址，实现无线系统互联，司机可以通过

车上的终端屏幕实时查看交通和路面信息，直接了解道路情况。而IPv6无状态地址自动配置技术，可自动为各类终端配置IP地址，大大减少网络维护的工作量，亦将会极大地推进智能交通应用的发展。

7.军事应用

IPv6相对IPv4可以提供更好的网络安全和质量更佳的传输服务，并大大增强了传输速度，非常适合军队的使用。通过使用IPv6技术，对武器系统的响应速度以及指挥系统数据传输的保密性都将会有较大的提高。美国防部认为，IPv6对于美军来说至关重要，未来作战系统中各种武器系统、信息系统和指挥控制系统将通过网络实现联系，进行信息化立体战争，IPv6为其提供了实现的技术基础和可能。同时，IPv6具有IPv4所没有的绝对优势，它巨大的地址空间、高度的灵活性和安全性、可动态进行地址分配的特性以及完全的分布式结构有着巨大的军事价值和潜力，特别是对移动用户的支持更是以前所有的技术所不能相比的。

五、结束语

IPv6是一个建立可靠的、可管理的、安全和高效的IP网络的长期解决方案。

尽管IPv6的实际应用之日还需耐心等待，不过，了解和研究IPv6的重要特性以及它针对目前IP网络存在的问题而提供的解决方案，对于制定企业网络的长期发展计划，规划网络应用的未来发展方向，都是十分有益的。IPv6技术的到来不仅仅是一次简单的技术更新，她很有可能会改变整个世界的面貌。正如40年前互联网带给这个世界的变化一样，IPv6同样会改变人们的生活习惯，影响社会的生产、经济、文化各个方面，除了带给我们更便捷更多元化的数字生活之外，她还会成为人类社会生产力发展的重要因素。