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每一粒沙子都有IP位址的IPV6

 

作者:徐明偉 楊術

  隨著網路的高速發展,現有IPv4(網路協議版本4)已經無法滿足網路的需求。IPv6(網路協議版本4)成為未來主流IP技術。

Google,Facebook,Bing等各大網站均表態將永久支持IPv6。

  IPV4:5億中國網民用3億地址

  IPv6是IP(網路協議)的一個新版本。我們首先介紹IP協議。IP協定是為了在網路的主機之間傳輸資料而設計的,為了將資料從源送到目的地,每個主機都需要一個位址。就像在現實生活中人們之間傳遞信件,每個人都需要有一個郵寄位址一樣。

  在最初,每個主機的位址格式是由IPv4協議規定的,每一個IP位址都是由32個二進位位元串組成,由某些網路組織(如IANA,網路號碼分配機構等)負責分配,每個組織像維護一個蓄水池一樣維護著一個位址集區。位址一般從高層組織往低層組織,以位址塊,即位址集合的形式分配,例如,IP地址首先由IANA分配到亞太地區,再分配到中國電信,再由中國電信分配到每一台管轄的主機。

  IPv4位址被設計為32位,是因為在網路的初始階段,並沒有很多主機,全世界也只有美國的幾所大學、科研院所及美國軍方使用IP網路,而32位元的IP位址集合擁有232=4,294,967,296個IP地址。但網路的爆炸式增長超出了任何人的想像。隨著網路進入千家萬戶,IPv4位址被迅速分配消耗,各大維護IPv4位址的組織發現自己位址集區裡的地址所剩無幾。在2009年5月12日,全球大約只有494,196,000個位址未被分配,到了2011年2月3日,IANA宣佈它的位址集區裡最後一個位址塊已被分配。

  IPv4地址的短缺讓網路面臨危機,新加入的主機無法獲得位址,就無法成為網路世界的一員。這個危機在中國尤其明顯,因為中國網路雖然發展迅速,但起步比較晚,這使得在中國網路急需大量IPv4地址的時候,IPv4位址已大量被歐美等發達國家佔有。儘管中國在儘量爭取,但還是只能獲得有限量的IPv4地址。到2012年3月,中國只佔有3億餘個IPv4地址,而同時期中國的網民數目卻已超過5億。IPv4地址的短缺勢必影響到廣大網民的上網體驗和我國網路發展。

  IPV6:每一粒沙子都有地址

  為了解決IPv4地址短缺的問題,研究人員做了各種各樣的改進。在IPv4協議開始使用的時候,將IPv4位址塊分成A,B,C,D類,一個A類位址能提供16,777,216個IPv4地址,一個B類位址能提供65,536個IPv4地址,一個C類位址能提供256個IPv4位址。如果某個機構有70,000台主機,那麼它最少需要申請兩個B類位址,那麼將有大約2×65,536-70,000=61,072個IPv4地址被浪費。為了提高IPv4位址的使用效率,網路標準化組織IETF(網路工程任務組)改進了位址分配策略,IPv4地址的分配不必服從A,B,C,D這種位址格式。

  另外一個例子是,最開始的時候每一台主機都固定有一個IPv4位址,但是接下來人們發現,通常一台主機並不是任何時候都需要使用IPv4位址,例如有的主機通常只在白天需要連接網路,有的主機只需要晚上連接,所以為了進一步提高IPv4位址的使用效率,人們又設計了IPv4位址的動態分配方案。當主機需要使用IPv4位址的時候,就將一個IPv4位址分配給這台主機;當不需要的時候,就會將這個IPv4位址回收,繼而可以分配給另外一個主機。

  但即使是做了改進,也無法從根本上解決IPv4地址短缺的問題。雖然IPv4地址的分配不必服從A,B,C,D這樣的地址格式,IPv4地址仍然不夠分配。即使使用了動態分配方案,但在同一個時段,特別是網路使用高峰時段,連接到網路的主機數量也非常巨大。

  為了從根本上解決IPv4地址短缺的問題,IETF在1994年成立了若干IPng(下一代IP協議)工作組,1996年IPv6協議標準發佈,IPv6協議正式得到確立。與IPv4協議相比,IPv6最大的優勢在於其地址長度達到了128位,這使得IP位址的數目達到了3.4x1038。人們做過估計,如果IPv6位址被充分利用的話,地球上的每一粒沙子都可以擁有一個IPv6位址。這說明,未來不僅只有電腦能夠上網,冰箱、洗衣機等家用電器也有足夠的地址可用。

  過渡方案有兩套

  IP位址數目的問題得到了解決,但IPv6的誕生又產生了新的問題。人們正在使用IPv4協定,即現有的主機都使用IPv4位址,這些主機的數量巨大,不可能在一夜之內全部變為使用IPv6協定,只能一部分一部分地改變。那怎麼讓一部分人使用IPv6協定的時候,使用IPv6協定的主機能和使用IPv4協定的主機透明通信,即人們感覺不到協議的變化。這個問題被稱為IPv4/IPv6過渡問題。

  我們可以做一個類比。在物流系統中,集裝箱有不同的規格標準,假設有大集裝箱,有小集裝箱,但為了有效利用空間,規定同一條船隻能有一種規格的集裝箱。這裡我們可以將使用大集裝箱的船看成IPv6網路,使用小集裝箱的船看成IPv4網路,那麼問題就是當一條使用一種規格集裝箱的船要將貨物裝載到使用另一種規格集裝箱的船時,應該怎麼辦?

  對於物流系統來說,有兩種辦法:一種是將貨物從集裝箱裡卸載出來,然後接著裝填到另外一種規格的集裝箱裡去;另外一種是將小集裝箱直接放進大集裝箱裡去。

  對於IPv4/IPv6過渡來說,同樣也存在類似的兩種方法。一種是翻譯方案,即將資料從IPv4(或IPv6)分組中提取出來,然後放到IPv6(或IPv4)分組中去;另外一種是隧道方案,即將IPv4(或IPv6)分組,作為使用者資料重新封裝,放到IPv6(或IPv4)分組中去。

  目前我國在IPv6網路的研究、開發和建設上取得了巨大的成就,組織實施了下一代網路示範工程(CNGI),並通過國家科技重大專項和其他相關科技計畫,在基於IPv6的下一代網路理論研究和標準制訂、網路基礎設施建設、關鍵設備研發、技術試驗與應用示範等方面取得了一系列成果。2003年,第二代中國教育和科研電腦網CERNET2建成,是目前世界上規模最大的採用純IPv6技術的下一代網路骨幹。2005年由清華大學提出的IPv4/IPv6過渡標準(RFC4925)成為我國第一個非中文相關的資訊類網路RFC標準。


  徐明偉 清華大學電腦系教授、博士生導師

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