IPv6的机遇与挑战

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IPv6的机遇与挑战




编者按


中国应该是全球最关心IPv6的国家，因为中国目前网民的数量已经是世界第二，很快将会是世界第一，因此IP地址的短缺问题对于中国来说尤显突出。由于历史的原因，国际上划分给中国的IP地址较少，现在IPv6的发展给中国带来了机遇，应当迅速把握这样的时机，并联合国际上其他饱受地址短缺之苦的国家，争取地址的重新合理划分。CNGI项目将提供这样的机会，它对中国信息产业的发展将会产生长远的影响。



    在近百年的通信发展史中，还没有一种通信技术能像IP技术那样对世界通信业产生如此深远影响：IP业务呈现爆炸性地增长，业务量的增长则是指数式的。
    IP业务的发展导致IP网络的发展。IP网络的发展速度也是惊人的，现在IP网的基础设施平均每1～2年要全面升级一次，IP网骨干网带宽的增加速率为每6～9个月翻一番，这个增长速率已经超过著名的预测CPU速度增加的摩尔定律(每18个月翻一番)。密集波分复用(DWDM)技术在实用化方面也取得了突破性进展，千兆(G)比特路由器、百万兆(T)比特路由器相继问世，IP网的网络资源正在因此而大量创造出来，从而满足IP业务消费增长的需要。
    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网络向下一代网络演进是必由之路。IP网络演进网络协议也应与之适应。早在90年代初，专家们就预见到IP协议换代的必然性，提出在下一代网络中用IPv6取代IPv4。提出IPv6的起因是Web的出现导致了IP网的爆炸性的发展，IP网的用户迅速增加，IP地址空前紧张，IPv4用32比特二进制数来表示地址，地址空间很小，IP网将会因为IPv4地址空间的耗尽而无法继续发展，要发展IP网首先要解决扩大IP地址空间的问题；另外IPv4是70年代提出的，这么多年的应用使IPv4本身暴露出一些不足，IPv4的不足需要在IPv6中得到改进。
    IPv6基本协议最初是在1992年提出并经过多次改进后确定的。现在的IPv6协议是在1995年定稿的，即RFC2460。1998年因特网工程任务组(IETF)对RFC2460进行了较大的改进，形成了现在应用的RFC2460 1998版。IPv6的其他标准也陆续由IETF的相关工作组制定，经过多年的工作目前已经有100多项有关IPv6的标准被制定出来。


1 IPv6的优势
    IPv4是70年代末期制定完成的，IPv4的标准制定者限于时代的局限性，绝对没有想到只是用于异机种计算机互连的标准会导致通信信息业的革命性的变化。IPv4只设计32比特IP地址是这种设计思想的反映，这导致了90年代初期Web应用、IP网络爆炸性发展情况下，IPv4不能满足IP网长期发展的需要，迫切需要开始研究下一代IP网络协议。
    1992年IETF成立了下一代因特网协议(IPNG)工作组，1992—1994年IPNG工作组收到一些有关下一代因特网协议的提案，1994年IPNG工作组提出了下一代IP网络协议(IPv6)的推荐版本，1995年IPNG工作组完成了IPv6的协议文本。1995—1999年完成了IETF要求的协议审定和测试，1999年成立了IPv6论坛，开始正式分配IPv6地址，IPv6的协议文本成为标准草案。针对IPv4存在的问题，在IPv6的标准中采用了一系列措施，为IP网的可持续发展奠定了良好的基础。IPv6在地址资源、移动IP、IP网的服务质量(QoS)问题、IP网中的安全问题等方面有较大突破。

1.1 地址资源
    IPv6拥有十分丰富的地址资源。受到IPv4地址资源考虑不足的影响，IPv6的设计者一下子将地址长度扩大了4倍，从IPv4的32比特地址，扩展到IPv6的128比特地址。如果将这些地址平均分配，则地球上每一平方米可获得6.5557×1023个IP地址，这是一个极大的地址空间，从人们的实际需求来看，很难将这样大的地址空间消费掉。IPv6的足够宽广的地址空间，在IP网络爆炸性发展，IPv4地址已成为紧缺资源的今天，无疑是极重要的。但是，从网络设计的角度来看，地址空间并非越大越好，因为地址空间大是要付出代价的，在信息的传输和地址的处理等方面都将付出代价。正确的做法是先对需求进行客观的估计，同时确定地址分配原则，然后再来确定真正的地址空间大小。与IPv4地址设计存在同样问题的是，IPv6地址设计也没有严格遵照需求来规划地址。当年如果IPv4不是定为32比特，而是与MAC地址一样定为48比特的话，IPv4将不会像目前那样成为“鸡肋”。IPv6的地址肯定是够用了，但地址设计的合理性方面却有疑问，实际上，在中国第一个IPv6商用实验网——6-bone网上已经发现了不少问题。目前IPv6已经颁布，128比特地址也已确定，IPv6启用后，再也不会为地址而发愁了。但是，在IPv6地址的规划方面仍然有不少问题，需要下大力量加以解决。合理的地址规划可提高寻址效率，减小路由表中的路由条目，从而极大地提高IP网络的性能。

1.2 移动IP
    移动IP是一个十分热门的话题，它涉及IP网对个人的移动性、终端的移动性和系统的移动性的支持。与目前无线移动通信不同的是：移动IP主要讨论的是IP协议对IP网中移动性的支持问题。由于目前广泛使用的IP网是IPv4的网，因而造成移动IP先从IPv4入手。对于IP网的移动性来说，它涉及的业务有两类：非实时业务和实时业务。
    这两类业务对协议的要求是不同的。对于非实时业务，传输时延不是关键参数，非实时业务在传输过程中采用迂回路由是可以接收的，传输非实时业务的要求是：在通信过程中，不论个人、终端或系统移动到何处，业务的通信连接(TCP连接)必须保持不断，对于非实时业务移动性的支持，IPv4协议已经可以做到。对实时业务来说，情况就不一样，传输时延是实时业务极其重要的参数，不能容忍采用三角迂回路由来进行通信，造成IPv4很难处理实时业务。IPv6有可取的解决办法，因此，在移动IP方面，IPv6可以提供很好的支持。

1.3 服务质量
    IP网的QoS问题是一个极大的问题，也是至今IP网中解决得最不好的问题。IP网的QoS问题已严重阻碍了它的发展，成为必须立即解决的问题。从协议来说，IPv4考虑了QoS问题，它的TOS字段，就是用于区分服务类型，并以此来提供不同服务的。不幸的是IP网的设计者定位IP网为一个提供“尽力而为”传输服务的网，因而IP网不提供对不同类型业务提供分类服务的手段。在实际网络中，网络设备甚至不对TOS作任何处理。而且由于TOS字段是在IP报头之中，对TOS的处理亦是一个不小的开销。
    IPv6在QoS上的考虑主要是设定了通信流类型(8比特)和数据流标号(20比特)，当然这28比特只是用来指示特定的数据流，真正QoS的实现还要网络设备采用特定技术来实现。从本质来说，IPv6的这28比特与IPv4的6比特的TOS用途是类似的。从IP网来说，特别是在传输成本下降的今天是否有必要引入对流的标记，是一个十分值得商榷的事情。因此，IPv6在QoS上的改善存在疑问。

1.4 安全
    安全问题是IP网中永恒的问题。虽然这与IP网的网络协议有关，但更重要的是与IP网的管理机制有关。从本质上讲，基于分组交换技术的网络其安全强度是相仿的，但大家都承认X.25网安全性要极大的优于IP网，其真正的原因是网络的管理机制而不是协议机制。
    IPv6在安全性方面有周密考虑，IPsec是专门为IPv6设计的。有IPsec的配合，IPv6的安全性大为改善，它已经有能力做到提供用户与用户之间端到端的安全性，从网络提供者来说这是足够了。由于IPv6迟迟没有推广使用，IPsec已经开始用在IPv4的系统中，所以尽管IPsec是伴随IPv6产生的，但从目前来说IPsec已不是IPv6的特色。当然，由于在IPv6中有专用的安全报头，可以方便地建立节点设备之间的信任关系，从这方面来说IPv6在安全性方面还是要比IPv4强。


2 IPv6的发展展望
    IPv6从提出至今已有十余年的历史了，迄今为止IPv6还是没有得到长足的发展。从国际上来说，美国是IP网络大国，IP网的主要技术多出自美国，IP网络的主要设备供应商也主要是在美国，由于发展过程中的历史原因，IP地址(IPv4)的分配极为不均匀，美国拥有绝大部分IP地址，一个运营商可拥有一个A类地址，甚至一个大学也拥有一个A类地址，IPv4地址对美国来说并不紧张，因而，美国的设备制造商并不热衷于开发IPv6产品。而且，从客观上来说，IP网络已经非常庞大，资金投入非常巨大，这个网已经进入大规模商用，这样一个网络要进行改造将非常困难，何况，目前实际上并没有找到从IPv4到IPv6的平稳过渡策略，这些都导致IPv6很难有长足的进步。
    从国内情况出发，IP网络在中国发展已近十年，网络规模也已相当可观，要将一个商用网由IPv4改造为IPv6也是困难的。但是，IPv4地址的严重短缺问题在严重地威胁着应用，特别是严重影响IP网的持续发展，尽管由于采取了一系列技术性措施，眼前IPv4地址相对有所缓解，但是中国的人口基数很大，中国经济增长势头很好，固定通信网规模世界第一，移动网规模世界第一，IP网络的规模也已达世界第二。对于固定通信网和移动通信网，由于号码资源规划得好，号码资源不会影响发展。IP网就不一样了，IPv4地址本来就短缺，因而无论如何也无法满足中国高速发展的网络地址需求。从技术上讲，尽管采用私有地址，采用网络地址转换(NAT)可以解决部分地址问题，大量的实践已表明这不是好办法，临时性措施后患无穷，最好的办法是及时采用IPv6技术。
    当然在中国发展IPv6也并不容易。运营商比较看重眼前利益，一般来说会采用目前技术成熟的产品来组网，以尽快获取利润。设备制造商是盯着运营商的，运营商要什么，他们就生产什么，否则产品就买不出去。目前IPv6商业化前景不明朗，与运营商和设备制造商两者之间结成的死结有关。对于中国来说，通信主管部门是负有引导国内通信业发展的责任的，他们不直接与短期经济挂钩，因而便于从长远利益来考虑问题，从发展的眼光来指导产业的进步。从发展的眼光看IPv6是势在必行的，IP网的发展是不可阻挡的趋势。


3 IPv6挑战与机遇并存
    中国将会是IPv6的大国，原因在于中国的人口基数大，经济发展迅速，国力日益增强，IP业务需求的基础已经建立。但IP地址缺乏已严重制约了IP应用的进一步发展。实时IP业务已经开始在中国进入商用，实时移动业务、宽带网的需求日益增长。IP网目前正处于一个重要的发展阶段，即从计算机互联网领域进入电信领域，业界期望将全部电信业务综合到IP网上。但能够综合电信业务的IP网将不会是因特网的简单复制品，不是仅将网络节点设备作一些冗余备份来增加网络的可靠性可以解决的，IP网必须有革命性的变化。IP技术一旦全面进入电信领域，首当其冲的问题将是地址问题，IP网是必须能够持续发展的，IPv4无法持续发展，所以必须使用IPv6。
    宽带接入在中国的发展势头很猛。宽带业务与窄带业务有很大区别，宽带业务一般是以对称和实时方式工作的，典型的宽带业务是可视电话、视讯会议、信息点播等，业务的对称性决定了宽带用户必须是永远在线的，为此用户必须至少有一个固定的IP地址。此外，无线数据业务的迅速发展和快速增长，同样提出对IP地址的巨大需求。目前采用的技术是网络地址转换技术，利用端口复用技术或使用私有IP地址来扩大公开IP地址的使用率，这是一种不得已而为之的技术，存在的弊病很多，问题很大。
    目前，中国已经启动了下一代网络的研究，并专门设立了中国下一代因特网(CNGI)项目。CNGI项目的启动，对于中国发展IPv6来说是一个很好的契机，CNGI项目的目标之一是期望通过示范网来引导国内信息产业的发展，CNGI不直接与短期的经济利益挂钩，而是从国家的长远的利益出发来考虑问题，从发展的眼光来指导信息产业的发展。目前IPv6技术还不成熟，IPv6设备的性能还不及IPv4设备的性能，仅靠IPv6还解决不了IP网的商业模型问题、安全问题和服务质量问题。用什么技术路线去实现CNGI的目标，目前还不明朗，CNGI项目将会面临巨大的挑战，但CNGI项目拥有巨大的创新机遇，可以说IPv6机遇与挑战并存。