IPv6：地址资源丰富，支持差分QoS服务和IP移动性

1.IPv6的产生

IPv4标准在20世纪70年代制定完成，当时标准的设计原本只是将其用于不同计算机互连的目的，并未料到IP网络会达到今天的发展速度与规模，更没有料到它能与通信技术融合并成为信息通信的主要部分。互联网上主机数量的快速增长给IPv4带来了很多问题，如IP地址资源越来越紧张，严重不足；路由表越来越庞大，路由速度越来越慢；难以管理及扩展等。为了解决日趋紧张的地址资源问题，研究出了许多方法，如缓解地址紧张的网络地址转换（NAT）技术，改善路由性能的无类域间路由选择（CIDR）技术等。但这些都是暂时的解决方案，并未从根本上解决地址短缺并即将耗尽的问题。

在互联网早期，网络使用者主要为高等院校、研究机构与政府部门等。随着互联网广泛深入地发展，越来越多用户加入到互联网中，目前地球上有十多亿人已拥有无线便携设备，与各种网络保持连接，使每台设备都成为互联网中的一个终端或结点。不久，也许世界上每台电视机都会成为互联网的终端设备，从而导致上亿台机器的应用视频互动。最新的物联网的诞生与应用发展，可能使类似于家庭的洗衣机、电冰箱或微波炉等设备都会接入互联网。因此，强烈需要未来网络系统能容纳如此庞大的网络接入容量，并支持即插即用、实时通信、低功耗和易于管理等功能。

总之，IPv4与互联网发展产生了很大的不适应，主要表现在以下几个方面：

（1）地址空间不足

IPv4的32位编址方案，地址分类包括A、B、C、D与E类。所容纳地址数为A类地址数：2³¹=2147283648；B类地址数：2³⁰=1073741824；C类地址数：2²⁹=536870912；D类地址数：2²⁸=268435456；E类地址数：2²⁸=268435456。IPv4总量最多可提供约40亿个地址。虽数量很多，但根据IPv4地址编址规则，其地址由网络标识与主机标识两部分构成。由于地址分配的不科学与不合实际，造成大量地址分配浪费和需求不能满足的矛盾。

为了解决这个问题，TCP/IP协议采用包括“动态主机配置协议（DHCP）”等多种地址分配技术，但并未从根本上解决地址短缺问题，特别是物联网应用发展，对IP地址需求非常巨大。

（2）路由表难以管理

网络中数据包的路径寻找主要依赖于路由表，随着网络数量的增加，路由器的路由表也在不断扩大，这大大影响了数据传输的速率和网络效率。虽然采用了“无类域间路由（CIDR）”技术，但即使这样，对于主干网路由器而言，路由表也会变得越来越大，难以有效管理。

（3）地址缺少助记性

IPv4地址是一种平面地址，无层次结构，也无地址归属的含义。因此这样一个地址很难确定它属于哪个国家、哪个地区或哪个机构，即现有网络难以从地址结构中实现归属定位。目前实现这一需求的解决方案多采用建立IP地址与地理位置相对照的数据库，通过查询数据库获得该地址的地理位置。但同样为平面地址结构，在其他网络中，地址中却包含着地理位置信息或其他信息，如X.25网络地址中的国家信息，MAC地址结构中的厂商信息等。若能在IP地址中增加此类信息，将大大方便互联网的管理和应用。(www.xing528.com)

（4）其他缺陷与不足

除上述问题外，IPv4在对移动设备支持、对网络安全问题、对音频视频数据实时传输的抖动与时延敏感问题等方面都存在缺陷与不足。这些问题的存在都要求对现有TCP/IP协议进行改进或重新定义。IEEE互联网工程任务组（IETF）研究了下一代互联网络，并发布了“下一代IP协议建议”和“Internet协议版本6-IPv6”，成为了新一代IP网络的正式标准。

对于IPv6协议，设计者及用户有如下的需求：地址空间无限大且不会用尽；减小路由表的长度；简化协议使路由器处理分组速度更快；提供更好的IP层安全；增加对服务质量的支持；支持实时通信；通过定义范围来实现多点播送；支持即插即用；主机可不改变地址即能实现网络漫游；协议具有良好的可扩展性；允许新旧协议共存一段时期等。

为了符合这些需求，IETF研发了新一代IP协议标准。有三个提议通过讨论和修改，成为增强的简单互联网协议SIPP（Simple Internet Protocol Plus）。SIPP采用64位IP地址，在高性能网络（如ATM）和低带宽网络（如无线网络）中均能良好运行。

2.IPv6的优势

IPv6优势表现在海量地址资源、QoS保证、为用户提供端到端的安全及支持移动性方面。

1）IPv6地址长度128bit，拥有巨量的地址资源。IPv6能提供3.4×10³⁸个地址，最低估计，在每平方米的地球表面上提供约140个地址，尽管不可能100%分配，依然是海量地址。人类实际需求很难将这样大的地址空间消耗掉。从技术角度讲，也并非地址空间越大越好，地址越长信息处理越复杂，传输效率也就越低。

2）IPv4虽考虑了QoS问题，其TOS字段就是用于区分服务类型，以此提供不同服务的。但目前IP网络基本没有使用该字段，当前的IP网络依然是一个“尽力而为”的网络。IPv6在报头中保留了类似的TOS域，也称为传输级别域，以继续为IP提供差分QoS服务。同时新增了20bit的流标记域，为源宿端快速处理实时业务提供了可能，但因管理较困难而“搁浅”。

3）通过网络层认证与加密，为用户提供端到端的安全。IPv6中集成IPSec（Internet Protocol Security），其意义主要在于业务中使用IPSec的便利性，使用户在部署IPv6网的同时也完成了部署基于IPSec的体系。

4）移动IPv6是其标准的特征之一，充分利用IPv6技术本身特点，能更好实现IP的移动性。相对于移动IPv4，移动IPv6中通过邻居发现自动配置等技术可直接实现外地网络的发现及转交地址的获得，而不必依赖于外地代理。同时利用路由扩展头及新增的归属地址等选项优化报文路径，减少迂回路由及减少源地址过滤等问题，并使移动结点应用层对转交地址透明处理，实现无缝移动。