ipv6網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)及其管理機(jī)制

ipv6網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)及其管理機(jī)制

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，當(dāng)前的ipvd網(wǎng)絡(luò)面臨著一些問(wèn)題，即ip地址耗盡，以及依賴于路由器的效率低下，這與當(dāng)前ipvm的地址機(jī)制和管理密切相關(guān)。在IPv4的地址結(jié)構(gòu)體系中,一方面它的地址長(zhǎng)度不夠長(zhǎng),用二進(jìn)制表示只有32位,約40億個(gè)IP地址,地址資源有限;另一方面對(duì)IP地址采用分類管理的方法,分為A、B、C、D和E五類,將其一半的IPv4網(wǎng)絡(luò)地址分配給126個(gè)A類網(wǎng)絡(luò),每個(gè)A類網(wǎng)絡(luò)都能擁有1677萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn),而許多申請(qǐng)到A類網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)根本就沒(méi)有那么多節(jié)點(diǎn),造成IP地址資源的巨大浪費(fèi);類似情況也存在于B和C類網(wǎng)絡(luò)中。盡管在IPv4中采用各種方法,如采用CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)和NAT(NetworkAddressTranslation)等措施來(lái)延緩地址的枯竭,但不能從根本上解決IP地址枯竭的問(wèn)題;同時(shí)面向用戶的地址分配方案,使得骨干線路中的路由表過(guò)度膨脹,造成路由效率低下。為了解決這些問(wèn)題,充分滿足市場(chǎng)和商業(yè)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的各種需求,IETF(InternetEngineeringTaskForce)開(kāi)始制定下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,即IPv6協(xié)議。IPv6作為新一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心,它采用全新的地址分配方案和管理機(jī)制,不僅可有效地解決現(xiàn)行IPv4的地址資源匱乏的問(wèn)題,提高路由效率,而且在安全性、可移動(dòng)性、服務(wù)質(zhì)量(QoS)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理和維護(hù)等方面都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。本文首先從網(wǎng)絡(luò)地址結(jié)構(gòu)來(lái)介紹IPv6,并與IPv4相比較,闡述IPv6地址結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),然后分析其地址管理機(jī)制的特點(diǎn)、過(guò)程和性能,并通過(guò)仿真進(jìn)一步說(shuō)明。一、ipv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題IPv6的地址結(jié)構(gòu)是IPv6協(xié)議最主要的內(nèi)容之一,也是IPv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵問(wèn)題,包含了IPv6地址的表示方法和類型等方面的內(nèi)容。1.ipv6地址的分配IPv6的地址長(zhǎng)度用二進(jìn)制表示為128位,為現(xiàn)行IPv4的4倍。從理論上講IPv6有2128(即約為3.4×1038)個(gè)IP地址,比現(xiàn)行的IPv4的IP地址個(gè)數(shù)增加了296(約為8.5×1028)倍,因此與IPv4相比,IPv6地址資源就顯得極其豐富,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)可充分地滿足市場(chǎng)對(duì)IP地址的需求,也為最終實(shí)現(xiàn)IPv6的設(shè)計(jì)目標(biāo)——在本世紀(jì)內(nèi)仍使高性能大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)保持旺盛的生命力奠定了牢固的地址資源基礎(chǔ)。IPv6地址空間的初始分配如表1所示,由此表可知,絕大多部分IPv6地址(約為85%)目前還沒(méi)有分配,地址余量較大。在IPv6地址空間分配中有幾種較特殊地址:(1)未指定地址∶∶(128位全為0);(2)回送地址∶∶1;(3)內(nèi)嵌IPv4地址的IPv6地址,有2種,一種為IPv4兼容的IPv6地址,表示為∶∶IPv4地址;另一種為IPv4映射IPv6地址,表示為∶∶FFFF∶IPv4地址。從表1可看出,IPv6對(duì)IPv4的地址分配方法進(jìn)行了較大改進(jìn),一方面對(duì)原有屬于不同操作系統(tǒng)的IP地址類型進(jìn)行了一些保留和擴(kuò)展,如IPX和NASP類型地址;另一方面又提出了一些新的分類標(biāo)準(zhǔn),按聚類的方式進(jìn)行分類,如:將單播地址分為可聚集的全局單播地址、保留基于地理區(qū)域單播地址、鏈路本地地址和站點(diǎn)本地地址等,其中新增了保留基于地理區(qū)域單播地址和鏈路本地地址,保留基于地理區(qū)域單播地址便于以大陸為基礎(chǔ)進(jìn)行IP地址聚集,而鏈路本地地址為IPv6地址無(wú)態(tài)自動(dòng)配置所需的;同時(shí)將原IPv4中A、B和C類的Intranet網(wǎng)址并作為站點(diǎn)本地地址,使用該類地址不需任何注冊(cè),為企業(yè)組建內(nèi)部網(wǎng)提供便利。為了表示和書(shū)寫(xiě)方便起見(jiàn),在RFC2373中規(guī)定了IPv6數(shù)字地址的表示方法。一般推薦把IPv6地址的128位寫(xiě)成8個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù),每個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)占16位,用4個(gè)十六進(jìn)制表示,無(wú)符號(hào)整數(shù)之間用冒號(hào)(∶)分開(kāi),如:FFDC∶BA98∶7654∶3254∶9765∶FC01∶4635∶3853,這與IPv4的地址表示方法截然不同,主要有:(1)IPv4地址長(zhǎng)度為32位,寫(xiě)成4個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù),每個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)占8位,而IPv6地址長(zhǎng)度為128位,寫(xiě)成8個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù),每個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)占16位;(2)對(duì)每個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù),IPv6采用十六進(jìn)制,而IPv4為十進(jìn)制;(3)相鄰無(wú)符號(hào)整數(shù)之間分隔符號(hào)也不相同,IPv6用冒號(hào)(∶)分開(kāi),而IPv4用點(diǎn)(.)分開(kāi)。對(duì)于一些特殊的IPv6地址可采用一種簡(jiǎn)化的緊湊格式來(lái)表示:(1)沒(méi)有必要書(shū)寫(xiě)每一組數(shù)值前面的0,例如用0表示0000,用1表示0001,用20表示0020,用300表示0300;(2)可用符號(hào)∶∶代表一系列的0進(jìn)行更進(jìn)一步的簡(jiǎn)化,但該簡(jiǎn)化對(duì)每個(gè)IPv6地址只能使用一次;(3)前綴表達(dá)法為在一個(gè)常規(guī)的IPv6地址后跟一個(gè)斜杠和一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)字,如:FFDC∶BA98∶7654∶3254∶9765∶FC01∶4635∶3853/64,64就表示了該IP地址前綴的二進(jìn)制位數(shù),即FFDC∶BA98∶7654∶3254;這也是IPv4地址中所沒(méi)有的。2.ipv6單播地址的分配目前在IPv6的地址結(jié)構(gòu)中IP地址分為3種類型:單播地址(unicastaddress)、多播地址(multicastaddress)和任播地址(anycastaddress)。與IPv4相比,首先,IPv6新增了一種地址類型,即任播地址。所謂任播地址就是一組接口的地址,典型的情況下,它們屬于不同的節(jié)點(diǎn),發(fā)送給任播地址的信息包只會(huì)發(fā)送到這組地址中的一個(gè),通常是路由距離最近的地址。任播地址沒(méi)有獨(dú)立的地址空間,只是分配給多個(gè)接口的單播地址。當(dāng)把它分配給一個(gè)接口的時(shí)候,必須進(jìn)行明確的設(shè)置以表明該接口地址為任播地址,這一信息在分配時(shí)常由一個(gè)限定詞來(lái)指定。任播地址的使用還受到如下兩條的限制:(1)任播地址不能作為IPv6信息包的發(fā)送地址;(2)任播地址不能分配IPv6主機(jī),一般只能分配給IPv6路由器。其次,IPv6用多播地址取代了IPv4中的廣播地址(broadcastaddress),并且擴(kuò)展了多播地址的空間,使之能跨子網(wǎng)互聯(lián)。第三,對(duì)IPv6的單播地址采用分層編碼,使得單播地址具有路由聚類性,特別是可聚集的全局單播地址,它是采用基于Internet服務(wù)提供商的分層方案,如圖1所示,這種分層地址雖然可能降低地址的使用效率,但使得IPv6地址具有全局聚類性,有助于骨干線上的路由器能有效地進(jìn)行路由選擇。IPv6的網(wǎng)絡(luò)地址是面向網(wǎng)絡(luò)接口的,而不象IPv4那樣是面向節(jié)點(diǎn);一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址可用與它相接的任一接口的單播地址來(lái)標(biāo)識(shí)。一個(gè)IPv6的單播地址只能分配給一個(gè)單一的接口,一個(gè)單一的接口可分配到多個(gè)相同類型或不同類型的IPv6地址,這樣可充分保證用戶有選擇不同Internet服務(wù)提供商和進(jìn)行多種方式的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的自由和權(quán)利,同時(shí)也有利于用戶節(jié)點(diǎn)在選擇不同Internet服務(wù)提供商時(shí)能實(shí)現(xiàn)平滑切換,但有兩個(gè)例外:(1)一個(gè)單一的IPv6地址可分配給屬于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的一組接口;(2)路由器可以具有無(wú)編號(hào)的接口,即沒(méi)有任何地址。這種IPv6地址類型的安排既能保證點(diǎn)到點(diǎn)的通信,如節(jié)點(diǎn)采用可聚集的全局單播地址,與其它節(jié)點(diǎn)和中間設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián);又能保證單點(diǎn)到多點(diǎn)的通信,如節(jié)點(diǎn)可采用多播地址,適應(yīng)多媒體通信發(fā)展的需要,如視頻點(diǎn)播、視頻網(wǎng)絡(luò)會(huì)議等。用多播地址代替廣播地址既減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,提高信息的安全性,又保證了較高的傳輸效率。二、地址管理的影響如前所述,與IPv4相比,IPv6在地址結(jié)構(gòu)上具有明顯的不同,這必然影響到相應(yīng)的地址管理,包括路由選擇、地址解析和地址配置等,這些管理機(jī)制主要定義在IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)(NeighborDiscovery)協(xié)議和控制消息協(xié)議(ICMPv6)中。1.ipv6的路由特性IPv6地址資源的擴(kuò)大必然增加路由選擇的困難,而路由選擇問(wèn)題屬于OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)層的核心問(wèn)題,基本作用是在網(wǎng)絡(luò)中為分組報(bào)文選擇一條或一組適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)路徑。在IPv6的分組報(bào)頭中定義了源地址和目的地址2個(gè)域,如圖2所示;一般情況下,路由器就根據(jù)IPv6分組報(bào)頭所提供的這2個(gè)IP地址和所采用的路由協(xié)議進(jìn)行路由接受、調(diào)度、查尋、計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)。由于IPv6地址具有聚類性,因此IPv6所采用的路由協(xié)議必須支持這一特性。原IPv4中支持CIDR尋址的路由協(xié)議,包括域內(nèi)路由協(xié)議(如RIP和OSPF等)和域間路由協(xié)議(如IDRP和BGP-4等)等,均要經(jīng)過(guò)一定的修改,以支持IPv6的地址機(jī)制,如RIPng、OSPFv6或IDRPv2等;利用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議,以ICMPv6信息性消息報(bào)文格式定期或按需發(fā)送和接收路由器請(qǐng)求消息和路由器宣告消息,從而進(jìn)行路由表的建立、維護(hù)和更新,對(duì)鄰居路由器進(jìn)行定位。另外,在IPv6中也支持人工指定路由,在其擴(kuò)展報(bào)頭中有一個(gè)路由報(bào)頭(routingheader),用來(lái)指定分組報(bào)文到達(dá)目的地址前必須經(jīng)過(guò)的中間路由器。圖2IPv6的報(bào)頭格式2.icmpv6評(píng)分格式在IPv4中網(wǎng)絡(luò)地址解析主要采用ARP(AddressResolutionProtocol)或RARP(ReverseARP)協(xié)議來(lái)完成,進(jìn)行IP地址和MAC地址之間的映射和轉(zhuǎn)發(fā)。而在IPv6中是通過(guò)鄰居發(fā)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)地址解析和路由器發(fā)現(xiàn)的功能。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議集成了原IPv4中的ARP、RDISCP(RouterDISCoveryProtocol)和ICMP重定向消息(redirectionmessage)等,以ICMPv6分組格式進(jìn)行消息廣播和確認(rèn),包括路由器請(qǐng)求和路由器宣告、鄰居請(qǐng)求、鄰居發(fā)現(xiàn)和鄰居宣告消息以及重定向消息。其中鄰居請(qǐng)求、鄰居確認(rèn)和鄰居宣告消息就是用來(lái)進(jìn)行地址解析和防止地址沖突的,源節(jié)點(diǎn)發(fā)送鄰居請(qǐng)求消息以獲得相鄰節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址,同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)可將本地的鏈路層地址傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn);源節(jié)點(diǎn)也可通過(guò)廣播鄰居確認(rèn)消息來(lái)完成地址解析操作,該消息發(fā)送到特定的目標(biāo)多播地址,要求返回目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址;目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到鄰居請(qǐng)求消息或鄰居確認(rèn)消息后,在其單播鄰居宣告消息中響應(yīng)鏈路層地址,而源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的鄰居宣告消息可作為對(duì)鄰居確認(rèn)消息的響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也可以發(fā)送非鄰居確認(rèn)的宣告消息,說(shuō)明鏈路層的變化。鄰居請(qǐng)求、鄰居確認(rèn)和鄰居宣告的消息格式如圖3所示。圖3鄰居請(qǐng)求、確認(rèn)和宣告消息的格式3.ipv6地址新處理在IPv6中網(wǎng)絡(luò)地址既可以是手工配置,也可以是自動(dòng)配置。當(dāng)采用地址自動(dòng)配置時(shí)又分為無(wú)態(tài)和有態(tài)2種類型,有態(tài)地址自動(dòng)配置可采用DHCPv6(IPv6的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)協(xié)議,DHCPv6仍采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式來(lái)構(gòu)造,在局部網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)對(duì)單播IP地址進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配和管理,但與原DHCPv4相比進(jìn)行了多方面的改進(jìn),如重新定義了DHCP消息名稱與類型,新增了重新配置類和中繼類消息,刪除了應(yīng)答消息DHCPACK和DHCPNAK,并統(tǒng)一和簡(jiǎn)化了消息的報(bào)頭,以支持IPv6地址結(jié)構(gòu)和管理機(jī)制的新特點(diǎn)。而無(wú)態(tài)自動(dòng)配置服務(wù)是IPv6新增的,對(duì)移動(dòng)主機(jī)來(lái)說(shuō)非常重要,其過(guò)程如圖4所示。當(dāng)主機(jī)從一個(gè)子網(wǎng)移到另一個(gè)子網(wǎng)時(shí),IPv6通過(guò)地址發(fā)現(xiàn)機(jī)制來(lái)主動(dòng)地給移動(dòng)主機(jī)配置一個(gè)由以太網(wǎng)卡地址和當(dāng)前有效的網(wǎng)絡(luò)前綴所組成的“本地IP地址”,實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信。三、多媒體流網(wǎng)融合對(duì)qos路由選擇的探索這種新的IP地址結(jié)構(gòu)有力地支持IPv6能采用新的管理機(jī)制,或在原有的地址管理上進(jìn)行改進(jìn),從而形成了IPv6自己的一套管理機(jī)制,與IPv4的相比較具有如下新的特點(diǎn):(1)支持QoS(qualityofservice)業(yè)務(wù),提高網(wǎng)絡(luò)性能首先從路由選擇上看,從現(xiàn)行的IPv4過(guò)渡到IPv6,地址資源的驟然擴(kuò)大,在路由選擇上要解決兩個(gè)基本問(wèn)題:1)路由表的膨脹問(wèn)題。路由表的總負(fù)載從理論上講幾乎與IP地址數(shù)目的階乘的3倍成正比,而IPv6的網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)目比IPv4增加了8.5×1028倍,由此造成了路由表的惡性膨脹,使得主干路由器中的路由表的建立、查找和維護(hù)均很困難,路由效率低下;在IPv6地址設(shè)計(jì)時(shí)就采用結(jié)構(gòu)化分層地址,可利用IP地址的前綴進(jìn)行路由聚類和選擇,簡(jiǎn)化路由表,保證主干路由器和中央路由器中路由表不會(huì)過(guò)度膨脹,提高路由效率。2)QoS路由問(wèn)題。在現(xiàn)行的IPv4Internet路由協(xié)議中只是提供盡力而為的服務(wù),而不能保證服務(wù)質(zhì)量(QoS);但問(wèn)題是隨著視頻會(huì)議/點(diǎn)播、交互式游戲、多媒體播放以及遠(yuǎn)程教學(xué)、醫(yī)療和電子商務(wù)等應(yīng)用的興起,對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和路由選擇的要求更高,如實(shí)時(shí)通信,要求盡量減少信息包在傳送時(shí)的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng),就涉及到QoS路由問(wèn)題,為此IETF提出許多模型和機(jī)制來(lái)滿足對(duì)QoS的需求,如集成服務(wù)IntServ/資源預(yù)留RSVP模型、區(qū)分服務(wù)、多協(xié)議標(biāo)記(MPLS)、流量工程和QoS路由等來(lái)對(duì)具有不同優(yōu)先級(jí)的信息包進(jìn)行資源預(yù)留、分類、調(diào)度和整形,以實(shí)現(xiàn)帶一個(gè)或多個(gè)QoS約束的路由選擇,圖5就是一典型的多媒體通信網(wǎng)絡(luò),可傳輸文字、聲音和圖像等多種信息包,利用OPnet軟件對(duì)其采用FIFO(FirstInFirstOut)和PQ(PriorityQueuing)調(diào)度算法進(jìn)行仿真,橫軸為仿真?zhèn)鬏敃r(shí)間(minute)。仿真結(jié)果表明,電視會(huì)議的信息包通信量(bytes/sec)和時(shí)延(sec)等QoS指標(biāo)PQ法均優(yōu)于FIFO法。為了進(jìn)一步提高路由QoS,還采用如下措施:1)采用PathMTUDiscovery機(jī)制找出路徑的最大分組傳輸單元,主機(jī)按不大于MTU來(lái)分組發(fā)送,在中間路由器中不再進(jìn)行信息包的分段與重組,提高路由器的處理速率,減少信息包傳輸時(shí)延。2)在IPv6中首次引入了任播地址,這可有效地提高路由選擇的效率,防止路由阻塞。其次從IPv6的幀格式上看(見(jiàn)表2):常規(guī)固定報(bào)頭域比IPv4減少了6個(gè),并改進(jìn)了路由選項(xiàng),減少了中間節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間;增設(shè)了流標(biāo)識(shí)(flowlabel)域,針對(duì)不同的業(yè)務(wù)流進(jìn)行標(biāo)識(shí),便于在傳輸過(guò)程中能有效地進(jìn)行排隊(duì)調(diào)度和分配相應(yīng)的資源,充分滿足不同業(yè)務(wù)流的QoS需求;在擴(kuò)展報(bào)頭中,象AH和ESP之類的報(bào)頭具有“端對(duì)端”的功能,它們不需要中間路由器來(lái)處理,而只是由源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)來(lái)處理,減少中間傳輸處理時(shí)間。(2)可實(shí)現(xiàn)地址無(wú)態(tài)自動(dòng)配置,支持移動(dòng)地址管理在IPv6協(xié)議中引入了自動(dòng)配置即“即