浅析IPv6的发展和完善

摘要：阐述了IPv6是互联网向未来网络演进的必然选择，分析了IPv6在部署过程以及未来发展面临的挑战，指出了IPv6在部署后仍需在多个方面进行的技术演进和相关进展，以及IPv6与未来网络的关系。

1 引言

IPv6设计于20世纪90年代，当时的IP地址短缺问题被认为是互联网面临的主要挑战，IPv6协议也广泛地被认为是下一代互联网协议，IPv4 NAT等地址共享技术只是在IPv6正式推出之前扮演临时的过渡角色。然而随着互联网应用场景的变化，互联网的现有体系架构弊端凸现，体现在网络安全、服务质量、扩展性以及商业模式等多方面。人们开始考虑发展未来互联网技术，设计全新的体系架构来彻底解决互联网现有的问题。这使得IPv6处于一个两面夹击的尴尬地位，即目前广泛使用的IPv4 NAT等地址共享技术似乎使得地址短缺问题显得不那么迫切，而将来可能登场的未来互联网技术并没有将IPv6作为其必备部分。在向未来网络演进过程中，IPv6是否是必经阶段？IPv6的部署还存在哪些问题，该如何在发展中完善？IPv6与未来网络的关系又如何？这些构成了目前互联网各界对IPv6的主要疑问，也是本文主要讨论的内容。

2 互联网技术的演进目标

互联网在应用场景向以社会化应用的转变过程中，现有体系架构的弊端日渐凸现，导致网络在地址空间、路由扩展性、安全性、服务质量（QoS）、移动性以及管理等方面暴露了大量问题。随着移动互联网、物联网、云计算以及星际互联等应用的发展，将对现有互联网提出更高的要求，对现有体系架构带来更大的挑战。

为应对互联网面临的诸多挑战，发达国家和国际组织都启动了对下一代互联网演进技术的研究。相比目前使用的互联网，下一代互联网将呈现出一系列新的特征：丰富的地址资源、安全可信、资源可知、网络可控可管、网络可运营和可扩展、具备大规模组网的能力、提供完全满足要求的服务质量、合理的商业模式、泛在移动以及绿色节能等，这些特点和需求构成了互联网技术的演进目标。

3 IPv6是现阶段互联网演进的必然选择

目前，地址短缺问题越来越突出和迫切。IPv4地址中，84%已被分配或预留，剩余地址中一部分已被非法使用。按照目前的速度，IANA地址池将在2010年底分光，RIR地址池将于2011年底分光。我国目前IPv4地址总量和人均占有率依然偏少，与发展需求极不相称，随着互联网的进一步发展和普及，尤其是移动互联网、物联网、家庭网络、IPTV、手机电视等应用的发展，我国未来5年IP地址需求量将达到345亿，是现在全部IPv4地址空间的8倍。地址资源枯竭的问题严重地制约了我国及其他国家互联网的应用和发展，已经到了不得不解决的地步。

为了缓解地址短缺问题，目前出现了一些地址复用和优化管理技术，但不能根本解决问题。大量地址复用技术的使用将更快地恶化全球互联网的运行和发展环境，使网络的复杂性加速增加，导致业务创新、部署和运营成本不断攀升，同时也给溯源等安全问题带来新的挑战。

相比这些短期的解决方案，IPv6具有几乎无限的地址空间，可以保证IP网络端到端的透明性，简化网络结构，同时也是全球惟一发展的较成熟、可供产业界规模部署应用的技术。因此，IPv6的部署是现阶段互联网演进的最好选择，也是必然选择。

4 IPv6和IPv4的共存阶段

鉴于IPv4已经具有巨大的网络、终端和应用市场，而IPv6与IPv4互不兼容的事实，IPv4与IPv6的共存、发展和平滑过渡必将是一个代价不菲、复杂而长期的过程。与IPv4的共存、互通也是当前部署IPv6面临的主要问题。

IETF近十年来一直十分重视IPv4与IPv6网络共存和互通技术方案的研究，目前已形成3大类网络过渡机制，分别是双栈机制、隧道机制和翻译机制。这3种机制都存在着局限性，各有自己的使用范围。双栈机制只能解决IPv4网络与IPv6网络共存问题，适用于地址消耗不大的核心网和城域网，或在终端小范围应用；隧道机制在部署时存在“N平方问题”，扩展性较差，不适合全网部署，只适用于少数同协议类型网络之间的互联。翻译机制是解决IPv4网络与IPv6网络互通问题的惟一途径，但是由于受到性能等方面的影响，翻译机制通常在网络边缘使用，如城域网或者用户终端。但是城域网翻译机制的具体技术尚未成熟，目前可用的翻译机制基本上是基于终端的翻译。因此，目前还没有一种机制能够完全解决IPv4与IPv6的共存与互通问题，各国在部署IPv6时，一般根据技术成熟度和网络实际情况，考虑多种机制的综合应用。

5 IPv6部署后的发展阶段

IPv6目前主要解决了互联网发展中的地址短缺问题，而在路由扩展、安全可信、服务质量保证等其他方面相比IPv4却没有实质性的改善。IPv6路由协议相对IPv4只有很小的变化，只是在原有协议上做了简单扩展(如ISISv6，BGP4+)，或者在原有协议基础上发展了新版本(如RIPng，OSPFv3)；安全方面，IPv6将IPSec集成到协议内部，增加了使用的便捷性，但IPSec作为扩展协议在IPv4网络已经得到应用；IPv6在服务质量上的改进主要体现在新增的20bit的标记字段和扩展的8bit的流量类型字段，但标记字段的使用方法仍在探讨之中，流量字段的使用则和IPv4类似。IPv6的这些改善并不足以解决目前互联网面临的其他关键问题，因此IPv6在部署后的未来几年，一方面要解决IPv6网络与IPv4网络的融合问题，另一方面还需要继续针对互联网的安全、扩展、性能等问题进行技术上的修补和完善，这将是一个长期的过程。

[FS:Page] 在这个长期的演进过程中，IPv6完全可以使用现有基于IPv4的诸多改良方案和机制办法，并需要在多个技术领域取得突破：

（1）路由扩展性方面。IPv6需要全新的路由扩展机制来满足未来各种应用的需求。目前，IRTF（Internet Research Task Force，因特网研究任务组）将路由扩展性问题定为最高级别问题，并成立专门的RRG（Routing Research Group，路由研究组）研究组展开对路由寻址新架构的相关研究，目前已经出现了ID/Locator（身份地址分离）和Map/Encaps（映射封装）两种主要思路。

（2）安全方面。IPv6需要全新的安全策略，除了保证达到现有IPv4网络安全程度外，还能克服部署IPv6后引发的新的安全问题。目前，IETF的IPSecME（IP Security Maintenance and Extensions，IP安全维护和扩展）小组已经开始了对IPSec协议的完善和扩展工作。

（3）网络命名方面。IPv6还可能出现新的命名和地址解析系统，通过发展分布式DNS系统来解决根服务器问题，提供有效的、可扩展的、可靠的全球名字服务。目前，IETF的DNSEXT（DNS Extensions ，DNS扩展）小组正在研究DNS协议的扩展问题，旨在扩展和改善传统DNS服务体系。

（4）网络管理技术、泛在移动等方面。IPv都完全可能涌现出全新的策略机制。

为了满足未来应用的需要，IPv6还需要呈现出新的技术特性。以物联网为例，IPv6要支撑物联网应用，至少还需要以下几点技术突破：

首先，物联网的组成部件无线传感器通常要求低功耗，而且ROM的存储容量有限，计算能力弱，因此需要对IPv6协议栈进行精简以满足无线传感器的需求。目前，有多个标准组织在进行相关研究，IPSO联盟于2008年10月发布了一款最小的IPv6协议栈uIPv6。IETF 6Lowpan工作组也正在制定IPv6 over IEEE802.15.4标准，在网络层与MAC层之间引入适配层，完成包头的压缩、分片与重组等工作。其次，要满足低功耗、弱计算能力和有损耗的网络环境下网络自组织需求，需要对IPv6路由机制进行改进，目前IETF Roll工作组正在制定相关技术标准；基于IEEE802.15.4网络芯片也有待进一步开发来支持IPv6协议栈。

IPv6在部署后的几年，将会经历一个技术演进阶段，那时的IPv6除了最核心的地址机制外，其他的各个方面也会呈现出全新的特性。因此，即使我国在现阶段IPv6技术研究和标准化起步较晚、积累较少，但在部署IPv6后，仍然有机会在未成熟的研究领域产生自主创新的成果，同时谋求成为国际标准。

6 IPv6与未来网络

目前，未来网络的研究存在多个方向和热点（如虚拟化网络、节能网络、自动网络、高性能网络、安全可信网络、长距低耗网络、高带宽长延时网络等），针对这些重要方向，各国都在积极制定政策，并投入大量的资金开展研究，力求在下一代互联网的研究方面取得先机，其中比较典型的研究项目有美国的PlantLab，欧盟的FP7/4WARD，日本的AKARI以及我国自主研究的PTDN等。

PlanetLab是一个针对未来互联网技术和服务进行研究、试验的开放式、全球性试验床平台，于2002年开始建设。截止到2009年1月，其平台已经有474个站点，总计950个节点，分布在40多个国家和地区。2010年2月10日发布了基于分片的设施架构，定义了交互的接口和数据类型；4WARD是欧盟第七框架计划FP7在网络技术领域的代表性的子项目，于2008年1月启动，采取了“两条腿走路”策略：一方面通过创新，对现有的单个网络架构进行改造，克服其不足，提高其性能。另一方面，研究一种总体网络框架，用于实现各种不同网络架构的协作运行，从而走出目前互联网不停地进行修补的窘境；AKARI是日本NICT（National Institute of Information and Communications Technology）2006年启动的新一代网络研究项目，其目标是在2015年前研究出一个全新的网络构架，并完成基于此网络架构的新一代网络的设计。AKARI计划2010年前完成体系架构图的设计，并在过去的4年中研究了大量现有的技术方案；PTDN（Public Telecommunications Data Network）是工业和信息化部电信研究院于2003年提出的具有自主知识产权的一种未来包交换网络体系架构。目前，遵照该体系架构的核心路由设备、边缘路由设备、地址映射系统以及地址翻译系统的研发已经完成，并实现了多厂商互联互通。PTDN标准已经提交国际电联，为ITU SG13工作组全面采纳，在NGN框架体系中被明确作为FPBN（Future Packet Based Network）的候选方案。目前已经完成3个代表性的国际标准（ITU-T Y.2601，Y.2611和Y.2612）。

目前开展的这些研究项目都有各自的侧重点，例如PlantLab的主要特点是P2P分布式重叠网络；4WARD偏向于虚拟网络技术；AKARI和PTDN都主张采用层次化思想设计全新的网络体系架构。由于未来网络技术均处于研究和试验初期，距离大规模的使用和公众普遍接受还有相当长的时间，随着技术的不断发展和成熟，未来肯定还会有碰撞和磨合。

从技术结构看，未来网络的各个技术路线都没有把IPv6作为技术框架的必备部分，但不能就此说二者是矛盾的。一方面，未来网络虽然尚未成熟，但其对于IPv6的技术演进将会有积极的影响，其部分研究成果甚至可以直接在现有网络的改造中发挥指导作用。另一方面，IPv6的发展演进，对于如何建立全新的体系架构、提高创新效率、防止走弯路也具有重要的借鉴意义。二者是对立统一的关系。

&nb[FS:Page]sp; 如果产业化和技术演进得以顺利进行，当未来网络开始应用时，IPv6的网络和用户数已经具有相当规模，IPv6的相关业务也已经广泛展开。这种情况下，未来网络必然要兼容IPv6网络，IPv6技术作为未来网络的一个重要部分，仍然会有很长的生存期，现阶段对于IPv6的投入并不会浪费。