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  • IPv6:連接一切

    2018-04-25 14:43:45 北京豐沃教育  點擊量: 評論 (0)
    IPv6的口號是:連接一切。到今天,全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量首次超過了全世界的人口。未來幾年,汽車、電視、數(shù)字機(jī)頂盒、電表、攝像頭、醫(yī)療健康.....

    IPv6的口號是:連接一切。

    到今天,全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量首次超過了全世界的人口。

    未來幾年,汽車、電視、數(shù)字機(jī)頂盒、電表、攝像頭、醫(yī)療健康...等數(shù)十億規(guī)模的設(shè)備將連接網(wǎng)絡(luò)。據(jù)Gartner預(yù)計,到2020年將有超過260億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。

    不幸的是,IPv4早在上個世紀(jì)80年代就開發(fā)出來了,IPv4只有43億個IP地址,而全球人口早已超過60億,每人平均可分配量不到一個,到2020年,隨著設(shè)備連接數(shù)量的增長, IPv4地址空間可以容納的連網(wǎng)設(shè)備不到估值的20%。

    如果互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)要持續(xù)發(fā)展,就必須建立在IPv6基礎(chǔ)之上。

    何為IP

    IP代表了電腦在Internet網(wǎng)絡(luò)上獨一無二的地址,用來與其他節(jié)點 (電腦)相連溝通。

    作用如同門牌號碼一般。IP地址是用來分辨網(wǎng)絡(luò)上的不同電腦,讓我們可以很容易的知道,誰來過這里做了什么事情。

    舉一個日常生活中的例子。

    如上圖所示,住在北大街的住戶要能互相找到對方,必須各自都要有個門牌號,這個門牌號就是各家的地址,門牌號的表示方法為:

    北大街+XX號。假如1號住戶要找6號住戶,過程是這樣的,1號在大街上喊了一聲:”誰是6號,請回答。”,

    這時北大街的住戶都聽到了,但只有6號作了回答,這個喊的過程叫”廣播”,北大街的所有用戶就是他的廣播范圍,假如北大街共有20個用戶,那廣播地址就是:

    北大街 21號。也就是說,北大街的任何一個用戶喊一聲能讓”廣播地址-1”個用戶聽到。

    從這個例中可以抽出下面幾個詞:

    街道地址:北大街,如果給該大街一個地址則用第一個住戶的地址-1,此例為:北大街0號

    住戶的號:如1號、2號等。

    住戶的地址:街道地址+XX號,如北大街 1號、北大街 2號等

    廣播地址:最后一個住戶的地址+1,此例為:北大街21號

    Internet網(wǎng)絡(luò)中,每個上網(wǎng)的計算機(jī)都有一個像上述例子的地址,這個地址就是IP地址,是分配給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的門牌號,為了網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)能夠互相訪問,IP地址=網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址,圖1中的IP地址是192.168.100.1,這個地址中包含了很多含義。如下所示:

    網(wǎng)絡(luò)地址(相當(dāng)于街道地址): 192.168.100.0

    主機(jī)地址(相當(dāng)于各戶的門號): 0.0.0.1

    IP地址(相當(dāng)于住戶地址): 網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址=192.168.100.1

    廣播地址: 192.168.100.255

    IP地址的結(jié)構(gòu)

    IP地址 = 網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址。

    網(wǎng)絡(luò)地址(Network ID)

    網(wǎng)絡(luò)地址位于 IP 地址的前段,可用來識別所屬的網(wǎng)絡(luò)。同一網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備,都會有相同的網(wǎng)絡(luò)地址。IP路由便是依據(jù)IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址,決定要將IP包送至哪的網(wǎng)絡(luò)。

    主機(jī)地址(Host ID)

    主機(jī)地址位于IP的后段,可用來識別網(wǎng)絡(luò)上個別的設(shè)備。同一網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備都會有相同的網(wǎng)絡(luò)地址,而各設(shè)備之間則是以主機(jī)地址來區(qū)別。

    由于各個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小不一,大型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使用較短的網(wǎng)絡(luò)地址,以便能使用較多的主機(jī)地址;反之,較小的網(wǎng)絡(luò)則應(yīng)該使用較長的IP地址。

    為了符合不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需求,IP在設(shè)計時便依據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址的長度,劃分出IP地址等級。

    常見的3種地址等級

    Class A

    網(wǎng)絡(luò)地址長度為8 Bits,最左邊的Bit必須為 0。 Class A 的網(wǎng)絡(luò)地址可從00000000(二進(jìn)位)至 01111111(二進(jìn)位),,總共有 27=128 個。由于Class A 的網(wǎng)絡(luò)地址長度為8 Bits,因此主機(jī)地址長度為 32-8=24Bits,亦即每個Class A 網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址只有2^24=16777216個(一千六百多萬)。

    大部分Class A的IP地址,早已分配給當(dāng)初參與ARPAnet(Internet 的前身)實驗的政府機(jī)關(guān)、學(xué)術(shù)單位、企業(yè)和非營利組織,例如:美國國防部、麻省理工學(xué)院和惠普公司。

    Class B

    網(wǎng)絡(luò)地址的長度為16 Bits,最左邊的 2 Bits必須為10(2進(jìn)制),因此Class B 的 IP 地址必然介于128.0.0.0 與191.255.255.255 之間。每個Class B網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址有 2^16=65536個,通常用來分配給一些大企業(yè)或 ISP使用.

    Class C

    網(wǎng)絡(luò)地址的長度為 24 Bits,最左邊的3 Bits必須為110(2進(jìn)制),因此Class C的IP 地址必然介于 192.0.0.0 與 223.255.255.255之間。每個 Class C網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址只有 2^8=256個,通常用來分配給一些小型企業(yè)。

    IPv4演進(jìn)

    IPv4使用32Bits地址,因此只有 4,294,967,296(232)個地址。不過,一些地址是為特殊用途所保留的,如專用網(wǎng)絡(luò)(約18 百萬個地址)和多播地址(約 270 百萬 個地址)。

    隨著地址不斷被分配,IPv4地址枯竭問題也在隨之產(chǎn)生。

    1981年9月, IETF發(fā)布RFC791,此RFC替換了于1980年1月發(fā)布的RFC 760,以面向之前未曾考慮到的移動終端設(shè)備。

    但是,網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,規(guī)模遠(yuǎn)超設(shè)計當(dāng)初的預(yù)期。1990年代前期,IETF開始檢討以下3個問題:

    ①IPv4的極限

    ②IPv4的延續(xù)策略

    ③設(shè)計新的IP

    IPv4的極限

    •IP地址數(shù)的不足

    •路由表太大

    接續(xù)上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量增加的話路由表也會跟著變大

    因此提出了三種解決辦法:CIDR、NAT和IPv6。

    CIDR

    廢止IP分類方式,讓網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)不再一定是8的倍數(shù),而是可變動的,加入維持路徑表大小的技術(shù),利用路由匯整方式來維持路由表的大小 。

    遭遇困難:匯集的網(wǎng)絡(luò)都必須是集中在附近的,這跟目前實際依組織分配,分布全球的IP規(guī)劃是大不相同的,也使得實際達(dá)成的可能性微乎其微。

    NAT (Network Address Translation)

    只對出入網(wǎng)關(guān)分配真實地址,內(nèi)部的主機(jī)則采用私有地址的方式;以網(wǎng)關(guān)器來做轉(zhuǎn)換。

    遭遇問題:NAT壞點對點的透明性( 無法確認(rèn)真實身份 ),沒有真實地址,無法達(dá)成P2P通信;NAT使得 QoS 、 Security功能及協(xié)定失效;提高網(wǎng)絡(luò)隱藏性的成本等等。

    因此,IPv4的延續(xù)策略盡管暫時緩解IPv4地址緊張,但不是根本解決辦法。

    ▲需要注意的是,地址空間不足并不是IPv6的唯一驅(qū)動力

    于是,開始考量下一代IP協(xié)議,轉(zhuǎn)向IPv6。

    轉(zhuǎn)向IPv6

    地址空間擴(kuò)充

    IPv4的地址長度為32位,地址空間為2的32次方,約42億(世界上平均3個人有2個IP地址)。

    IPv6的地址長度為128位,地址空間為2的128次方,約3.4×10^38個(地球上每一粒沙子都有一個IP地址)。

    IPv6地址表示

    IPv4地址表示二進(jìn)制:10101100 00010000 00000001 00000001 十進(jìn)制:172.16.1.1

    IPv6地址表示十六進(jìn)制 2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff

    IPv6地址與IPv4地址表示方法有所不同,用十六進(jìn)制表示,4位一組,中間用“:”隔開。

    IPv6地址的壓縮表示

    若以零開頭可以省略,連續(xù)全零的組可用“::”表示

    IPv6地址 = 前綴 + 接口標(biāo)識

    前綴:相當(dāng)于IPv4地址中的網(wǎng)絡(luò)ID

    接口標(biāo)識:相當(dāng)于IPv4地址中的主機(jī)ID

    前綴長度用“/xx”來表示

    2001:da8:207::8207/64

    地址前綴部分,或者有固定的值,或者是路由或子網(wǎng)的標(biāo)識。例如:站點本地地址

    IPv6地址分類

    單播地址(Unicast Address)

    如同 IPv4 的Unicast模式,適用在單一節(jié)點對單一節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送。標(biāo)識一個接口,目的地址為單播地址的報文會被送到被標(biāo)識的接口。

    這種類型的IPv6地址可區(qū)分為Global、Site-Local、Link-Local和IPv4-Compatible 4種型態(tài)。

    ①Global 地址:

    前3 bits為首碼,內(nèi)容固定是001,最后的64 bits 為接口標(biāo)識(Interface ID)。Interface ID的功能如同 IPv4 的主機(jī)地址(Host ID)。

    ②Site-Local 地址:

    前10 bits 為首碼,內(nèi)容固定為1111111011,間隔38 bits的0之后,接著16 bits 的子網(wǎng)地址(Subnet ID),最后才是 64 bits 的接口標(biāo)識。

    ③Link-Local 地址:

    也是用前10 bits為首碼,內(nèi)容固定為1111111010,接著是連續(xù)54 bits的0,最后的64 bits也是接口標(biāo)識。

    ④IPv4-Compatible 地址: 沒有所謂的首碼與接口標(biāo)識,只有原本32 bits的IPv4地址前面,加上96 bits的 0。

    組播地址(Multicast Address)

    IPv6 的組播整合了IPv4的Multicast及廣播傳送 (Broadcast),適用于單一節(jié)點對多節(jié)點的傳送。標(biāo)識多個接口,目的地址為組播地址的報文會被送到被標(biāo)識的所有接口。

    這種類型的 IPv6 地址用前8 bits為首碼,內(nèi)容固定為11111111,最后112 bits為Group ID。

    任播地址(Anycast Address)

    Anycast是IPv6地址新增的類型。它的特殊之處在于:一個Anycast地址可以被多個節(jié)點使用,但是傳送給此地址的報文,并非真的將它送到這些節(jié)點來,而僅僅是送給距離最近或成本最低(根據(jù)路由表來判斷)的一個節(jié)點。

    以目前的應(yīng)用為例,Anycast地址只能分配給路由器,不能分配給電腦使用,而且不能作為發(fā)送端的地址。這種IPv6地址的首碼長度不固定,首碼以外的位元都是0。

    IPv6與IPv4的并存和轉(zhuǎn)換

    IPv6的實現(xiàn)需通過既有IPv4設(shè)備過渡至IPv6, 才能以最少的代價實現(xiàn)IPv6應(yīng)用。過渡技術(shù)主要解決IPV4和IPV6網(wǎng)絡(luò)共存狀況下的互聯(lián)互通,主要有三種策略:

    雙棧 (Dual-Stack)

    雙棧是在原有網(wǎng)路層 (Network Layer) 上, 再增加一個 IPv6的堆棧 (Stack) ,讓主機(jī)同時具備IPv4和IPv6通訊能力。

    隧道技術(shù)( Tunneling )

    在 IPv6 報文進(jìn)入IPv4的網(wǎng)域時,將IPv6報文前面加上 IPv4報頭, 再送入IPv4 網(wǎng)域。當(dāng)離開IPv4網(wǎng)域進(jìn)入IPv6網(wǎng)域時, 再將IPv4的抱頭移除,還原回原本的IPv6報文。或由MPLS承載在IPv4 Internet海洋中連接多個IPv6孤島。

    協(xié)議轉(zhuǎn)換

    提供IPV4和IPV6的互通動作。如NAT-PT等提供IPv6與IPv4互相訪問地技術(shù),適用于IPv6 Inernet與IPv4 Internet共存,而兩者又需要互相通訊的要求。

    IPv6的優(yōu)點

    近乎無限的地址空間

    更簡潔的報文頭部

    內(nèi)置的安全性

    IPv4原本是為學(xué)術(shù)研究而生,因而使用初衷較為單純且環(huán)境也較為封閉,所以安全機(jī)制并不是很完善,

    隨著時代的演進(jìn),網(wǎng)絡(luò)的普及程度已今非昔比,所以安全問題更加受到關(guān)注,雖然IPv4通過IPSec提供安全保護(hù),但架設(shè)與管理也是額外的負(fù)擔(dān)。

    而IPv6在設(shè)計時已對安全性的問題進(jìn)行考量,希望提供內(nèi)嵌式的點對點安全保護(hù)能力,改善安全問題。

    更好的QoS支持

    更好的移動性

    編址層次等級

    IPv6應(yīng)用舉例

    移動通信:隨時隨地移動上網(wǎng)

    時時在線,雙向通信:網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)課堂、隨時隨地資源共享

    萬物連接:

    組播應(yīng)用:

    應(yīng)用于出租車聯(lián)網(wǎng):

    還有利用IPv6無狀態(tài)自動配置的特點部署IPv6視頻攝像頭等等...

    總之,由于IPv4網(wǎng)絡(luò)地址隨著網(wǎng)絡(luò)的需求量而慢慢的被消耗殆盡, 而IPv6補足IPv4所欠缺的,不僅在IP地址空間上增加了許多, 還在安全、自動配置......上加強(qiáng)了許多功能。

    這次中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署行動計劃》,將推進(jìn)IPv6規(guī)模部署,高效支撐移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域快速發(fā)展。

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    責(zé)任編輯:售電衡衡

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