校园网ipv6技术升级建设方案 第3页
第二章 IPv6网络协议
下一代互联网协议IPv6，是针对目前Internet上普遍使用的IPv4协议的不足而提出的。与IPv4相比，IPv6在地址空间、分组处理效率、对移动性、安全性和QoS的支持等诸多方面都有明显的优势。下面我们将对比IPv4存在的典型问题来分析IPv6协议的技术特点和优势。
2.1 IPv4存在的典型问题
互联网的成功发展给人们的生活带来了重大的变化，互联网的影响已经渗透到社会的各个方面。与此同时，互联网的发展也成为国家信息化和现代化建设的重要部分，并产生了重大的经济效益和社会效益。但随着互联网应用的发展，目前基于IPv4的互联网在实际应用中越来越暴露出其不足之处。这些问题主要包括在以下几个方面。
1、有限的地址空间
IPv4协议中每一个网络接口由长度为32位IP地址标识，这决定了IPv4的地址空间在理论上大约可以容纳43亿个主机，这一地址空间难以满足未来移动设备和消费类电子设备对IP地址的巨大需求。
20世纪90年代的研究人员已经意识到了IP地址空间以及分配存在的问题，并开发了一些新技术来改善地址分配和减缓对IP地址的需求，比如CIDR和NAT。这些技术在一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但给基于IP的网络增加了复杂性，并且破坏了一些IP协议的核心特性，如端到端的原则，因此不能从根本上解决IPv4面临的困难。
2、路由选择效率不高
IPv4的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次型的路由结构。子网和CIDR的引入提高了路由层次结构的灵活性。但由于历史原因，IPv4地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数IP地址空间的拓扑结构只有两层或三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。庞大的路由表增加了路由查找和存储的开销，成为目前影响提高互联网效率的一个瓶颈。同时，IPv4数据包的包头长度不固定，因此难以利用硬件来提取和分析路由信息，这对进一步提高路由器的数据吞吐率都是不利的。
3、缺乏服务质量保证
IPv4遵循尽力而为的原则，这一方面是一个优点，因为它使IPv4简单、高效；另一方面，它对互联网上涌现的新业务类型缺乏有效的支持，如毕业论文
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4、IPv4的安全性
很长时间以来，人们都认为安全性不是网络层的任务。在这种情况下，对净荷数据的加密、净荷的数字签名、密钥交换、实体的身份验证和资源的访问控制一般由较高层处理，通常是应用层，有时是传输层。例如，广泛应用的安全套接字层（SSL）协议由IP之上的传输层处理，而应用的安全HTTP（HTTPS）则由应用层处理。
所有这些关于IP安全性的办法都有问题。首先，在应用层进行加密使很多信息被公开。尽管应用层数据本身是加密的，但携带它的IP数据仍会泄露参与处理的进程和系统的信息。在传输层加密要好一些，并且SSL为Web的安全性工作做得很好，但它要求客户和服务器应用程序都要重写，以支持SSL。隧道协议也工作得不错，但被缺乏标准的问题所困扰。IETF的IP安全性（IPsecIPSec）工作组一直致力于设计一种机制和协议来保证IP业务流的安全性。虽然已有一些基于IP选项的关于IPv4安全性的机制，但在实际应用中并不成功。IPsecIPSec的目标是使这些工具可用，并在IPv6中集成更加完整的安全性。
2.2 IPv6的技术特点和优势
IPv6针对IPv4的缺点不是简单的升级，而是具有全新技术性能和应用概念的新设计。
1、地址空间的扩展。IPv6协议将IP地址数位从32位扩大到128位，形成了一个巨大的地址空间。能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址，彻底解决了IPv4地址不足的问题。同时IPv6采用了分级地址模式，地址层次丰富，采用了增强可聚合性的地址分配策略。IPv6的这种分层结构地址使得路由表可以使用多个可聚类的短路由表，每个路由表中存放适量数目的记录，通过合适的查找算法就可以减少处理的延时。而且IPv6的40字节固定报头也方便硬件查找路由。
2、地址的自动配置。IPv6另一个基本的特征就是支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制来获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。有状态配置，如DHCP（动态主机配置协议），需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和文护。
3、内置的安全性。IPv6协议内置安全机制，并已经标准化为IPsec。IPsec提供认证和加密两种服务。认证（AH）用于保证数据的一致性，而封装的安全附载报头（ESP）用于保证数据的保密性和数据一致性。
4、服务质量。服务质量（QoS）包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段流标志。有了这个20位长的字段，在传输过程中，中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。
5、移动性。IPv6定义了在IP层实现的移动支持协议，即移动IPv6。移动IPv6在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备都可以分配到一个家乡地址(home address)和一个转交地址(care-of address)，通过家乡地址和转交地址之间的匹配转换能使IPv6包透明地路由给移动节点，具有比IPv4下移动协议更高的路由效率。
6、分组头的简化。IPv6同时改进和提高了IP包的基本报头格式。这种简化的包结构是对IPv4的一个主要改进之处，它有助于弥补IPv6长地址占用的带宽，减少网络开销。IPv6网络中，在路由器过程中不对数据包进行分割，从而进一步减少了路由负载。IPv6及其报头结构能够在全球骨干网一级满足更大规模的网络结构需求，并且它提高了安全性和数据的完整性，支持自动配置，移动计算，数据组播和更有效的网络路由聚类。
2.2.1 IPv6的报头格式
IPv6数据包由IPv6报头、扩展报头和上层协议数据单元三部分组成。如图2.1所示。
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