ipv6网络地址结构及其管理机制

ipv6网络地址结构及其管理机制

随着网络规模的不断扩大，当前的ipvd网络面临着一些问题，即ip地址耗尽，以及依赖于路由器的效率低下，这与当前ipvm的地址机制和管理密切相关。在IPv4的地址结构体系中,一方面它的地址长度不够长,用二进制表示只有32位,约40亿个IP地址,地址资源有限;另一方面对IP地址采用分类管理的方法,分为A、B、C、D和E五类,将其一半的IPv4网络地址分配给126个A类网络,每个A类网络都能拥有1677万多个节点,而许多申请到A类网络的机构根本就没有那么多节点,造成IP地址资源的巨大浪费;类似情况也存在于B和C类网络中。尽管在IPv4中采用各种方法,如采用CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)和NAT(NetworkAddressTranslation)等措施来延缓地址的枯竭,但不能从根本上解决IP地址枯竭的问题;同时面向用户的地址分配方案,使得骨干线路中的路由表过度膨胀,造成路由效率低下。为了解决这些问题,充分满足市场和商业对互联网的各种需求,IETF(InternetEngineeringTaskForce)开始制定下一代互联网协议,即IPv6协议。IPv6作为新一代网络体系结构的核心,它采用全新的地址分配方案和管理机制,不仅可有效地解决现行IPv4的地址资源匮乏的问题,提高路由效率,而且在安全性、可移动性、服务质量(QoS)和对网络节点的管理和维护等方面都进行了相应的改进。本文首先从网络地址结构来介绍IPv6,并与IPv4相比较,阐述IPv6地址结构的特点,然后分析其地址管理机制的特点、过程和性能,并通过仿真进一步说明。一、ipv6网络的基础和关键问题IPv6的地址结构是IPv6协议最主要的内容之一,也是IPv6网络的基础与关键问题,包含了IPv6地址的表示方法和类型等方面的内容。1.ipv6地址的分配IPv6的地址长度用二进制表示为128位,为现行IPv4的4倍。从理论上讲IPv6有2128(即约为3.4×1038)个IP地址,比现行的IPv4的IP地址个数增加了296(约为8.5×1028)倍,因此与IPv4相比,IPv6地址资源就显得极其丰富,在今后相当长的一段时间内可充分地满足市场对IP地址的需求,也为最终实现IPv6的设计目标——在本世纪内仍使高性能大规模的互联网保持旺盛的生命力奠定了牢固的地址资源基础。IPv6地址空间的初始分配如表1所示,由此表可知,绝大多部分IPv6地址(约为85%)目前还没有分配,地址余量较大。在IPv6地址空间分配中有几种较特殊地址:(1)未指定地址∶∶(128位全为0);(2)回送地址∶∶1;(3)内嵌IPv4地址的IPv6地址,有2种,一种为IPv4兼容的IPv6地址,表示为∶∶IPv4地址;另一种为IPv4映射IPv6地址,表示为∶∶FFFF∶IPv4地址。从表1可看出,IPv6对IPv4的地址分配方法进行了较大改进,一方面对原有属于不同操作系统的IP地址类型进行了一些保留和扩展,如IPX和NASP类型地址;另一方面又提出了一些新的分类标准,按聚类的方式进行分类,如:将单播地址分为可聚集的全局单播地址、保留基于地理区域单播地址、链路本地地址和站点本地地址等,其中新增了保留基于地理区域单播地址和链路本地地址,保留基于地理区域单播地址便于以大陆为基础进行IP地址聚集,而链路本地地址为IPv6地址无态自动配置所需的;同时将原IPv4中A、B和C类的Intranet网址并作为站点本地地址,使用该类地址不需任何注册,为企业组建内部网提供便利。为了表示和书写方便起见,在RFC2373中规定了IPv6数字地址的表示方法。一般推荐把IPv6地址的128位写成8个无符号整数,每个无符号整数占16位,用4个十六进制表示,无符号整数之间用冒号(∶)分开,如:FFDC∶BA98∶7654∶3254∶9765∶FC01∶4635∶3853,这与IPv4的地址表示方法截然不同,主要有:(1)IPv4地址长度为32位,写成4个无符号整数,每个无符号整数占8位,而IPv6地址长度为128位,写成8个无符号整数,每个无符号整数占16位;(2)对每个无符号整数,IPv6采用十六进制,而IPv4为十进制;(3)相邻无符号整数之间分隔符号也不相同,IPv6用冒号(∶)分开,而IPv4用点(.)分开。对于一些特殊的IPv6地址可采用一种简化的紧凑格式来表示:(1)没有必要书写每一组数值前面的0,例如用0表示0000,用1表示0001,用20表示0020,用300表示0300;(2)可用符号∶∶代表一系列的0进行更进一步的简化,但该简化对每个IPv6地址只能使用一次;(3)前缀表达法为在一个常规的IPv6地址后跟一个斜杠和一个十进制的数字,如:FFDC∶BA98∶7654∶3254∶9765∶FC01∶4635∶3853/64,64就表示了该IP地址前缀的二进制位数,即FFDC∶BA98∶7654∶3254;这也是IPv4地址中所没有的。2.ipv6单播地址的分配目前在IPv6的地址结构中IP地址分为3种类型:单播地址(unicastaddress)、多播地址(multicastaddress)和任播地址(anycastaddress)。与IPv4相比,首先,IPv6新增了一种地址类型,即任播地址。所谓任播地址就是一组接口的地址,典型的情况下,它们属于不同的节点,发送给任播地址的信息包只会发送到这组地址中的一个,通常是路由距离最近的地址。任播地址没有独立的地址空间,只是分配给多个接口的单播地址。当把它分配给一个接口的时候,必须进行明确的设置以表明该接口地址为任播地址,这一信息在分配时常由一个限定词来指定。任播地址的使用还受到如下两条的限制:(1)任播地址不能作为IPv6信息包的发送地址;(2)任播地址不能分配IPv6主机,一般只能分配给IPv6路由器。其次,IPv6用多播地址取代了IPv4中的广播地址(broadcastaddress),并且扩展了多播地址的空间,使之能跨子网互联。第三,对IPv6的单播地址采用分层编码,使得单播地址具有路由聚类性,特别是可聚集的全局单播地址,它是采用基于Internet服务提供商的分层方案,如图1所示,这种分层地址虽然可能降低地址的使用效率,但使得IPv6地址具有全局聚类性,有助于骨干线上的路由器能有效地进行路由选择。IPv6的网络地址是面向网络接口的,而不象IPv4那样是面向节点;一个节点地址可用与它相接的任一接口的单播地址来标识。一个IPv6的单播地址只能分配给一个单一的接口,一个单一的接口可分配到多个相同类型或不同类型的IPv6地址,这样可充分保证用户有选择不同Internet服务提供商和进行多种方式的网络互联的自由和权利,同时也有利于用户节点在选择不同Internet服务提供商时能实现平滑切换,但有两个例外:(1)一个单一的IPv6地址可分配给属于一个节点的一组接口;(2)路由器可以具有无编号的接口,即没有任何地址。这种IPv6地址类型的安排既能保证点到点的通信,如节点采用可聚集的全局单播地址,与其它节点和中间设备进行网络互联;又能保证单点到多点的通信,如节点可采用多播地址,适应多媒体通信发展的需要,如视频点播、视频网络会议等。用多播地址代替广播地址既减轻了网络负载,提高信息的安全性,又保证了较高的传输效率。二、地址管理的影响如前所述,与IPv4相比,IPv6在地址结构上具有明显的不同,这必然影响到相应的地址管理,包括路由选择、地址解析和地址配置等,这些管理机制主要定义在IPv6邻居发现(NeighborDiscovery)协议和控制消息协议(ICMPv6)中。1.ipv6的路由特性IPv6地址资源的扩大必然增加路由选择的困难,而路由选择问题属于OSI参考模型网络层的核心问题,基本作用是在网络中为分组报文选择一条或一组适当的转发路径。在IPv6的分组报头中定义了源地址和目的地址2个域,如图2所示;一般情况下,路由器就根据IPv6分组报头所提供的这2个IP地址和所采用的路由协议进行路由接受、调度、查寻、计算和转发。由于IPv6地址具有聚类性,因此IPv6所采用的路由协议必须支持这一特性。原IPv4中支持CIDR寻址的路由协议,包括域内路由协议(如RIP和OSPF等)和域间路由协议(如IDRP和BGP-4等)等,均要经过一定的修改,以支持IPv6的地址机制,如RIPng、OSPFv6或IDRPv2等;利用邻居发现协议,以ICMPv6信息性消息报文格式定期或按需发送和接收路由器请求消息和路由器宣告消息,从而进行路由表的建立、维护和更新,对邻居路由器进行定位。另外,在IPv6中也支持人工指定路由,在其扩展报头中有一个路由报头(routingheader),用来指定分组报文到达目的地址前必须经过的中间路由器。图2IPv6的报头格式2.icmpv6评分格式在IPv4中网络地址解析主要采用ARP(AddressResolutionProtocol)或RARP(ReverseARP)协议来完成,进行IP地址和MAC地址之间的映射和转发。而在IPv6中是通过邻居发现来实现地址解析和路由器发现的功能。邻居发现协议集成了原IPv4中的ARP、RDISCP(RouterDISCoveryProtocol)和ICMP重定向消息(redirectionmessage)等,以ICMPv6分组格式进行消息广播和确认,包括路由器请求和路由器宣告、邻居请求、邻居发现和邻居宣告消息以及重定向消息。其中邻居请求、邻居确认和邻居宣告消息就是用来进行地址解析和防止地址冲突的,源节点发送邻居请求消息以获得相邻节点或目标节点的链路层地址,同时发送节点可将本地的链路层地址传送给目标节点;源节点也可通过广播邻居确认消息来完成地址解析操作,该消息发送到特定的目标多播地址,要求返回目标节点的链路层地址;目标节点接收到邻居请求消息或邻居确认消息后,在其单播邻居宣告消息中响应链路层地址,而源节点发送的邻居宣告消息可作为对邻居确认消息的响应。网络节点也可以发送非邻居确认的宣告消息,说明链路层的变化。邻居请求、邻居确认和邻居宣告的消息格式如图3所示。图3邻居请求、确认和宣告消息的格式3.ipv6地址新处理在IPv6中网络地址既可以是手工配置,也可以是自动配置。当采用地址自动配置时又分为无态和有态2种类型,有态地址自动配置可采用DHCPv6(IPv6的动态主机配置协议)协议,DHCPv6仍采用客户机/服务器模式来构造,在局部网络范围内对单播IP地址进行动态的分配和管理,但与原DHCPv4相比进行了多方面的改进,如重新定义了DHCP消息名称与类型,新增了重新配置类和中继类消息,删除了应答消息DHCPACK和DHCPNAK,并统一和简化了消息的报头,以支持IPv6地址结构和管理机制的新特点。而无态自动配置服务是IPv6新增的,对移动主机来说非常重要,其过程如图4所示。当主机从一个子网移到另一个子网时,IPv6通过地址发现机制来主动地给移动主机配置一个由以太网卡地址和当前有效的网络前缀所组成的“本地IP地址”,实现联网通信。三、多媒体流网融合对qos路由选择的探索这种新的IP地址结构有力地支持IPv6能采用新的管理机制,或在原有的地址管理上进行改进,从而形成了IPv6自己的一套管理机制,与IPv4的相比较具有如下新的特点:(1)支持QoS(qualityofservice)业务,提高网络性能首先从路由选择上看,从现行的IPv4过渡到IPv6,地址资源的骤然扩大,在路由选择上要解决两个基本问题:1)路由表的膨胀问题。路由表的总负载从理论上讲几乎与IP地址数目的阶乘的3倍成正比,而IPv6的网络地址数目比IPv4增加了8.5×1028倍,由此造成了路由表的恶性膨胀,使得主干路由器中的路由表的建立、查找和维护均很困难,路由效率低下;在IPv6地址设计时就采用结构化分层地址,可利用IP地址的前缀进行路由聚类和选择,简化路由表,保证主干路由器和中央路由器中路由表不会过度膨胀,提高路由效率。2)QoS路由问题。在现行的IPv4Internet路由协议中只是提供尽力而为的服务,而不能保证服务质量(QoS);但问题是随着视频会议/点播、交互式游戏、多媒体播放以及远程教学、医疗和电子商务等应用的兴起,对网络服务质量和路由选择的要求更高,如实时通信,要求尽量减少信息包在传送时的时延和时延抖动,就涉及到QoS路由问题,为此IETF提出许多模型和机制来满足对QoS的需求,如集成服务IntServ/资源预留RSVP模型、区分服务、多协议标记(MPLS)、流量工程和QoS路由等来对具有不同优先级的信息包进行资源预留、分类、调度和整形,以实现带一个或多个QoS约束的路由选择,图5就是一典型的多媒体通信网络,可传输文字、声音和图像等多种信息包,利用OPnet软件对其采用FIFO(FirstInFirstOut)和PQ(PriorityQueuing)调度算法进行仿真,横轴为仿真传输时间(minute)。仿真结果表明,电视会议的信息包通信量(bytes/sec)和时延(sec)等QoS指标PQ法均优于FIFO法。为了进一步提高路由QoS,还采用如下措施:1)采用PathMTUDiscovery机制找出路径的最大分组传输单元,主机按不大于MTU来分组发送,在中间路由器中不再进行信息包的分段与重组,提高路由器的处理速率,减少信息包传输时延。2)在IPv6中首次引入了任播地址,这可有效地提高路由选择的效率,防止路由阻塞。其次从IPv6的帧格式上看(见表2):常规固定报头域比IPv4减少了6个,并改进了路由选项,减少了中间节点的处理时间;增设了流标识(flowlabel)域,针对不同的业务流进行标识,便于在传输过程中能有效地进行排队调度和分配相应的资源,充分满足不同业务流的QoS需求;在扩展报头中,象AH和ESP之类的报头具有“端对端”的功能,它们不需要中间路由器来处理,而只是由源节点和目的节点来处理,减少中间传输处理时间。(2)可实现地址无态自动配置,支持移动地址管理在IPv6协议中引入了自动配置即“即