網絡發展

互聯網的發展趨勢

2/18

IPv4到Ipv6:互聯網的發展趨勢

一、概述

隨著互聯網的迅速發展，使用Internet技術的TCP/IP協議取得了巨大的成功。

但是，TCP/IP協議的研制者設有預料到Internet的規模會發展到今天這么大，

從而使得現有的TCP/IP協議面臨許多困難。1987年，人們便預計在1996年

Internet將接入100,000個網絡，這一預測看來是準確的。此外，雖然目前使用

的32位IPv4地址結構能夠支持40億臺主機和670萬個網絡，實際的地址分配

效率，即使從理論上說也遠遠低于以上數值。使用A、B和C類地址，使這種

低效率的情形變得更為嚴重。

自八十年代后期，研究人員開始注意到了這個問題，并提出了研究下一代IP協

議的設想。1990年，人們預計，按照當時的地址分配速率到1994年3月B類地

址將會用盡，并提出了最簡單的補救方法：分配多個C類地址以代替B類地址。

但這樣做也帶來新的問題，即進一步增大了已經以驚人的速度增長的主干網路

由器上的路由表。因此，Internet網絡界面臨著困難的選擇，或者限制Internet

的增長率及其最終規模，或者采用新的技術。

1990年后期，IETF開始了一項長期的工作，選擇接替現行IPv4的協議。此后，

人們開展了許多工作，以解決IPv4地址的局限性，同時提供額外的功能。1991

年11月，IETF組織了路由選擇和地址工作組(ROAD)，以指導解決以上問題。

1992年9月，ROAD工作組提出了關于過渡性的和長期的解決方案建議，包括

采用CIDR路由聚集方案以降低路由表增長的速度，以及建議成立專門工作組

3/18

以探索采用較大Internet地址的不同方案。

1993年末，IETF成立了IPNG工作部，以研究各種方案，并建議如何開展工作。

該工作部制訂了IPn最新的歌 g技術準則，并根據此準則來評價已經提出的各種方案。在

經過深入討論之后，SIPP(SimpleInternetProtocolPlus)工作組提供了一個經過

修改的方案，IPng工作部建議IETF將這個方案作為IPng的基礎，稱為IPv6，

并集中精力制定有關的文檔。自1995年末起，陸續發表了IPv6規范等一批技

術文檔。

二、IPv4和IPv6的特點比較

20世紀的互聯網協議隨著移動互聯網、語音/數據的集成以及嵌入式互連設備的

快速發展，以互聯網為核心的未來通信and的用法 模式正在形成。到目前為止，互聯網取

得了巨大的成功，而這很大程度上歸功于其核心通信協議IPv4的高度可伸縮性。

IPv4的設計思想成功地造就了目前的國際互聯網，并容納了過去十年中網絡規

模的幾何級數增長，其核心價值體現在簡單、靈活和開放性等方面。

但是，新應用的不斷涌現使互聯網呈現出新的特征，傳統的互聯網協議版本，

即IPv4,已經難以支持互聯網的進一步擴張和新業務的特性，比如實時應用和服

務質量保證。IPv4的不足體現在以下方面：

(1)有限的地址空間IPv4協議中每一個網絡接口由長度為32位IP地址標識，

這決定了IPv4的地址空間為232,大約理論上可以容納43億個主機，這一地址

4/18

空間難以滿足未來移動設備和消費類電子設備對IP地址的巨大需求量。加之存

在地址分配的大量浪費，有預測表明，以目前Internet發展速度計算，所有IPv4

地址將在2005～2010年間分配完。

在二十世紀九十年代的研究人員已經意識到了IP地址空間以及分配存在的問

題，并開發了一些新技術來改善地址分配和減緩IP地址的需求量，比如CIDR

和NAT。這些技術一定程度上緩解了地址空間被耗盡的危機，但為基于IP的網

絡增加了復雜性，并且破壞了一些IP協議的核心特性，比如端到端原則，因此

不能從根本上解決IPv4面對的困難。

(2)路由選擇效率不高IPv4的地址由網絡和主機地址兩部分構成，以支持層次

型的路由結構。子網和CIDR的引入提高了路由層次結構的靈活性。但由于歷

史的原因，IPv4地址的層次結構缺乏統一的分配和管理，并且多數IP地址空間

的拓撲結構只有兩層或者三層，這導致主干路由器中存在大量的路由表項。龐

大的路由表增加了路由查找和存儲的開銷，成為目前影響提高互聯網效率的一

個瓶頸。同時，IPv4數據包的報頭長度不固定，因此難以利用硬件對提取、分

析路由信息，這對進一步提高路由器的數據吞吐率也是不利的。

(3)缺乏服務質量保證IPv4遵循BestEffort原則，這一方面是一個優點，因為

它使IPv4簡單高效；另一方面它對互聯網上涌現的新的業務類型缺乏有效的支

持，比如實時和多媒體應用，這些應用要求提供一定的服務質量保證，比如帶

寬、延遲和抖動。研究人員提出了新的協議在IPv4網絡中支持以上應用，如執

行資源預留的RSVP協議和支持實時傳輸的RTP/RTCP協議。這些協議同樣提

5/18

高了規劃、構造IP網絡的成本和復雜性。

IPv6是Internet協議的一個新版本，其設計思想是對IPv4加以改進，而不是對

其進行革命性的改造。在IPv4中運行良好的功能在IPv6中都給予保留，而在

IPv4中不能工作或很少使用的功能則被去掉或作為選項。為適應實際應用的要

求，在IPv6中增加了一些必要的新功能。IPv6的主要特點如下：

(1)經過擴展的地址和路由選擇功能。IP地址長度由32位增加到128位，可支

持數量大得多的可尋址節點、更多級的地址層次和較為簡單的地址自動配置。

改進了多目(multicast)路由選擇的規模可調性，因為在多目地址中增加了一個

“Scope”字段。

(2)定義了任一成員(anycast)地址，用來標識一組接口，在不會引起混淆的情

況下將簡稱“任一地址”，發往這種地址的分組將只發給由該地址所標識的一組

接口中的一個成員。

(3)簡化的首部格式。IPv4首部的某些字段被取消或改為選項，以減少報文分組

處理過程中常用情況的處理費用，并使得IPv6首部的帶寬開銷盡可能低，盡管

地址長度增加了。雖然IPv6地址長度是IPv4地址的四倍，IPv6首部的長度只

有IPv4首部的兩倍。

(4)支持擴展首部和選項。IPv6的選項放在單獨的首部中，位于報文分組中IPv6

首部和傳送層首部之間。因為大多數IPv6選項首部不會被報文分組投遞路徑上

6/18

的任何路由器檢查和處理，直至其到達最終目的地，這種組織方式有利于改進

路由器在處理包含選項的報文分組時的性能。IPv6的另一改進，是其選項與IPv4

不同，可具有任意長度，不限于40字節。

(5)支持驗證和隱私權。IPv6定義了一種擴展，可支持權限驗證和數據完整性。

這一擴展是IPv6的基本內容，要求所有的實現必須支持這一擴展。IPv6還定義

了一種擴展，借助于加密支持保密性要求。

(6)支持自動配置。IPv6支持多種形式的自動配置，從孤立網絡節點地址的“即

插即用”自動配置，到DHCP提供的全功能的設施。

(7)服務質量能力。IPv6增加了一種新的能力，如果某些報文分組屬于特定的工

作流，發送者要求對其給予特殊處理，則可對這些報文分組加標號，例如非缺

省服務質量通信業務或“實時”服務。

總之，IPv6高效的互聯網引擎引人注目的是，IPv6增加了許多新的特性，其中

包括：服務質量保證、自動配置、支持移動性、多點尋址（Multicast）、安全性。

基于以上改進和新的特征，IPv6為互聯網換上一個簡捷、高效的引擎，不僅可

以解決IPv4目前的地址短缺難題，而且可以使國際互聯網擺脫日益復雜、難以

管理和控制的局面，變得更加穩定、可靠、高效和安全。

三、IPv6數據報格式

7/18

IPv6數據報的首部雖然比IPv4首部長，但卻大大地簡化了。IPv4首部中的一

些功能被放在擴展首部中或取消了。

(1)版本(Version)。Internet協議版本號，IPng版本產假請假條怎么寫 號為6。(4位字段)

(2)流標號(FlowLabel)。如果一臺主機要求網絡中的路由器對某些報文進行特

殊處理，如非缺省服務質量通信業務或實時服務，則可用這一字段對相關的報

文分組加標號。(28位字段)

(3)負荷長度(PayloadLength)。IPv6首部之后，報文分組其余部分的長度，以

字節為單位。為了允許大于64K字節的負荷，如本字段的值為0，則實際的報

文分組長度將存放在逐個路段(Hop-by-Hop)選項中。(16位無符號整數)

(4)下一首部(NextHeader)。標識緊接在IPv6首部之后的下一首部的類型。下

一首部字段使用與IPv4協議相同的值。(8位選擇字段)

(5)路徑段限制(HopLimit)。轉發報文分組的每個節點將路徑段限制字節值減

一，如果該字段的值減小為零，則將此報文分組丟棄。(8位無符號整數)

(6)源地址。報文分組起始發送者的地址。(128位字段)

(7)目的地址。報文分組預期接收者的地址(如果有一個可選的路由選擇首部，

8/18

有可能不是最終接收者)。(128位字段)

在IPv6中，Internet層選項信息存放在單獨的首部中，位于報文分組的IPv6首

部和傳送層首部之間。現已定義了幾個這種擴展首部，各由一個下一首部值來

標識，包括逐個路段路由選擇、分片、驗證、隱私權和端到端(End-to-End)等選

項首部。

四、目前IPv4和IPv6共存局面

針對目內容的英語 前Internet上的各種IPv4與IPv6之間通信的情況，人們已經開發出了許

多有效的過渡機制。

1、IPv6的小島之間通信的情況

針對這一類問題，又可以劃分多種情況：

(1)手工配置多條隧道，適用于具備雙協議棧的站點（sites）之間通信。所謂站

點，既可以是一臺主機，也可以是一系列主機。

(2)自動隧道配置如TunnelBroker，適用于具備雙協議站的主機之間通信。

(3)6to4機制，適用于站點之間通信，為了實現這個機制，每個站點內部的主機

可以僅僅配置IPv6協議棧，但是每個站點必須至少有一臺"6to4"的路由器作為

9/18

出入口，支持全球統一的6to4TLA（TopLevelAggregation）前綴格式，并實

施特殊的封裝和轉發機制。

(4)6over4機制，適用于具備雙協議棧的主機之間通信。它利用IPv4的multicast

機制來創建虛擬鏈路而不是顯式的隧道。

2、IPv6小島與IPv4海洋之間通信的情況

這一類問題下同樣有多種情況，目前的過渡機制都是通過以下途徑實現的：應

用級轉發；網絡層翻譯；為IPv6節點暫時分配IPv4地址。

(1)雙協議棧有限雙協議棧，適用于具備雙協議棧的站點的通信。

(2)Socks64（Socket6to4）機制，適用于IPv6的站點和IPv4站點的通信。它

實際上是一種網關的轉發機制，實施socks64的網關為IPv6的節點提供分組的

轉發和翻譯。

(3)SIIT（StatelessIP/ICMPTranslator）機制，適用于IPv6的站點和IPv4站點

的通信。它實際上在IPv4和IPv6的分組報頭之間進行翻譯，使用IPv4映射的

IPv6地址進行通信。

(4)NAT-PT（NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation）機制，適用

于IPv6only站點和IPv4only站點之間的通信。它進行IPv6和IPv4地址之間

10/18

的翻譯。

(5)BIS（Bump-in-the-Stack）機制，適用于具備雙協議棧的主機與IPv4的世界

通信。它在IPv4的協議棧中插入三個模塊：域名解析器、地址映射器和翻譯器。

3、過渡過程的產生背景

IP協議是互聯網體系結構的核心，它必須具備相對的穩定性。IPv6作為Internet

Protocol的新版本，其根本目的是繼承和取代IPv4。因此，人們在規劃IPv6的

時候，就把眼光投向了包括地址在內的上述重要需求，希望能夠解決這些目前

已經出現和將來可能出現的問題。從IPv4到IPv6的改變將不可避免的帶來

Internet上新的革命，無論是硬件還是軟件都將有全新的發展。但是，原有的IPv4

協議已經成功的實施了將近二十年，在Internet上，甚至有許多通信協議標準

比Internet還要早，Internet協議和標準化是有一個簡單的原則的。

只要可以應用現有的協議標準，就使用它們；只有當現有的標準不夠時才制定

新的協議，而且只要能夠得到這些新的標準，而它們又能夠提供等價的功能，

就使用這些新的標準。

所以IPv6協議的意圖并不是排斥和避免已有的標準。它的產生只是因為傳統的

IPv4不能滿足需要。在IPv6完全取代IPv4之前，不可避免的，這兩種協議要

有一個可能是相當長的共存時期，IPv6可能需要在研究所和學術機構中進行足

夠的試驗，才能象IPv4一樣成功的投入商業運營。因此，從IPv4到IPv6要有

11/18

一個過渡時期。

IPv6在IPv4的基礎上進行改進，它的一個重要的設計目標是與IPv4兼容。制

訂IPv6時，IETF致力于產生一種開放的標準，因此他們邀請了許多團體來參

加標準的制訂過程，研究人員、計算機制造商、程序設計人員、管理人員、用

戶、電話公司以及有線電視產業都對下一代IP提出了他們的要求和建議。但是

作為一種新的協議，從誕生于實驗室和研究所到實際應用于Internet是有很大

距離的。不可能要求立即將所有節點都演進到新的協議版本，所以在一定的時

間內，IPv6將和IPv4共同存在共同運行。如果沒有一個過渡方案，再先進的協

議也沒有實用意義，因此從IPv4網絡向IPv6網絡過渡的問題從一開始就列入

了開發者的日程表。

在相當時間內，IPv6節點之間的通信還要依賴于原有IPv4網絡的設施，而且

IPv6節點也必不可少的要與IPv4節點通信，我們希望這種通信能夠高效的完成，

對用戶隱藏下層細節。同時，IPv4已經應用了十多年，基于IPv4的應用程序和

設施已經相當成熟而完備，我們希望以最小的代價來實現這些程序在IPv6環境

下的應用。所有這些都提出了從IPv4網絡向IPv6網絡高效無縫互連的問題。對

于過渡問題和高效無縫互連問題的研究已經取得了許多成果，形成了一系列的

技術和標準。

五、目前國際IPv6網絡的互聯

一個純IPv6網絡的實現與原來IPv4網絡并沒有差別，在路由協議和域名解析

12/18

上也不需要特定的機制來支持，僅僅需要對原來的協議和應用程序進行修改就

可以了。但是對于一臺主機或者一個網絡在不同協議之間的通信來說，情況就

發生了變化。由于報文在傳輸中要經過兩種運行在不同協議下的網絡環境，報

文的翻譯是一個問題，同時由于兩種協議表示地址的方法不同，如何在協議地

址之間標示信源和信宿也是必須處理的。

在IPv6的網絡流行于全球之前，總是有一些網絡首先具有IPv6的協議棧。這

時，這些網絡就像IPv4海洋中的小島。過渡的問題可以分成兩大類：

第一類就是解決這些IPv6的小島之間互相通信的問題，

第二類就是解決IPv6的小島與IPv4的海洋之間通信的問題。

解決過渡問題的兩種最基本的技術：雙協議棧（DualStack）和隧道（Tunnel）。

我們所討論的過渡機制（TransitionMechanism）都是在這兩種技術的基礎之上

針對特定的問題的解決方案。但是目前還沒有一種機制能夠一勞永逸的解決這

個問題，每一種具體的機制都是針對具體的情況的。

雙協議棧

在實踐當中，最典型的是IETF提出的叫"雙協議棧"的方案。需要提前說明的是，

雙協議棧技術并不具備創建隧道的能力；但是，后面提到的創建隧道的能力則

必須要求有雙協議棧技術的支持。

13/18

雙協議棧方案的工作方式如下：

(1)如果應用程序使用的目的地址是IPv4地址，則使用IPv4協議。

(2)如果應用程序使用的目的地址是IPv6中的IPv4兼容地址，則同樣使用IPv4

協議，所不同的是，此時IPv6就封裝（encapsulated）在IPv4當中。

(3)如果應用程序使用的目的地址是一個非IPv4兼容的IPv6地址，那么此時將

使用IPv6協議，而且很可能此時要采用隧道等機制來進行路由、傳送。

(4)如果應用程序使用域名來作為目標地址，那么此時先要從DNS服務器那里

得到相應的IPv4/IPv6地址，然后根據地址的情況進行相應的處理。

對目前的環境來說，要實現純粹IPv6的路由是很困難的，因此，人們一般采用

IPv6overIPv4的點對點隧道技術。將IPv6分組打包，放入IPv4分組的數據區，

加上IPv4的報頭，在IPv4互聯網世界中進行路由，到達目的地后再把數據區

中的IPv6分組取出來作相應的處理，該繼續小平頭發型圖片男 路由的路由，該收發的收發。這樣，

就可以實現"雙協議棧"的過渡方案。最后，對于實現IPv6協議棧，盡管在細

節上，IPv6和IPv4有很大的不同，但是從原理和它們在網絡體系結構中的位置

來看，是相當的一致的。這些一致使得開發人員只需要很小的付出就可以實現

從IPv4到IPv6協議棧的轉換。

14/18

隧道技術，就是將具有自身協議的復雜網絡作為一般的硬件傳輸系統對待。前

文已經提到，在IPv6的網絡流行于全球之前，總是有一些網絡首先具有IPv6

的協議棧，這些網絡就像IPv4海洋中的小島，隧道就是通過"海底"連接這些小

島的通道，因此而得其名。由于隧道上的鏈路是邏輯的，或稱為虛擬的，因此，

這些"小島"所互連而成的網絡就被看作是一個虛擬網絡。在IPv6Native

Network之間需要通信或IPv6節點需要與IPv4的節點通信時，IPv4協議就被

當作IPv6數據傳輸的一個隧道。通過隧道，IPv6分組被作為無結構無意義的數

據，封裝在IPv4數據報中，被IPv4網絡傳輸。由于IPv4網絡把IPv6數據當作

無結構無意義數據傳輸，因此不提供幀自標示能力，所以只有在IPv4連接雙方

都同意時才能交換IPv6分組，否則收方會將IPv6分組當成IPv4分組而造成混

亂。網絡從IPv4向IPv6演進的過程就是這些"小島"漸漸擴大而成為"大陸"的

過程。

六、IPv6網絡在中國的發展

隨著IPv4地址空間耗盡的迫近，人們加緊了對下一代互聯網協議即IPv6的研

究；到2001年年初，IPv6協議的基本框架已經逐步成熟，在越來越廣泛的范圍

內得到實踐。由于IPv6和IPv4在協議頭格式上不兼容，IETF成立了專門的工

作組--ngtrans研究從現有的IPv4網絡向IPv6網絡的過渡策略和必要的技術。

作為向下一代互聯網絡協議過渡的重要步驟，國際的IPv6試驗網--6bone在1996

年成立了。現在，6bone已經擴展到全球50多個國家和地區，成為IPv6研究者、

開發者和實踐者的主要平臺。

15/18

中國教育和科研計算機網CERNET是中國開展下一代互聯網研究的試驗網絡，

它以現有的網絡設施和技術力量為依托，建立了全國規模的IPV6試驗床。1998

年CERNET正式參加下一代IP協議（IPv6）試驗網6BONE，同年11月成為

其骨干網成員。CERNET在全國第一個實現了與國際下一代高速網

INTERNET2的互聯，目前國內僅有CERNET的用戶可以順利地直接訪問

INTERNET2。為致力于面向21世紀網絡技術的個人和團體提供全真的網絡平

臺，用于研究同下一代互聯網有關的網絡技術，特別是安全、服務質量和移動

計算；開發新型的網絡應用，這些應用在傳統的互聯網上是幾乎不可能或不易

實現的；示范上述技術和應用，以及從傳統的互聯網向下一代網絡過渡的方法。

總體拓撲試驗床分成相對獨立而又互連互通的兩個部分：正式使用部分和生實

驗部分。

試驗床從6bone獲得p-TLA(pudo-TopLevelAggregation,偽頂級聚類)

3FFE:3200::/24的地址空間；并且建立了5條以tunnel為基礎的國際IPv6虛擬

鏈路，直接通達美國、英國和德國的IPv6網絡，間接地與幾乎所有現有的6bone

成員互連。試驗床按地區分配NLA1ID(NextLevelAggregation,level1

Identifier，次級聚類)。目前，試驗床正式使用部分已經發展了2個地區級的試

驗網絡；學生試驗部分已經建立了4個地區IPv6網絡。

正式使用部分：

cernet華東（北）地區eastn-cn3ffe:3206::/321999年6月成立

16/18

cernet東北地區northe-cn3ffe:3208::/321999年6月成立

學生實驗部分：

華北地區學生ipv6實驗no-expr3ffe:3211::/32(清華)1999年3月成立

西北地區學生ipv6實驗nw-expr3ffe:3212::/32(西電)1998年12月成立

華中地區學生ipv6實驗ce-expr3ffe:3215::/32(國防科大)1999年5月成

立

華東地區學生ipv6實驗en-expr3ffe:3216::/32(科大)1999年6月成立

中國應該是全球最關心IPv6發展的國家之一，最主要的原因恐怕就是中國互聯

網對IP地址的渴求了。據統計，我國目前網民的數量已經激增到2650萬，而

總共申請到的IP地址卻只有約900萬個。與此形成鮮明對比的是，僅僅是美國

斯坦福大學，所能使用的地址數量就已經達到了2650萬個；IBM公司則達到

3300萬。因此IP地址的短缺對于中國來說，顯得尤其緊迫和尖銳。同樣由于歷

史的原因，在技術研究、標準制訂、產品開發等諸多方面中國也遠遠落后于美

國。而IPv6為中國的互聯網事業提供了一個縮小差距的良機。

IPv6的地址長度和分配方案以一個世界性的網絡為出發點，中國將會分配到足

夠的IPv6地址。IPv4地址缺乏、龐大的人口基數和互聯網的迅速擴張使中國更

17/18

容易首先接受IPv6，這將轉化為一種優勢，IPv6將首先在中國廣泛應用，從而

推動IPv6研究、產品開發和應用的全面進步，使中國在下一代國際互聯網的競

爭中處于有利位置。

一旦IPv6在中國普及推廣開來，首先，人們不用再為缺少地址而費盡心機地想

出各種替代方法，以犧牲很多IP協議所提供的優良功能為代價了。那時，每人

都將擁有一個或多個IP地址，配備上相應的計算機設備，無論你在天涯海角，

都可以做到隨時在線，連接全球。其次，IPv6與移動通信的結合將為目前的互

聯網開拓一個全新的領域——移動互聯網。通過移動互聯網，使我們能夠在移

動中購買商品和服務，我們的移動設備將成為無線錢包，使我們能夠隨時隨地

以在線方式選購商品或服務，并為之付款。我們能夠使用移動設備查詢飛機的

航班，風景點的簡要情況，以便做出最后的安排；我們還能夠利用同一設備查

找地圖以及要參觀的地方；我們還能夠找到距離我們最近的餐館；如果是平時，

我們駕車外出，安裝在我們汽車里的無線設施將提供實時定位技術，同時也起

到導航和安全保護的作用。

此外，在不遠的未來，中國的家電廠商們將開發出新一代的信息家電，即我們

除了計算機之外，還可給商場保安 電視機、冰箱、微波爐、空調、洗衣機等家用電器分

配固定地址，以利于它們與Internet的連接。在信息家電與Internet連接后，外

出的人就可操作家中的空調、冰箱等，比如，可以通過網絡下載做菜方式，自

動設定溫度和作業時間，減少做菜的手續。

最后，實行IPv6協議可以從根本上優化路由器傳輸效率，使得目前的各種寬帶

18/18

傳輸技術邁上一個新的臺階。到那時，困擾中國網民很久的網絡速度問題，將

得到徹底解決，人們就可以舒舒服服呆在家里，享受超高速網絡所帶來的歡樂。

信息家電連上光纖后，更可直接以交互方式收看電影、聽音樂和廣播。股民即

使在家中，也能通過光纖網絡和證券公司等金融機構的業務員在電視上交談，

同時進行交易。