下一代互联网络与IPv6技术

2019-11-03 09:05:30

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供稿：网友

吴峰

　　随着互联网在社会生活各个领域的广泛应用和商业化的深入发展，现有的网络基础设施和网络服务已经难以满足和支持大规模的网络应用，如交互式远程实时教学、远程医疗（手术）、协同工作/科研、数字化图书馆、虚拟实验室等。与此同时，随着网络规模的扩大，现有网络的管理和运营已经变得非常复杂，地址空间匮乏、带宽瓶颈、网络安全、数据保密、服务质量、新业务的盈利模式、对移动特性的支持等问题变得越来越突出。为了更好地迎接挑战，必须建立ipv6下一代互联网协议的网络，为实现下一代互联网服务搭建高性能、高质量、可靠、安全、经济与开放的舞台。在全球技术与经济大环境下，开展下一代互联网和IPv6研究，这对于提升我国信息化基础设施的水平，满足国民经济发展需求具有重要的推动作用。

1发展下一代互联网和IPv6的意义

　　从20世纪90年代中期开始，互联网在中国飞速发展，从而带动了相关信息产业的发展，包括通信业、设备制造业、软件产业和服务业等，对国民经济和社会发展起到了巨大的推动作用。截止到2003年6月为止，中国建成9大互联网络，互联网的用户数量已经达到6 800万人，上网计算机2 572万台，网络应用包括信息服务、远程教育、远程医疗、科学计算、电子政务和电子商务等，但是普及率尚不足4％，与亚太地区较为发达的国家和地区相比，存在相当大的差距。根据CNNIC的统计，1999年到2002年期间，我国互联网用户人数的年增长率平均在0.4左右。以这样的速度发展，到2005年，中国互联网用户数将达到9 000万（普及率约7％）；到2010年，将达到4.8亿（普及率约30％）。

　　由于历史原因，中国在互联网领域处于后进状态，与许多亚洲国家一样都面临着IP地址供需严重失衡的挑战。据统计，到目前为止，IPv4的地址空间可被分配使用的地址约103个/8地址块（相当于A类地址）。如果每个中国人都获得一个IP地址，则中国13亿人口需要的地址总量为72个/8地址块。可以看出，中国的互联网用户数量的增长速率高于全球互联网用户的增长水平，因此，中国发展互联网需要巨大的地址空间。可见，IPv4地址空间不足是下一代互联网需要解决的首要问题，更是我国互联网发展面临的主要问题。截止2002年底，拥有13亿人口的中国，只有大约2 900万个IP地址，中国是全球最需要IP地址的国家之一。众所周知，IPv4地址总量约43亿，70%的地址资源已经被使用，其中，美国的IPv4地址占有量为38%，而我国目前的地址占有量仅为9%，地址资源严重不足制约了互联网在我国的普及和发展，也使我国在国际竞争中处于不利的地位。

　　开展下一代互联网和IPv6将对我国经济增长带来直接贡献。据美国《福布斯》杂志预测，到2010年，下一代互联网技术及其应用的发展将使目前几万亿美元的互联网市场成长为20万亿美元的大市场。启动下一代互联网的研究、开发和建设，从而推动国家信息基础设施建设，带动社会信息化投资，给网络设备制造业、软件业和信息服务业带来巨大的发展空间。预计到下一个五年计划中期，我国互联网服务、软件和设备的市场规模将达到数千亿元，同时带动电子商务等的快速发展，这些新的经济增长点的形成将对我国国民经济发展形成巨大动力。

　　开展下一代互联网和IPv6也是我国实现跨越式发展的战略机遇。由于这一代互联网的核心技术已被美国等发达国家和跨国公司所控制，我国难有较大作为。但在下一代互联网研究开发方面，我国与发达国家的差距并不大，这是难得的机遇。以新技术的出现为契机，实现跨越式发展，形成具有自主知识产权的核心技术，并力求在国际标准上占有一席之地，在产业上掌握先机，在安全上占据主动，这是我国实现新的跨越式发展的必由之路。

　　依托下一代互联网，可以实现基于高质量视频通信的远程教育，提高各级教育水平；可以实现高可靠性的远程医疗，提高人民健康保障条件；可以利用交互式网络技术扩大政府宣传力度，丰富文化娱乐生活，建设社会主义精神文明；可以建立超大容量共享资源库，完善社会保障机制，提高公共服务水平，从而全面促进社会进步和提高人民生活质量。

2下一代互联网及IPv6技术的研究

2.1互联网的发展

　　国际互联网界的权威认为，互联网技术的发展周期经历4个阶段，即研究开发阶段（Research and Development）、合作伙伴之间进行大规模试验阶段（Partnership）、私有化阶段（PRivatization）、商业化阶段（Commercialization）。现在的互联网以分组交换技术、TCP/IP体系结构为主要技术特征，从1969年的ARPANET开始，经历了30多年的发展历史，目前已经处于商业化发展阶段。互联网发展历史表明，互联网技术具有两大特点：一是它的实验科学特性，研究成果需要通过建立大规模的试验网进行实验和验证，需要Partnership发展阶段；二是它与产业结合的紧密性，从科研成果到实现产业化的发展速度很快，即Privatization和Commercialization两个阶段。以光通信技术为例，从实验室中拿出的研究成果可以很快转化为产品，并迅速投入市场，创造了技术发展每半年翻一番的新的“摩尔定律”。

　　由于光通信技术每半年翻一番，互联网用户数量每半年翻一番，在这样巨大的技术驱动和社会发展条件下，现在互联网的可扩展性、服务质量保证以及安全性等方面存在的问题日趋突出，下一代互联网技术应运而生。可以看出，下一代互联网具有与现在的互联网同样的发展规律和技术特点，美国的下一代互联网技术已经经历了研究开发阶段，目前正处于合作伙伴之间进行大规模试验阶段。

　　下一代互联网具有比当前的互联网更大、更快、更安全、更及时和更方便的特征，IPv6技术是实现这些特征的主要技术之一。IPv6协议由互联网标准化组织IETF的IPng工作组于1994年9月首次提出，其设计目标就是改进现行的IPv4协议的明显不足，将地址空间从IPv4的32位（地址总量为232）改变为128位（地址总量为2128），并提高网络的可管理性、安全性、可移动性和QoS能力等。目前，许多国家和地区的下一代互联网都在开展IPv6 技术的研究与实验，有些国家开始提供IPv6商业化服务。尽管我国已经对IPv6技术开展了4~5年的尝试性研究实验工作，并且积极参与了国际IPv6技术研究工作，但是我国当前下一代互联网的建设和研究还仅仅处于起步阶段，已落后于世界发达国家。当前我国下一代互联网研究迫切需要解决的问题是尚缺少一个长距离、大范围（类似NGI或Internet2）的具有广泛影响力的下一代互联网研究试验环境。

2.2IPv4向IPv6的转换技术研究

　　由于IPv4向IPv6过渡的重要性，IETF下一代互联网过渡工作组NGTrans已经提出了一些过渡策略和技术，概括起来可分为3类：同时支持两种协议的双栈技术、采用IP数据包封装的隧道技术和透明转换技术（包括数据包头转换和协议转换）。前两者需要主机做相应的修改，目前已有相应的软件协议栈和路由设备，第3种实际上是一种网关技术，最大的优点是不需要改动通信主机就能实现纯IPv4和纯IPv6主机之间的“透明”通信。这种互通技术的典型是NAT-PT，它集中了数据包头和上层协议转换于一身，是非常重要的IPv4/IPv6转换技术。IPv4向IPv6的过渡以及现有的IPv4网络和采用IPv6协议网络之间的互通将是未来网络能否真正投入使用的关键问题之一。

(1)双栈机制

　　双栈机制是处理过渡问题最简单的方式，通过在1台设备上同时运行IPv4和IPv6协议栈使得设备能处理两种类型的协议。双栈机制在过渡方法中虽然直观，但仍有一个很大的问题是双栈仍然要求相应主机必须配置IPv4地址，否则无效，这有悖于使用IPv6解决IPv4地址不够问题的初衷，而且使用双栈会增加主机的负担，降低性能。

(2)隧道机制

　　隧道机制允许运行IPv6的设备使用已有的IPv4网络设施进行传输。在两者都具备双栈的站点间，将IPv6数据包封装在IPv4数据包内，由IPv4网络传输，到达隧道端点后解封还原为IPv6包。这是目前使用最广泛的过渡技术，分为自动和手工配置两种。改进的技术有隧道代理技术（Tunnel Broker，即自动配置加代理）。

(3)直接转换机制

　　具体来讲，直接转换机制就是转换两种不同协议的数据包的相应字段，从而达到使两种协议互通的目的。这种机制最大的特点是不需要双栈支持，也不需要特定的路由（如要求隧道支持），在v4和v6节点之间提供透明的路由，是解决纯IPv4和纯IPv6网络之间通信的有效手段。2.3IPv6的研究内容

　　从当前全球互联网技术发展趋势来看，许多发达国家都在积极研究和推广下一代互联网，我国也在部署下一代互联网发展计划，建立国家级的下一代互联网试验床，研究IPv6、QoS、组播等网络服务技术、网络中间件技术以及网络连接应用技术，突破网络的可扩展性、移动性、安全性等关键问题。其中，重点是实验和验证IPv6技术的可行性，提出从IPv4到IPv6的过渡策略，实现基于IPv6的新型重大应用，包括大规模流媒体应用、移动性应用、以及网络信息家电应用等。下一代互联网的试验网建设、系统、应用和标准化专题研究，是我国下一代互联网发展战略布局的重要组成部分。建立连接主要城市的高速IPv6试验网，提供一个长距离、大范围（类似NGI或Internet2）的具有广泛影响力的下一代互联网研究试验环境，每个城市连接若干局域网或城域网，同时与国外IPv6试验网实现高速互联。在网上开展IPv6网络技术研究，包括：地址分配、路由、从IPv4到IPv6的过渡、网络管理和测量、QoS、组播等技术；技术开发主要为系统开发、应用技术开发及标准化研究；研究IPv6网络设备和系统关键技术（路由器、交换机等网络关键技术，协议一致性测试和互操作测试技术，主机服务器、用户终端、网络家电等与网络接入的关键技术，VPN、防火墙等网络安全关键技术）；研究开发IPv6典型应用技术（IPv6网络中间件，现有的IPv4应用到IPv6应用的过渡，IPv6应用软件的开发）；通过对试验网的性能测试和对共同开发的设备、软件和技术进行的验证测试，开展IPv6技术的标准化工作，参与国际开放标准研究，结合试验网研究成果提出新的IPv6国际标准。

3国外下一代互联网及IPv6技术现状和发展趋势

3.1国外下一代互联网研究计划

　　1996年，美国政府发起下一代互联网NGI行动计划，建立了下一代互联网主干网vBNS；1998年，美国下一代互联网研究的大学联盟UCAID成立，启动Internet2计划。继NGI计划结束之后，美国政府立即启动了旨在推动下一代互联网产业化进程的LSN计划。加拿大政府也支持了CANET发展计划，目前已经历4次大规模的升级。由于政府的高度重视和大力支持，目前以美加为主的北美地区代表了全球下一代互联网的最高水平。

　　美国在下一代互联网研究中日渐彰显的垄断趋势已经引起许多发达国家的关注。2001年，欧共体已经启动下一代互联网研究计划，建立了连接30多个国家学术网的主干网GEANT，并以此为基础全面进行下一代互联网各项核心技术的研究和开发。

　　日本、韩国和新加坡3国在1998年发起建立了“亚太地区先进网络APAN”，加入下一代互联网的国际性研究。日本目前在国际IPv6的科学研究乃至产业化方面占据国际领先地位。

　　2002年，美国Internet2联合欧洲、亚洲各国发起“全球高速互联网GTRN”计划，积极推动全球化的下一代互联网研究和建设。

3.2构筑下一代互联网的主要体系研究

　　根据美国NGI和Internet2研究计划的总体结构，下一代互联网主要包含基础设施、服务和应用3个层次。其中，处于中间的服务层由网络工程和中间件两部分组成。下一代互联网研究进展情况如下：

(1)基础设施

　　下一代互联网基础设施（Infrastructure）分为核心层（Core）、分布层（Distributed）和接入层（access）3个层次。核心层是主干网，主要涉及广域网技术，以IP/Optical为技术发展趋势，具有代表性的是美国Internet2的基础设施Abilene，网络规模覆盖全美，传输速率最高为2.5 Gbps，计划升级到10 Gbps。分布层是地区网，主要涉及城域网技术，以千兆位或万兆位以太网技术为未来发展趋势。接入层是园区网，主要涉及用户“最后1 km”的各种接入技术，其中无线/移动接入技术是未来发展趋势，基于IEEE 802.11b无线局域网技术传输速率达到11 Mbps，完全与以太网兼容，已在美国、日本等发达国家得到广泛应用；传输速率达到54 Mbps的基于IEEE 802.11a无线局域网技术的实验产品也已经出现。

(2)网络工程

　　在高速网络基础设施之上，为了提高网络的可扩展性、可管理性、实时性、安全性和可用性，开展包括Multicast，IPv6，QoS，网络管理和网络测量等网络服务技术研究和工程性试验。

(3)网络服务中间件

　　中间件（Middleware）技术位于网络基础设施与网络应用之间，包括核心中间件（Core middleware），面向应用的上层中间件（Upware），与网络相关的网络层中间件（Network-layer middleware）。其中，核心中间件包括对象标识、身份鉴别、目录服务、授权访问以及公钥基础设施PKI。

(4)网络应用

　　下一代互联网应用具有现行网络所没有的特征，包括交互式协同工作，远程仪器和设备的实时操作与控制，大范围、多站点的分布式计算和海量数据挖掘，分布式系统仿真，共享式虚拟现实等。Internet2的典型应用包括数字化图书馆、远程教育、远程沉浸（Tele-immersion）和虚拟实验室等。目前的研究热点包括数字视频和网格计算。

(5) 网络设备

　　构筑下一代互联网的关键设备仍然是路由器。路由器的发展沿着两条主线并行前进，一方面，路由器从原来的传统计算机技术向分布式硬件线速转发无阻塞交换方向发展；另一方面，互联采用的传输方式从传统的串口、以太网接口发展到IP over ATM，IP over SDH，直到目前的IP over DWDM，通信能力不断迈向新的量级。路由器已不再是简单完成包的转发功能，还有能力解决网络拥塞、时延和服务质量等问题。目前，最具代表性的G比特高速交换路由器是Cisco12000系列产品，系统容量从40 Gbps直到320 Gbps，支持POS，ATM，GE，FE等端口，接口速率从OC-3至OC-48，新近推出的124XX系列支持OC-192的10 G 接口。此外，有些国外公司已经研制和生产T级高速交换路由器，包转发速率为37 Mbps，交换速率达到5 Tbps。

3.3IPv6技术研究与发展状况

(1)国外IPv6技术研究与发展总体状况

IETF从1991年开始研究IPv4的地址长度和结构；1992年，IETF成立了IPng工作组；1992~1994年，IPng工作组收到了若干提案；1994年夏，IPng工作组提出了下一代IP网络协议（IPv6）的推荐版本；1995年夏，IPng工作组完成了IPv6的协议文本；1996年，IETF建立了全球范围的IPv6实验床6Bone，一个重要的设计目标是实现IPv6与网络中现行的IPv4协议兼容；1998年，面向实用的全球性IPv6研究启动；1999年，IPv6协议基本确定；2000年5月，3G标准化组织3GPP采纳IPv6为多媒体服务的必选协议。

国际上研究IPv6试验网及其相关技术、提供IPv6地址服务的组织有6Bone和6Ren等，并成立了全球性技术论坛“IPv6 Forum”。IPv6技术特点包括大的地址空间、自动配置、安全性、移动性、服务质量和组播，IPv6的研究热点集中在IPv4到IPv6的过渡策略等管理问题。

由于IPv4存在地址空间不足、缺少有效地服务质量控制和安全保障等问题，越来越多的国家开始关注IPv6技术的研究，并将其列入下一代互联网发展计划。日本于2000年9月开始推广IPv6，并于2002年4月宣布开始提供IPv6商业服务。韩国和欧盟也相继宣布启动IPv6推广计划。欧盟GEANT和美国Abilene的网络升级方案都选择了支持IPv6/IPv4双协议栈的路由器，计划建立Native IPv6试验网。需要指出的是，欧洲各国政府在推广IPv6方面发挥着重要的作用，根本的原因在于欧洲在移动通讯领域已经掌握了先机，即将到来的3G时代更让他们看到了在未来网络经济中与美国并驾齐驱的希望，要将这一希望变为现实，IPv6统治地位的早日确立就成为关键。由于下一代互联网对IPv6的需求，国际著名厂商生产的高性能路由器都支持IPv4/IPv6双协议栈，包括美国的Cisco和Juniper公司，也包括日本的日立、NEC和富士通等公司。

(2)IPv6标准研究进展

　　国际标准化组织IETF非常重视IPv6标准的发展，以下简要介绍有关IPv6的标准规范。

　　基本规范：RFC2460－IPv6规范；RFC2463－ICMPv6；RFC2462－地址自动配置；RFC1981－PMTU发现协议；RFC2461－邻居发现协议。

　　地址：RFC1753针对Nimrod路由和地址结构提出对IPv6互联网络设计的要求；RFC1881指出IPv6地址空间由IANA管理；RFC1887讨论了IPv6单播地址分配方案设计；RFC2373讨论了IPv6地址的体系结构；RFC2374，RFC2375，RFC2471，RFC2526讨论了可聚集全球单播地址、组播地址、测试地址、保留的IPv6子网任意播地址的有关问题；RFC2732定义了在URL中使用的文字IPv6地址格式。

　　安全：涉及报头和数据的认证以及传输的标准有RFC2401，RFC2402，RFC2403，RFC2404，RFC2405，RFC2406以及RFC1828，RFC1829等。

　　过渡机制：RFC2473讨论了IPv6协议中一般的包隧道技术；RFC2529定义了在IPv4组播域上进行IPv6包传输的数据格式等；RFC2893讨论了IPv6主机和路由器的转换机制；RFC2185讨论了RFC1933提出的转换机制中涉及的路由问题。

　　路由协议：包括RIPng协议（RFC2080－RIPng for IPv6），OSPFv3协议（RFC2328－OSPFv2和RFC2740－OSPF for IPv6）等。

　　移动IP：相关的草案包括Draft-IETF-mobileip-IPv6-16和Draft-IETF-mobileip-IPv6-17等。

4国内下一代互联网研究及产业关联度与市场分析

4.1中国下一代互联网的研究进展

近年来，我国已经启动了一系列和下一代互联网研究相关的计划，如教育部的CERNET－IPv6试验床、国家自然科学基金委员会的“中国高速互联研究试验网络(NSFCNET)”和“网络与信息安全”重大专项；国家“863”计划“十五”期间的IPv6核心技术开发、IPv6综合试验环境、3Tnet重大专项；国家“973”计划有关网络、通信、信息安全以及人机和谐环境的相关课题；中国下一代互联网交换中心DRAGONTAP以及CERNET2试验网；中科院的“IPv6关键技术及城域示范网”和国家计委的“下一代互联网中日IPv6合作项目”等。这些计划已经取得部分成果，为我国下一代互联网建设奠定了一定的基础。

4.2IPv6技术研究进展和发展动向

　　通过几年的研究，我国在下一代互联网核心技术与纯IPv6试验网等方面取得了一些成果，主要表现在以下几个方面：在高性能核心路由器及其相关IPv6技术方面，国家863计划“中国高速信息示范网”专项的高性能核心路由器项目，研制的高性能核心路由器的背板交换速率达到40~160 Gbps，包转发率 > 20~40 Mbps，路由表容量达到512 k，接口类型包括2.5 G OC-48c，155 M OC-3，100/1000 M Ethernet等。

　　IPv6协议研究方面，初步实现了IPv6协议栈；在IPv6安全中间件、IPSec协议开发、IPv6信息过滤技术等领域进行了研究与开发；对TCP/IP协议进行了一致性测试、互操作性测试、性能测试，提交了4个TCP/IP协议测试集RFC标准草案；对IPv6协议一致性测试平台及相关测试集进行了研制与开发。

　　在IPv6其他相关技术研究方面，进行移动IPv6网络技术研究、IPv4和IPv6过渡有关的技术研究、基于IPv6协议的QoS相关技术研究。

　　在IPv6协议标准化研究方面，中国成立了互联网络IP标准组，IPv6协议已列入标准组的标准制定计划，共有9个IP协议标准项目，并有多个IPv6软课题研究，同时与国际多家企业建立IPv6标准研究合作关系。

　　在IPv6试验网研究方面，利用IPv4隧道技术建立了IPv6试验床，已与世界各地建立了13条BGP4+的连接。

在IPv6试验网相关技术研究方面，对IPv6地址分配策略、IPv6路由、IPv6与IPv4协议转换、基于IPv6协议的网络管理、IPv6基本网络服务（www，DNS，FTP）等技术进行了研究与实验。

在下一代互联网络试验网及其应用方面，建设了中国第一个下一代互联网络交换中心“Dragon TAP”，并实现了与国际下一代互联网的连接。4.3IPv6与有线电视

　　网络当中一台计算机配有1394卡，并实时捕获由小转换器传来的有线电视信号。此计算用DVTS将捕获数据压缩并封装到IPv6数据包中从网卡传送到网络的其他计算机。

　　2003年8月，美国华盛顿大学完成了在HDTV over IP的试验，一个传输于互联网上的HDTV数据流超过了250 Mbps，预测2004年HDTV over IP的试验将会在国内开展。

4.4产业关联度与市场分析

(1)IPv6技术与电信运营产业的关隶

　　由于互联网技术的飞速发展，传统电信的话音、数据与视频业务相互分离的状况已经被打破，正在向IP融合的方向发展。对于国内电信运营商而言，面临着从传统电信网络向以IP技术为核心的新型电信网络过渡的问题，而IPv4的地址空间、安全性和服务质量控制等问题是推出新型业务前必须解决的关键。

　　IPv6技术有望改进IPv4存在的不足。通过实验和验证IPv6技术的可行性，为电信运营商探索新型业务模式以及相应的运营模式，加速从传统电信到IP技术的过渡，支持多种形式的应用和服务，使电信运营商能够从下一代互联网中盈利。采用IPv6技术的互联网，不仅会覆盖以互联网为主的数据通信市场，还会覆盖以话音通信为主的固定通信和移动通信市场，并会产生新的以娱乐和教育为主的视频通信服务市场，以及信息家电联网服务市场。因此，IPv6技术会为电信运营业带来广阔的市场前景。

(2)IPv6技术与设备制造产业的关隶

　　与互联网相关的设备包括通信设备、网络设备（路由器和交换机）、主机和终端设备、网络与信息安全设备（防火墙等）。采用IPv6技术建立互联网，有望满足中国众多人口的上网需求，使中国成为世界上最大的互联网市场，为国内研制和生产上述设备的制造商提供了巨大商机，并可大大促进关键设备国产化的发展进程。同时，由于IPv6带来的网络可扩展性和可移动性，也为各种移动式终端、流媒体信息终端及其外部设备，以及信息家电的制造厂商提供了重要发展机遇。因此，IPv6技术可为设备制造产业带来广阔的市场前景。

(3)IPv6技术与软件产业的关隶

　　由于IPv6具有的技术特点，基于IPv6的网络有望支持大规模的、多种形式的、新型的网络应用，需要研制和开发大量的系统软件和应用软件。与网络建设与运营、设备制造产业相比，软件产业发展具有更大的自主性，更加贴近中国国情的发展需要。因此，IPv6技术为我国的软件产业带来更大的发展空间，具有广阔的市场前景。

摘自　中国有线电视

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