基于互聯(lián)網(wǎng)地址協(xié)議的應(yīng)用與發(fā)展研究

[摘 要] 目前互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的IP地址協(xié)議IPv4面臨著諸如地址匱乏等各種各樣的問(wèn)題，無(wú)法再采用“打補(bǔ)丁”的方式解決，迫切需要一種新協(xié)議的出現(xiàn)，IPv6協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。IPv6協(xié)議具有眾多IPv4無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，雖然它仍需經(jīng)歷一段時(shí)間較長(zhǎng)的發(fā)展與完善的歷程，但其廣泛應(yīng)用是必然的。

[關(guān)鍵詞] IPv4； IPv6； 地址空間； 發(fā)展； 研究

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2013 . 16. 048

[中圖分類號(hào)] TP393 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2013）16- 0077- 02

1 IPv4協(xié)議簡(jiǎn)介

建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，首先需要建立一個(gè)全網(wǎng)地址系統(tǒng)，為每一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)主機(jī)或路由器分配一個(gè)全網(wǎng)唯一的地址，來(lái)保證計(jì)算機(jī)之間的正常通信。這個(gè)地址系統(tǒng)就是通過(guò)IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。IP即Internet Protocol，它是TCP/IP協(xié)議族中網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議族的核心協(xié)議。目前IP協(xié)議的版本號(hào)是4，也就是IPv4協(xié)議，IPv4協(xié)議從1981年的第一階段發(fā)展至今已經(jīng)使用了30多年。

在IPv4協(xié)議中，IP地址是一個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)。為了書(shū)寫(xiě)方便，用點(diǎn)分十進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。IPv4協(xié)議把IP地址分為了5類，分別為A、B、C、D、E類。其中廣大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用戶使用的是A、B、C類IP地址，D類和E類用于多播地址或?qū)嶒?yàn)來(lái)使用。

2 IPv4的不足和缺陷

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)用戶要求接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。然而，在建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初期，設(shè)計(jì)者們?cè)O(shè)計(jì)的編址方案主要是針對(duì)大型機(jī)互聯(lián)，并沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到個(gè)人計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)會(huì)有如此之快的發(fā)展速度，因此，現(xiàn)行的IPv4協(xié)議漸漸暴露出了它的不足和缺陷，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 地址空間瀕臨枯竭

IPv4定義的IP地址共有32位，原則上可以分配232 個(gè)地址，大約43億個(gè)，除去D類和E類不能被用戶使用的地址，可供分配的地址就更少了，目前，IPv4地址已經(jīng)分配完畢。

2.2 地址分配貧富不均

舉例來(lái)說(shuō)，IPv4規(guī)定A類地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)為8位，主機(jī)號(hào)為24位，一個(gè)A類地址可容納的主機(jī)個(gè)數(shù)為224-2個(gè)，大約有1 600多萬(wàn)臺(tái)主機(jī)，即使一個(gè)非常大的機(jī)構(gòu)也不可能使用1 600多萬(wàn)臺(tái)主機(jī)，存在嚴(yán)重的浪費(fèi)問(wèn)題。同理，B類地址的浪費(fèi)問(wèn)題也很嚴(yán)重。IP地址的有效利用率很低。

2.3 路由器工作效率低下

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分配的IP地址越多，路由表越大，路由器查詢速度變慢，時(shí)間增長(zhǎng)，效率降低，最終會(huì)不堪重負(fù)。

3 對(duì)IPv4有效使用的改進(jìn)

針對(duì)IPv4的種種問(wèn)題，研究者提出了幾種解決方案。

3.1 劃分子網(wǎng)

將IPv4的兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劃分為三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)幾個(gè)單位共同使用一個(gè)A類或B類地址提高IPv4地址利用率。這種方法已普遍應(yīng)用于IPv4協(xié)議中。

3.2 超網(wǎng)技術(shù)

超網(wǎng)技術(shù)也被稱為無(wú)類域間路由CIDR（Classless Inter Domain Routing）技術(shù)。技術(shù)核心是將現(xiàn)有的IP地址合并成較大的、具有更多主機(jī)地址的路由域，從而減少路由表的大小，減輕路由器的負(fù)擔(dān)，但實(shí)質(zhì)上，使用超網(wǎng)技術(shù)并沒(méi)有擴(kuò)大IP地址空間。

3.3 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT（Network Address Translation）技術(shù)是目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)。其核心是為每一個(gè)單位分配一個(gè)或少量幾個(gè)外用的IP地址，用于訪問(wèn)Internet。而在單位內(nèi)部，給每一臺(tái)主機(jī)分配的是不能夠在Internet上直接使用的、內(nèi)部獨(dú)立分配的IP地址，這個(gè)內(nèi)部IP地址符合IPv4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠在單位內(nèi)部計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。但如果單位內(nèi)部計(jì)算機(jī)想要訪問(wèn)Internet，必須通過(guò)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT的主機(jī)或路由器，將內(nèi)部IP地址轉(zhuǎn)換成外用的IP地址去訪問(wèn)。這樣，只給單位分配IP地址即可，個(gè)人主機(jī)并不分配真正的IP地址，極大地減少了IP地址的分配數(shù)量。NAT技術(shù)主要應(yīng)用于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和虛擬專用網(wǎng)絡(luò)中，以及ISP（Internet Service Provider）提供的撥號(hào)服務(wù)上，ISP甚至不給用戶分配靜態(tài)的IP地址，只是隨機(jī)分配給用戶一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，用完即釋放。但是NAT技術(shù)增加了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的隱性成本，它只能算是解決IPv4地址缺乏問(wèn)題的臨時(shí)方案。

4 IPv6協(xié)議的推出及應(yīng)用前景

通過(guò)以上內(nèi)容的分析，要真正解決IPv4協(xié)議的不足和缺陷，不能僅僅只在IPv4協(xié)議的基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ)，迫切需要一種新協(xié)議的出現(xiàn)，那么IPv6協(xié)議誕生了。

IPv6是下一版本的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，也可以說(shuō)是下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。單從數(shù)量級(jí)上來(lái)說(shuō)，IPv6采用128位地址長(zhǎng)度，所擁有的地址容量達(dá)到2128個(gè)，比IPv4多了大約296個(gè)，幾乎可以不受限制地提供IP地址。IPv6協(xié)議可分配的IP地址，達(dá)到了在地球的每平方米面積上1 000多個(gè)的密度。

IPv6協(xié)議有效地解決了IP地址短缺問(wèn)題的同時(shí)，還在許多方面提出了改進(jìn)。例如，支持自動(dòng)配置，用戶不再需要自己手動(dòng)設(shè)置IP地址，地址自動(dòng)設(shè)定。此外，在安全性、擴(kuò)展性、服務(wù)質(zhì)量、地址結(jié)構(gòu)合理性方面都有了進(jìn)一步的提高和完善。

雖然IPv6協(xié)議具有許多IPv4協(xié)議無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是從IPv4過(guò)渡到IPv6并不簡(jiǎn)單。主要體現(xiàn)在：

（1） IPv6并非完美的，不可能解決所有問(wèn)題，只能在發(fā)展中不斷完善，這需要時(shí)間和成本。

（2） 現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)IPv6的支持還不充分，整體應(yīng)用IPv6勢(shì)必需要巨大的人力、財(cái)力投入，這是設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)連接提供商等難以接受的，因?yàn)樗麄冋龔腎Pv4上獲得穩(wěn)定的收益，而構(gòu)建IPv6網(wǎng)絡(luò)的成本需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能收回。

（3） IPv4升級(jí)到IPv6不僅僅涉及到技術(shù)問(wèn)題和商業(yè)問(wèn)題，還有政治問(wèn)題。美國(guó)是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)源地，長(zhǎng)期在信息技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位，擁有世界上74%的IP地址，地址空間緊張的壓力感受并不強(qiáng)烈，不急于向IPv6過(guò)渡，因此美國(guó)對(duì)IPv6并不重視，這就影響了IPv6的快速發(fā)展。

雖然IPv6的廣泛應(yīng)用存在著各種各樣的阻力，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，IPv6有利于互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)和長(zhǎng)久發(fā)展。我國(guó)以及亞太的一些國(guó)家，如韓國(guó)和日本等，已經(jīng)走在了促進(jìn)IPv6產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前列。最近，美國(guó)的態(tài)度也在發(fā)生著改變，美國(guó)軍方已經(jīng)開(kāi)始采用IPv6，美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)具體部署了IPv6的進(jìn)度安排。

任何一個(gè)新協(xié)議從誕生到廣泛應(yīng)用都需要一個(gè)過(guò)程，經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的IPv4和IPv6共存的時(shí)期，IPv6最終會(huì)完全取代IPv4在互聯(lián)網(wǎng)上占據(jù)統(tǒng)治地位。

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