当IPv6时代来临：每一粒沙子都有地址

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作者：徐明伟杨术
# Y( W2 N/ e& P随着互联网的高速发展，现有IPv4(互联网协议版本4)已经无法满足互联网的需求。IPv6(互联网协议版本4)成为未来主流IP技术。Google，Facebook，Bing等各大网站均表态将永久支持IPv6。借用一下6月6日下一代互联网发展建设峰会上中国工程院邬贺铨院士的发言，我国应当推动IPv6的普及，我国的IPv6发展决不退回。
IPV4:5亿中国网民用3亿地址
( ?/ c. O) }0 _: xIPv6是IP(互联网协议)的一个新版本。我们首先介绍IP协议。IP协议是为了在互联网的主机之间传输数据而设计的，为了将数据从源送到目的地，每个主机都需要一个地址。就像在现实生活中人们之间传递信件，每个人都需要有一个邮寄地址一样。
在最初，每个主机的地址格式是由IPv4协议规定的，每一个IP地址都是由32个二进制位串组成，由某些互联网组织(如IANA，互联网号码分配机构等)负责分配，每个组织像维护一个蓄水池一样维护着一个地址池。地址一般从高层组织往低层组织，以地址块，即地址集合的形式分配，例如，IP地址首先由IANA分配到亚太地区，再分配到中国电信，再由中国电信分配到每一台管辖的主机。
2 ~7 i, j8 N8 @% pIPv4地址被设计为32位，是因为在互联网的初始阶段，并没有很多主机，全世界也只有美国的几所大学、科研院所及美国军方使用IP网络，而32位的IP地址集合拥有232=4,294,967,296个IP地址。但互联网的爆炸式增长超出了任何人的想像。随着互联网进入千家万户，IPv4地址被迅速分配消耗，各大维护IPv4地址的组织发现自己地址池里的地址所剩无几。在2009年5月12日，全球大约只有494,196,000个地址未被分配，到了2011年2月3日，IANA宣布它的地址池里最后一个地址块已被分配。
IPv4地址的短缺让互联网面临危机，新加入的主机无法获得地址，就无法成为互联网世界的一员。这个危机在中国尤其明显，因为中国互联网虽然发展迅速，但起步比较晚，这使得在中国互联网急需大量IPv4地址的时候，IPv4地址已大量被欧美等发达国家占有。尽管中国在尽量争取，但还是只能获得有限量的IPv4地址。到2012年3月，中国只占有3亿余个IPv4地址，而同时期中国的网民数目却已超过5亿。IPv4地址的短缺势必影响到广大网民的上网体验和我国互联网发展。
$ c7 Q# R  g* R* f: |IPV6:每一粒沙子都有地址
$ |) o& C4 A. d# I2 J' d& y为了解决IPv4地址短缺的问题，研究人员做了各种各样的改进。在IPv4协议开始使用的时候，将IPv4地址块分成A,B,C,D类，一个A类地址能提供16,777,216个IPv4地址，一个B类地址能提供65,536个IPv4地址，一个C类地址能提供256个IPv4地址。如果某个机构有70,000台主机，那么它最少需要申请两个B类地址，那么将有大约265,536-70,000=61,072个IPv4地址被浪费。为了提高IPv4地址的使用效率，互联网标准化组织IETF(互联网工程任务组)改进了地址分配策略，IPv4地址的分配不必服从A,B,C,D这种地址格式。
7 x2 f1 T2 |& I2 M7 H0 q另外一个例子是，最开始的时候每一台主机都固定有一个IPv4地址，但是接下来人们发现，通常一台主机并不是任何时候都需要使用IPv4地址，例如有的主机通常只在白天需要连接互联网，有的主机只需要晚上连接，所以为了进一步提高IPv4地址的使用效率，人们又设计了IPv4地址的动态分配方案。当主机需要使用IPv4地址的时候，就将一个IPv4地址分配给这台主机;当不需要的时候，就会将这个IPv4地址回收，继而可以分配给另外一个主机。
但即使是做了改进，也无法从根本上解决IPv4地址短缺的问题。虽然IPv4地址的分配不必服从A,B,C,D这样的地址格式，IPv4地址仍然不够分配。即使使用了动态分配方案，但在同一个时段，特别是互联网使用高峰时段，连接到互联网的主机数量也非常巨大。
% k* U; B8 c" h  I7 r为了从根本上解决IPv4地址短缺的问题，IETF在1994年成立了若干IPng(下一代IP协议)工作组，1996年IPv6协议标准发布，IPv6协议正式得到确立。与IPv4协议相比，IPv6最大的优势在于其地址长度达到了128位，这使得IP地址的数目达到了3.4x1038。人们做过估计，如果IPv6地址被充分利用的话，地球上的每一粒沙子都可以拥有一个IPv6地址。这说明，未来不仅只有计算机能够上网，冰箱、洗衣机等家用电器也有足够的地址可用。
过渡方案有两套
1 Q; g5 [" i+ IIP地址数目的问题得到了解决，但IPv6的诞生又产生了新的问题。人们正在使用IPv4协议，即现有的主机都使用IPv4地址，这些主机的数量巨大，不可能在一夜之内全部变为使用IPv6协议，只能一部分一部分地改变。那怎么让一部分人使用IPv6协议的时候，使用IPv6协议的主机能和使用IPv4协议的主机透明通信，即人们感觉不到协议的变化。这个问题被称为IPv4/IPv6过渡问题。
/ ?# M2 a0 M5 ]2 U' ?我们可以做一个类比。在物流系统中，集装箱有不同的规格标准，假设有大集装箱，有小集装箱，但为了有效利用空间，规定同一条船只能有一种规格的集装箱。这里我们可以将使用大集装箱的船看成IPv6网络，使用小集装箱的船看成IPv4网络，那么问题就是当一条使用一种规格集装箱的船要将货物装载到使用另一种规格集装箱的船时，应该怎么办?
( I, }( o1 i9 S+ u; ~对于物流系统来说，有两种办法：一种是将货物从集装箱里卸载出来，然后接着装填到另外一种规格的集装箱里去;另外一种是将小集装箱直接放进大集装箱里去。
5 g+ v' R4 d: m+ ?% S对于IPv4/IPv6过渡来说，同样也存在类似的两种方法。一种是翻译方案，即将数据从IPv4(或IPv6)分组中提取出来，然后放到IPv6(或IPv4)分组中去;另外一种是隧道方案，即将IPv4(或IPv6)分组，作为用户数据重新封装，放到IPv6(或IPv4)分组中去。
5 h4 @2 S+ k+ I$ P2 B4 y目前我国在IPv6网络的研究、开发和建设上取得了巨大的成就，组织实施了下一代互联网示范工程(CNGI)，并通过国家科技重大专项和其他相关科技计划，在基于IPv6的下一代互联网理论研究和标准制订、网络基础设施建设、关键设备研发、技术试验与应用示范等方面取得了一系列成果。2003年，第二代中国教育和科研计算机网CERNET2建成，是目前世界上规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网主干网。2005年由清华大学提出的IPv4/IPv6过渡标准(RFC4925)成为我国第一个非中文相关的信息类互联网RFC标准。
徐明伟清华大学计算机系教授、博士生导师
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