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IPV6

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第1章为何要升级IP

我们都知道岁月的流逝并不会使一些美好的事物消失。但不幸的是，一些现在看来不错

的事物并不意味着能够永远使用下去

—

无论它现在是多么的辉煌，它或者将会过时，或者

将被开发殆尽，总会有新鲜的事物遮盖它原有的光芒。而当这种好的事物已经成为基础设施

的一部分的时候，对它的维护变得非常重要，而了解何时对它进行升级以及如何以最少的混

乱、最低的代价进行升级则显得尤其重要。

I P第4版作为网络的基础设施而广泛地应用在 I n t e r n e t 和难以计数的小型专用网络上，这就

是著名的I P v 4 。I P v 4 是一个令人难以置信的成功的协议，它可以把数十个或数百个网络上的

数以百计或数以千计的主机连接在一起，并已经在全球 I n t e r n e t上成功地连接了数以千万计的

主机。I P 协议诞生于7 0 年代中期，可以用几种不同方式表示 I P的存在时间，本章以及本书的

其他部分中将有更详细的描述。但是 ,就像被过度使用的桥或高速公路一样， I P v 4 已经走到了

尽头并且必须马上升级。

本章将讨论以下议题：

• 什么是I P v 4，为什么它如此重要？

• IPv4中存在哪些问题，它为什么需要升级？

• 为什么我们现在就需要修补 I P而不是等到将来？

• IP的升级对于用户、网络操作员、管理者和供货商究竟有哪些影响？

在本书中，I P用来指网际协议的各个版本，I P v 4是指1 9 9 8年及早些时候使用的I P 。

I P v 6指的是由I n t e r n e t工程任务组( I E T F )制订的用来取代I P v 4的新的I P版本，该协议公布

在最近发表的IETF的RFC文档中。

1.1 IP的影响

元素、化合物及服务等已经融入了我们 (以及我们的父辈和祖父辈 )的日常生活，但I P 与此

不同，在我们的印象中，它的使用还远不能像使用电力或道路网络一样的熟悉和必不可少。

即便如此，无论是个人计算机产品还是大型主机产品，对于 I P 的支持实质上已经成为新的计

算机硬件、软件或网络设备最普遍的功能之一。网际协议及其相关协议已经取得了 I B M和苹

果、微软、网景、S u n 、N o v e l l、康柏、莲花及所有其他主要计算机厂商的共识。本节将介绍

以下问题：

• 究竟什么是I P ？

• IP可以应用在哪些地方？

• 有多少人、多少计算机和网络在使用 I P ？

第一部分 IP基础知识

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• 如果I P发生变化，我们能够预计到什么？

1.1.1 什么是IP

I P 解决的最根本的问题是如何把网络连接在一起，也就是把计算机连接在一起，而且除

了其他计算机的网络地址之外，这些连接起来的计算机无需了解任何的网络细节。这就有以

下三个要求：首先，每个连接在“网络的网络”上的计算机必须具有唯一的标识；其次，所

有计算机都能够与所有其他计算机以每个计算机都能识别的格式进行数据的收发；最后，一

台计算机必须能够在了解另一计算机的网络地址后把数据可靠地传至对方，而无需了解对方

计算机和网络的任何细节。 I P 实现了上述目标。详细的介绍参见第 2章，本节将进行扼要 (可

能是非常简单)的介绍。

所谓“网络的网络”就是互联网络( i n t e r n e t w o r k )，也被简称为互联网( i n t e r n e t )。全

球I n t e r n e t与它们的区别在于它的第一个字母是大写的 I。最近，内联网( i n t r a n e t )逐渐取

代互联网用于指称使用TCP/IP的机构网络。

T C P / I P 网络协议集基于一个四层的网络互联模型来连接任意两个系统。最底层是物理层，

位于物理层之上的是数据链路层，用于在网络媒体 (如以太网电缆或无线发送器 )上传输计算机

格式的数据。这一层协议使得连接在同种媒体上的两个系统可以通信，但不能与未连接在同

一媒体上的系统通信。换言之，所有连接在办公室的以太网集线器上的 P C 机之间可以在数据

链路层直接进行通信，但也只有连接在该集线器上的计算机才能彼此通信。

在数据链路层，数据被发送到与计算机的网络接口相关联的地址。这意味着每个将计算

机连接到网络的设备都有一个类似于序列号的地址：对该连接设备这个地址通常是唯一的，

每个设备“侦听”目的地址与自己的地址相同的数据包。如果一个系统没有连接到特定网络

上的设备，它就不能与网络上的其他系统在数据链路层上直接通信。

不在同一个物理网络上的系统不能在数据链路层直接进行通信的部分原因，在于连接在

不同的网络上的计算机往往使用不同的协议。例如：使用令牌环网的计算机无法理解以太网

上传输的数据。另一个原因是链接不同链路层协议的网络需要特殊类型的系统，这种系统被

称为网关( g a t e w a y )。网关是一个同时连接两个或更多运行不同协议网络的计算机，它可以将

来自一种数据链路层协议的数据翻译成另一种协议。但即便有了网关，仍然需要一些其他的

办法来连接异构的网络。

数据链路层的上一层被称为网际层，正是在这一层，位于不同物理网络上的设备可以进

行通信。每一个接口被分配了一个网际层地址，这个地址在连接在该互联网络上的所有系统

中具备唯一性(使用I P 连接到网络上的系统通常称为主机 )。所有连接在同一个互联网络上的主

机可以理解这些地址，并可以在必要时使用各种方法将这些地址与数据链路层的地址进行映

射。路由器正是在 I n t e r n e t 层发挥作用的：这些系统 (也可以是网络协议网关 )连接在两个或更

多的网络上，并由连接到这些网络上的所有主机使用，以向远端网络上转发数据包。

一个需要全球唯一地址的网络示例是电话系统：每个电话用户必须具备一个唯一

的电话号码。随着电话网络的扩展和用户数量的增加，电话公司用增加交换局和地区

号来加长电话号码的做法并不少见。与电话号码不同，虽然 I P 地址也是由数字组成，

但它既不能多于也不能少于3 2位。正如在美国使用的1 0位电话号码把电话用户的数量

2 第一部分 I P基础知识

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限制在了1 0

1 0

之内，3 2位地址限制了I n t e r n e t的地址数量不能超过2

3 2

，即接近于4 0 亿。与

电话号码一样，真正可用的地址少于理论值(在I n t e r n e t地址中更少)，这主要是由于一些

号码被保留或具备了特殊意义。地址空间的限制是 I P v 4的根本问题，本书将进一步讨

论这个问题。

当一台主机需要向另一台主机发送数据时，它将检查目的主机的 I n t e r n e t 地址。如果该地

址与自己连接在同一物理网络上，则发送端主机简单地通过数据链路层将数据包发送至目的

地。在这种情况下，以太网上的发送端主机将通过以太网传输直接到达目的主机。

但是，如果发送端主机发现目的方主机与自己不是连接在同一物理网络上，那么发送端

主机将把数据发给与自己连接在同一个物理网络上的路由器。然后，该路由器判断数据的目

的地址是否属于与自己直接连接的网络。如果是，该路由器将简单地把数据交给目的主机；

如果该数据的目的地址不属于与自己直接连接的网络，该路由器将把数据转发给连接在其他

网络上的路由器。如此继续，如果一切顺利的话，直到将数据最终交给与目的主机在同一物

理网络上的路由器为止。

其他T C P / I P 网络互联操作在传输层和应用层上完成。在传输层上，数据在通信系统的实际进

程之间移动；在应用层上，数据在应用自身之间移动。这些层以及网络层将在第2章中详细讨论。

1.1.2 IP应用在哪些地方

许多年以来，只有在大学或研究机构的网络中才能找到 I P的应用。而 I P的商用产品直到

8 0 年代后期、 9 0 年代初期才出现，即使这样，这些产品仍被定位为专用产品。直到 1 9 9 5年，

T C P / I P 才被普遍引入到个人计算机产品中，因为从那时起， N o v e l l 和微软开始选择 I P 作为连

网协议来支持其打印和文件服务的网络传输。

这意味着正在使用 I P 的不仅包括每个连接到 I n t e r n e t 的计算机，还包括所有使用这些网络

操作系统来访问机构资源的所有计算机，而不论这些计算机是否连接到 I n t e r n e t 。

从手提式电脑到功能强大的超级计算机，目前使用的所有计算机几乎都支持 I P。另一方

面，I P也越来越多地用于连接其他设备，从而可以任意地使用网页浏览客户机访问内置网页

服务器以实现对家用电器和安全系统的远程控制。

使用I P的网络除了I n t e r n e t 之外还包括称作内联网的公司网络，其规模可以从一个办公室

中连接在一起的几台主机到分布在全球范围内的所有分支机构的数以万计的主机。 I P 网的另

一个特例是外联网 ( e x t r a n e t ) ，它是出于某个共同目标在实体间提供安全连接的专用 I P 网。例

如，外联网可用于把不同公司的成员连接成一个工作组或把需要传递订货和执行信息的商业

伙伴连接起来 (如需了解更多的关于外联网的信息，参见作者的另一本书《 Extranet Design

and Implementation》( S Y B E X , 1 9 9 7 ) ) 。

从计算机硬件和软件到家庭娱乐产品、移动电话，甚至支持无线 I n t e r n e t连接的汽车，这

些支持I P的产品的数量体现出I P对于当今世界的通信基础设施的重要性。

1.1.3 有多少人在使用IP

“有多少人在使用连接到 I P网络的系统”是一个复杂的问题。对于运行 I P和连接到I n t e r n e t

的网络数量，曾经一度有一个简单的计算方法：可以根据由不同网络授权机构指派的网络地

址数量作出判断。可这种方法并不能保证其正确性，因为它忽略了那些运行 I P 但没有连接

第1章为何要升级IP 3

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I n t e r n e t 的网络。

如今情况更加复杂，因为一个网络地址可以分为子网，由使用同一个 I n t e r n e t服务供应商

( I S P ) 的多个机构共享。与此类似，还有很多机构在连接到 I n t e r n e t 时采用了网络地址翻译技术

(这种方法在内部主机 /网络与外部主机 /网络间使用网关作为媒介，网关把只有内部网才能识

别的内部网络地址翻译为外部网络能够识别的地址 )，在官方的统计数据中同样也不会包含这

种网络。以上两种技术将在后续章节进一步讨论，使用这两种技术可以连接更多网络，但同

时加大了准确统计I n t e r n e t 网络数量的难度。

即使网络数量的准确统计成为可能，每个网络中包含的主机也并非都可计数。今天，网

络中越来越多的公司使用地址翻译技术和防火墙技术把公司的资源隐藏起来，任何一个网络

所连接的主机名字和数量对于公司外部的人都很难辨别和获得。

最后，想要统计出通过这些系统访问 I P 网络的个人用户数量更是难上加难。大型主机和

超级计算机可能有数以百计甚至更多的用户，同时还有一些用户使用多台计算机。结果是必

须推测每台计算机上的平均用户数量，实际的数目可能是高达每台计算机 3 0 0 个用户也可能低

至每台计算机1 / 3 个用户。

根据过去十年中令人目瞪口呆的增长速度，研究分析者提出了一些不同的估计，但勿庸

质疑的是，I n t e r n e t上肯定有数千万台主机，且使用 I P 的个人用户数量有一亿甚至更多。

1.1.4 当IP发生变化时会产生哪些影响

正如你看到的一样，I P 的升级将影响许多人和机构。当从 I P v 4 向I P v 6 转变时，可能会发生

一些事情，而这些都需要网络管理员来应付。首先，可能没有任何变化：没有软件 /硬件升级、

服务不变、一切不变，只要网络管理员选择不进行任何升级或只升级与 I n t e r n e t的连接。相反，

也可能有很大变化，许多新的网络软件需要分发和配置，新的应用需要安装和升级，升级时

出现的故障需要应付；此外，升级还会给用户、机构和网络管理员带来显著的好处。

过渡方案以及不同的过渡策略将在第 1 2 章中进一步讨论。

1.2 IPv4的局限性及其缺点

在当前计算机工业飞速发展的步伐下，指出 I P v 4的局限性和缺点如同指出小汽车和卡车

的内燃机是有缺陷的动力源一样。 I P的确是一个非常强壮的协议，并已经证明了它能够连接

小至几个节点，大至 I n t e r n e t 上难以计数的主机。为交通工具选择动力源时，只要能像汽油机

或柴油机一样提供动力，任何人都可以使用包括电能、太阳能或是风能作为上路的动力而不

会影响别人，与此不同的是， I P的升级将对所有使用I P 的人产生重大影响。

T C P / I P 的工程师和设计人员早在 8 0 年代初期就意识到了升级的需求，因为当时已经发现

I P 地址空间随着 I n t e r n e t 的发展只能支持很短的时间。本节将介绍 I P 必须升级的原因以及可以

同时改进之处，其中包括：

• 地址空间的局限性：I P 地址空间的危机由来已久，并正是升级的主要动力。

• 性能：尽管I P表现得不错，一些源自2 0 年甚至更早以前的设计还能够进一步改进。

• 安全性：安全性一直被认为是由网络层以上的层负责，但它现在已经成为 I P的下一个版

本可以发挥作用的地方。

• 自动配置：对于I P v 4 节点的配置一直比较复杂，而网络管理员与用户则更喜欢“即插即

4 第一部分 I P基础知识

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用”，即：将计算机插在网络上然后就可以开始使用。 I P 主机移动性的增强也要求当主

机在不同网络间移动和使用不同的网络接入点时能提供更好的配置支持。

1.2.1 IP地址空间危机

I n t e r n e t经历了核爆炸般的发展，在过去的 1 0 到1 5 年间，连接到I n t e r n e t的网络数量每隔不

到一年的时间就会增加一倍。但即便是这样的发展速度，也并不足以导致 9 0 年代后期I P 地址

的匮乏。

I P 地址为3 2 位长，经常以4个两位十六进制数字表示，也常常以 4个0至2 5 5 间的数字表示，

数字间以小数点间隔。每个 I P 主机地址包括两部分：网络地址，用于指出该主机属于哪一个

网络(属于同一个网络的主机使用同样的网络地址 )；主机地址，它唯一地定义了网络上的主机。

这种安排一方面是I P 协议的长处所在，另一方面也导致了地址危机的产生。

由于I P v 4的地址空间可能具有多于4 0亿的地址，有人可能会认为I n t e r n e t很容易容纳数以亿

计的主机，至少几年内仍可以应付连续的倍增。但是，这只适用于I P地址以顺序化分布的情况，

即第一台主机的地址为1，第二台主机的地址为2，依此类推。通过使用分级地址格式，即每台

主机首先依据它所连接的网络进行标识， I P可支持简单的选路协议，主机只需要了解彼此的 I P

地址，就可以将数据从一台主机上转移至另一台主机。这种分级地址把地址分配的工作交给了

每个网络的管理者，从而不再需要中央授权机构为 I n t e r n e t上的每台主机指派地址。到网络外的

数据依据网络地址进行选路，在数据到达目的主机所连接的路由器之前无需要了解主机地址。

通过中央授权机构顺序化地为每台主机指派地址可能会使地址指派更加高效，但是这几

乎使所有其他的网络功能不可行。例如，选路将实质上不可行，因为这将要求每个中间路由

器去查询中央数据库以确定向何处转发包，而且每个路由器都需要最新的 I n t e r n e t 拓扑图获知

向何处转发包。每一次主机的地址变动都将导致中央数据库的更新，因为需在其中修改或删

除该主机的表项。

I P 地址被分为五类，只有三类用于 I P 网络，这三类地址一度被认为足以应付将来的网络

互联。A类地址只有1 2 6 个，用于那些最大的实体，如政府机关，因为它们连接着最多的主机：

理论上最多可达一千六百万台。 B类地址大约16 000个，用于大型机构，如大学和大公司，理

论上可支持超过65 000台主机。C类网络超过两百万个，每个网络上的主机数量不超过 2 5 5 个，

用于使用I P网络的其他机构。

更小的公司，某些只有几台主机，它们对于 C类地址的使用效率很低；而大型机构在寻找

B类地址时却发现越来越难；那些幸运地获得 A类地址的少数公司很少能够高效地使用它们的

一千六百万个主机地址。这导致了在过去几年中一直使用的网络地址指派规程陷入了困境，

在试图更有效地分发地址空间的同时，还要注意保存现有的未指派地址。与此同时，一些解

决地址危机的办法开始得以广泛使用，其中包括无类域间选路 ( C I D R ) 、网络地址翻译和使用

非选路网络地址。

I P寻址将在第2章中详细解释，而与 I P v 4 地址短缺相关的问题、挑战和临时解决方案将在

第3章中讨论，I P v 6 的地址空间将在第6章中详细介绍。

1.2.2 IP性能议题

I P 刚开始时，从各方面看就像一个实验品，其主要目的在于为在异种网络间进行数据的

第1章为何要升级IP 5

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xpjc

2023-12-21

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