2002年2月第8卷第1期
安庆师范学院学报(自然科学版)
雨凇J ourna l of Anq ing Te a che rs Co lle ge(Na tura l S c ie nce)
广东药学院精品课程Fe b.2002
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IPv4与IPv6的比较
陈，程一飞
(安庆师范学院数学计算机系, 安徽安庆 246011)
摘 要：近年来，随着Internet规模的急剧膨胀，信息量的加大以及Internet上新的应用的
出现，人们对IP协议的地址空间、性能以及安全性等方面有了新的需求。而原有的IPv4已远不 能适应这些新的需求，为了满足Internet日益发展的需要,IET F设计了IP协议的下一版本
IPv6。本文就IPv4与IPv6进行了初步比较分析。
中图分类号:T P393.04 文献标识码:A 文章编号:1007-4260(2002)01-0027-03
In ternet几乎覆盖了全球的每一个角落，目前In ternet上运行的网络层协议IPv4是一个出的协议。几乎保持不变地使用了20多年，逐步适应着技术的变化，但随着In ternet用户以惊人的速度增加、以IP为核心的新技术如雨后春笋般的出现、第三代移动通讯3G网络的发展，特别是随着网络智能设备的出现，例如个人数据助理(PDA)、在IP上传送语音的移动电话、流行的W eb接入和家庭网络(Hom e-a rea N et w o rk, HAN)，网络地址不足的危机日益严重;In ternet 上的新兴应用对服务质量(Q o s)、安全性、移动性都提出了更高要求,IPv4已不能满足这些要求。 IPv6是1994年9月由IET F(In ternet Eng ineer T a sk Fo rce——因特网工程任务组)的IPng工作组提出的解决方案，它是从IPv4发展而来的，是In ternet网络互连协议的最新版本, IPv6基本能解决目前IPv4所存在的主要弊病。
1.地址空间及地址书写格式
IPv4协议采用的是32位的IP地址，理论上可用的地址总数大约有43亿个。lP地址被分为五类，每类地址最多网络接入数和最多可容纳的主机个数如表1所示。但由于D类地址仅用于主机组的特殊定义,E类地址作为保留地址，具体网络只能分配A类、B类、C类地址，在具体使用中还要去除划分子网的开销、路由器地址、早期地址资源分配的浪费等等，最后有效的地址数目比可用的地址总数要少得多。尽管采用“无类别域中路由”技术——C I DR(C la ssless In ter Dom a in Rou ting)和“网络地址翻译”——NA T(N et w o rk A dd ress T ran sla ti on)有效地延缓了IPv4地址的耗尽，但却增加了网络的复杂性，并破坏了一些IP技术的核心特征，比如“端到端”的原则，因此无法从根本上解决IPv4面临的地址耗尽问题。据IET F预测，现行的IPv4地址将于2005——2008年间分配殆尽。
表1 IPv4地址分类
地址类型最多网络接入数最多可容纳的主机数
A类地址12816777216
B类地址1638465536
C类地址2097152256
D类地址多目广播通讯地址
E类地址保留地址
IPv6协议采用128位的IP地址，拥有巨大的地址空间，据保守的估计，也能为地球上每平方米提供超过1600个IP地址，彻底解决了IPv4地址不足的问题。
IPv4的32位地址由4个字节组成，以小圆点分隔，其中每个字节都用十进制表示。一个
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ΞΞ()收稿日期:2001-04-26
IPv6的IP地址由8个地址节组成，每节包含16个地址位、以4个十六进制数书写，节与节之间用冒号分隔。如某节点IPv4的地址是210.45.170. 65，那么兼容IPv4的IPv6地址就是:0:0:0:0:0: 0:D22D:AA41。
2 包头格式
IPv4包头中包含至少12个不同字段，且长度在没有选项时为20个字节，包含选项时可达60个字节(见表2)。IPv6对包头进行了简化(见表3)，使用固定的包头格式，仅有8个字段，长度为40个字节,IPv4中
一些很少使用的字段在IPv6中被取消或重新定义或成为可选项放在扩展首部，减少了一般情况下包的处理开销，有助于弥补IPv6长地址占用的带宽，加快了路由器的分组能力，提高了数据吞吐量。
表2 IPv4包头格式
版本号(4b it)分组头长(4b it)服务类型(8b it)数据包总长度(16b it)标识符(16b it)标志位(3b it)分段偏多量(13b it)
生存时间(8b it)传输协议(8b it)头标校验和(16b it)
源地址(32b it)
目标地址(32b it)
选项填充段
新英格兰医学杂志
表3 IPv6包头格式
版本号(4b it)通信流类型(8b it)数据流标志(20b it)数据长度(16b it)下一包头(8b it)跳数据限制(8b it)
源地址(128b it)
目的地址(128b it)
同IPv4一样,IPv6允许数据报包含可选的控制信息，但在IPv4头中必需的字段现在只是IPv6的选项，而且，选项出现在扩展头部中，使路由器可以简单地跳过选项，加速了分组处理的过程。另外,IPv6在基本包头之后还可以携带零个、一个或多个不同类型的扩展包头，为定义可选项以及支持新功能提供了灵活性。
3 对Q o s(服务质量)的支持
IPv4不能对Q oS提供很好的支持，比较适合于数据业务的传输，而不适合于实时多媒体数据的传输(如：语音、网络视频)。因为在发生网络拥塞时，可能会导致数据包的丢失，或较大的时间延迟以及抖动，这是实时多媒体业务所无法接受的。
IPv6协议对Q oS提供了很好的支持。在IPv6的包头中定义了两个重要字段：通信流类型(T raffic C la ss)和数据流标志(fl ow-label)。通信流类型字段在1995年的R FC1883中称为“优先级(P ri o rity)，在1998年的R FC2460中改为通信流类型，它将IP包的优先级分为两类共16级，优先级为0-7用于在网络发生拥塞时通过减少数据包的发送速度来实现拥塞控制的业务，适用于象电子新闻、、FT P、T elnet等传统业务要求;8-15用于一些实时性很强的业务，它在网络拥塞时不作任何减少流量的控制，适用于匀速和实时传输的业务，如V o IP和网络视频。对于那些需要特殊QO S的业务，可在IP数
据包中设置相应的优先级，路由器根据IP包的优先级来处理这些数据。
流是从一个特定源节点发往一个特定目标节点的分组序列，数据流标志字段用于标志任意一个传输的数据流，以便网络中所有的节点能对这一数据进行识别，并作特殊的处理、IPv6中加长的“数据流标志”使得数据包的长度大大超过IPv4数据包64K字节的限制，应用程序可以利用最大传输单元(M TU)的特征获得更快、更可靠的数据传输。尽管对这个数据流标志的应用尚处在实验和研究中，但将来它将应用于新的网络计费系统中。
4 安全性特征
IPv4协议设计之初没有考虑安全性，缺乏足够的机制来保证数据包的真实性和安全性，每个数据包松散地在网上明码传输，而不关心前一个和后一个数据包的情况，因而经常发生保密数据泄露、数据完整性遭破坏、身份伪装等安全事故。为了加强In ternet的安全性，从1995年开始IET F着手研究制定了一套用于IP通讯的IP安全协议，简称IPSec(IP Secu rity P ro toco l)。IPSec 只是IPv4的一个可选扩展协议，但却是IPv6的一个重要组成部分。IPv6使用了两种安全机制：认证包头A H(A u then tica ti on H eader)和封装安全载荷ESP(Encap su la ting Secu rity Pay l oad H ead)，前者实现对数据的完整性及对IP包来源的认证，后者提供数据的加密功能,A H和ESP都
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是扩展包头，可以单独使用，也可以同时使用，一方面,IPv6数据包的接收者可以要求发送者首先利用IPv6数据包头扩展部分的认证包头A H进行“登录”，确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否遭到改动，然后决定是否接收数据包，这种登录是算法独立的，可以有效地阻止网络“黑客’的攻击。另一方面，利用IPv6数据包头扩展部分的封装安全载荷ESP对数据包加密，这种加密也是算法独立的，这意味着可以安全地在In ternet上传输保密数据，不用担心被第三方截取。此外，作为IP sec的一个重要应用,IPv6集成了虚拟专用网(V PN)的功能，增加了企业网络的安全。
5 地址配置
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手工配置主机IP地址是网络管理中既费时又费力的事情，而管理分配给主机的静态IP地址更是一项艰难的任务，尤其当主机IP地址需要经常改动的时候。在IPv4中动态主机配置协议DHCP(D ynam ic Ho st Configu ra ti on P ro toco l)实现了主机IP地址及其相关配置的自动设置。IPv6除继承了IPv4的这种自动配置技术外，还采用了一种被称为无状态自动配置(sta teless au toconfigu ra ti on)的自动配置技
术，利用临近节点发现(neighbo r d iscovery)机制能自动检测主机地址。IPv6的地址自动配置技术将减轻网络管理的负担，增强IPv6的移动性和灵活性。光盘镜像
6 从IPv4向IPv6的过渡
IPv6作为新一代的网络协议，其先进性和灵活性，正得到越来越多人的认可，各大计算机硬件、软件厂商已纷纷开发出了支持IPv6的产品, IET F已宣布于2001年开始采用IPv6协议,IPv6也将于2003年开始普及。尽管如此，但目前仍有许多问题亟待解决，现有的几乎每个网络及其连接设备都支持IPv4，却很少能支持IPv6，由IPv6一步取代IPv4既无可能也无必要,IPv4升级到IPv6是一个庞大的系统过程，预计要到2018年, IPv4才能完成使命，在相当长的一段时期内, IPv6将和IPv4共存。因此,IPv6必须能够支持和处理IPv4体系和网络的遗留问题,IET F推荐了双IP协议栈(D ua l Stack)、隧道技术(T unnel)、以及网络地址翻译等方案，实现IPv4向IPv6的平稳过渡。作为实现IPv4向IPv6的平稳过渡的重要步骤,IPv6实验网——6Bone在1996年成立，我国CERN ET于1998年加入6Bone，建立起了IPv6实验床，用于对IPv6的研究与实验，目前已在清华大学、中国科技大学等四所大学建立起供学生实验的IPv6网络。
我国在IPv4的发展中错过了机会，以至于申请地址困难，目前分配到IPv4地址总数才900多万个，还没有美国斯坦福大学一所大学的多。IPv6为缩小我国计算机应用与研究同国外先进水平的差距提供了前所未有的机遇。
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[7] h ttp: www.i pv6.edu.
A Com par ison Between IPv4and IPv6
CH EN Q un,CH EN G Y i2fei
(T he M ath and Computer Science D ep t.of A nqing T eachers′Co llege,A nqing246011,Ch ina)
Abstract:W ith the rap id developm en t of In ternet and w ith the en larging of info rm ati on amoun t and the new app licati on s of in ternet,there recen tly is a new need of the space,functi on s and secu rity of IP p ro toco l.How ever,the p revi ou s IPv4can no t satisfy these needs.So IET F designed the latest IPv6of IP p ro toco l to satisfy the increasing requ irem en t of In ternet.T he article deals a lo t w ith the comparison betw een IPv4and IPv6.
Key words:IP site;package header;service quality;secu rity
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