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先進軟體工具可協助向IPv6的順利移轉

上網時間: 2004年05月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IPv6  IPv4  dual-protocol coexistence  addressing  dual stack 

針對即將啟動的IPv6網路,如何從IPv4向IPv6過渡,本文討論了網際網路工程任務小組定義的雙堆疊方法和幾種網路隧道(tunneling)及轉換(translation)技術。這些技術可以最大程度地保證網路基礎組件和應用程式向下一代網路協定過渡的平滑性。

未來兩年IPv6的部署將會有顯著增加。然而在十年之內產業整個過渡到下一代協議並不會全部完成,2003年至2005年IPv6將進入大幅成長階段。因此迫切需要系統設計人員和程式員開始著手使他們的產品實現從IPv4向IPv6過渡。

IPv6已經開始進入某些基礎架構組件。微軟、Sun、惠普、IBM、Linux供應商、蘋果和其他公司正推出支援IPv6的作業系統。此外,今年推出的微軟Windows 2003 Server中的文件共享和列印共享應用程式、來自微軟的對等遊戲以及Sun Solaris應用程式都支援IPv6。顯然,業界正逐步從早期接受階段進入到商業實施階段。

與其他任何核心網路基礎設備的過渡一樣,為IPv6的很多協定組件制定規格是一個詳細而長期的過程。現在,經過十幾年的開發,IPv6協議日趨成熟和穩定。在制定基礎協議的同時,網際網路工程任務小組(IETF)還定義了很多用於過渡的工具,這些工具允許雙協議共存,並正在開發針對部署和作業共享IPv4/IPv6網路規範。

機會與挑戰

相較IPv4,IPv6的128位元尋址空間提供了很多新的應用和網路服務商機。透過消除了轉換專有IP地址和公共IP地址的必要,擴展的尋址空間還簡化了IPv6應用程式和網路設備用戶的網路作業。不過,轉換過程對客戶而言通常太複雜而難以配置與管理。

IPv6地址是IPv4的四倍,而IPv6報頭(header)只有IPv4的兩倍,壓縮比IPv4更有效率。這對系統設計人員而言是好消息,在建構應用程式和網路設備以便在速度有限的網路鏈路上執行時,系統開銷不會成正比的增加。

在短期內,通訊系統設計人員將經常進行選擇以使這兩種協議和平共處。這是因為很多客戶和用戶需要原有的IPv4基礎架構和應用程式以便與更新的網路組件實現互通作業。有時,對於新功能無需與原有網路組件進行通訊的情況,建構只支援IPv6協議的產品是合適的做法。

要製作支援IPv6的應用程式,主機作業系統必須支援IPv6。系統設計人員應明白,如今IPv6能力可以在分離的IPv4和IPv6協議堆疊或在整合的IPv4/IPv6堆疊中實現,這根據主機作業系統而定。例如,Windows XP和2003 Server包含分離的平行堆疊,而最新版本的FreeBSD Unix、惠普的True64 Unix、Linux和Sun Solaris則支援整合的堆疊。

為了最大程度地保證從IPv4過渡到IPv6的平滑,IETF的下一代過渡(Next-Generation Transition,NGTRANS)工作組已經開發了很多工具,這些工具使設計人員和開發人員可以開始將網路基礎組件和應用程式或兩者都移到新的協議。主要的過渡工具稱為雙堆疊,使兩種協議可以同時執行。其他工具套件含幾種網路隧道(tunneling)技術選項和轉換(translation

)。

這些選項的主要宗旨是消除應用程式與網路基礎設備之間部署的依賴性。

雙堆疊方法

雙堆疊方法很可能應用得最多。簡而言之,這種方法在部份網路或整個網路中同時執行IPv4和IPv6。網路組件可以繼續與只支援IPv4的設備進行通訊(參見圖1),但具有IPv6的新功能。

雙堆疊可比喻為在一條已經存在了數十年的老雙車道公路旁修建一條八車道高速公路。透過添加新的傳輸能力以便與已經存在的能力平行執行,而不會造成任何損害,可以避免中斷。經過一段時間,‘車輛’(封包數據)可以從一個基礎設備行動到另一個基礎設備上,直到處於經濟上的考慮,不再繼續保有舊的雙車道公路(IPv4基礎設備)。

就額外的CPU和記憶體消耗而言,執行兩個路由和通訊基礎設備確實會佔用額外的費用。針對雙堆疊環境的產品設計人員必須時刻牢記資源需求問題。但是,提供足夠的CPU和記憶體以同時執行兩種協議的好處是消費者會接受作業簡單的設備。

幾種隧道技術選項

需要澄清隧道與封包(encapsulation)的區別。業界已經確定了隧道和封包的術語區別。隧道應用於第3層(路由層)及以上,而封包應用於Layer 2(鏈路層)。但是,在架構上兩種機制是一樣的:它們涉及在一類封包數據中‘封包’另一類封包數據以使傳輸數據流穿過不同的網路基礎設備。

目前存在幾種隧道技術,但是每種均允許網路實施者透過在另一個網路‘之上’執行一個網路來削弱應用程式與網路基礎設備之間的依賴性。隧道技術可單獨使用,也可與雙堆疊一起使用。無論使用何種隧道方法,至少要求在網路中有一對雙堆疊節點。

IPv6-over-IPv4隧道:最常見的隧道實施方法可能是在IPv4網路地址報頭中封包IPv6數據包,很多網路實施者會從IPv6數據包開始,並且保留IPv4網路基礎設備的主體(參見圖2)。

但是,視情形而定,可能出現相反的情況:網路主體要轉向IPv6,保留少數原有的IPv4節點。在此情況下,IPv4-over-IPv6隧道技術更為合適。為了適應用戶的這種規劃要求,系統設計人員將希望在網路極邊緣處的智慧設備中提供IPv6支援,例如在用戶設備和應用程式中。

跨越多個IPv4‘雲團’的IPv6域連接(6至4):這種機制針對隔離站點之間的部署,使一個IPv6路由器可以用單個IPv4地址自動為數據包設立隧道穿過IPv4網路,以製作一個IPv6前綴。

站內自動隧道尋址協議(ISATAP):ISATAP針對校園部署應用,並且允許不與IPv6路由器共享實體鏈路的雙堆疊節點可自動將數據包穿過IPv4發送到IPv6下一躍點(hop)地址。

Teredo:此選項在IPv4上以用戶數據報協議(UDP)封包IPv6。其目標是越過IPv4網路地址轉換(NAT)。UDP傳輸協定在NAT中設立一個‘洞’以允許設立隧道。此工具特別適合要求極高簡化程度的用戶應用程式的開發,例如多人遊戲。

多協定標籤交換(MPLS)骨幹上的IPv6:類似於IPv6-over-IPv4隧道技術,此工具允許單獨的IPv6域透過一個MPLS骨幹相互通訊。對設計人員而言,造成的影響就是在服務供應商網路的邊界設立供應商邊緣(PE)路由器。這些設備必須識別IPv6地址和格式,並將相應的MPLS標籤加在新的地址格式上以實現在MPLS骨幹中的正確交換。

協議和格式轉換

此‘最後一招’過渡工具將一組IP協議和格式轉換為另外的協議和格式。IETF建議只有絕對必要時才進行轉換,大多數情況下,其效能並不比IPv4網路地址轉換更好。

不推薦經常使用轉換的原因是轉換會引起升級問題並導致應用更加複雜。同時,在某些設備只支援IPv6而某些設備只支援IPv4的網路中,且要保留功能島繼續有效,轉換工具特別重要。舉例來說,如果新的可攜式設備只支援IPv6,但是印表機等共享設備尚未升級,則需要轉換以便它們能夠互通作業(參見圖3)。

有幾種版本的轉換器,這些轉換器工作於不同的層。具體而言,這些轉換器包含API轉換器、傳輸層轉換器和IP數據包轉換器。IP數據包轉換器可以是狀態性的(stateful)或無狀態的(stateless),視被轉換的會話性質而定。

如上所述,用即插即用轉換屏蔽複雜性是IPv6的設計宗旨。理想情況下,採用所描述的工具,任何設備均應可插入網路並且透過極少的配置開始發送數據包。

子網服務:在IPv4環境中,服務供應商提供增強服務的能力僅限於針對擁有技術精湛IT和網路工作人員的商業客戶。這是由與配置和管理有限地址空間或NAT處理相關的一系列挑戰造成的。

服務指配(provisioning)

IPv6使此類服務無需客戶提供太多資訊,開發人員需要在服務供應商及客戶設備中包含幾個特性。例如,網路服務供應商的前端設備路由器必須能夠進行以下作業:

* 使用動態主機控制協議第6版(DHCPv6)向客戶分配網路前綴,該協議目前還是IETF草案;


* 安裝這些前綴的路由。

在另一端,客戶網路必須能夠進行以下作業:


* 獲取前綴;


* 向下游設備宣佈前綴;


* 安裝默認路由。

地址保密:行動用戶將發現非常有價值的就是RFC 3041定義的保密地址功能。由於IPv6網路中的介面支援多個IP地址,用戶設備可以在一段時間內在存取的子網中使用不同的介面標識符。這大幅削弱了所連節點配置與那些特定設備連接的子網的能力;換言之,它使行動設備的可追蹤能力下降。客戶不能接觸到此能力的配置基礎。

從設計觀點而言,IPv6節點在相鄰緩衝記憶體中將有多個入口,這需要更多的記憶體。

其它考慮因素

如上節所述,IPv4網路中的典型介面只被分配一個地址,但是在IPv6中必須支援多個地址。這給系統設計人員的任務增加了一些複雜性,但也大幅簡化了設備的作業特性。

設計人員應記住的另一些事情就是:IPv4可在一個時脈週期內從一個32位元匯流排上傳送32位元地址,而要在具有64位元匯流排的系統中傳送128位元IPv6地址則需要兩個時脈週期。

每個子網路有大量的地址空間,無需不斷調整儲列池(spool)的大小以滿足目前的需要,因而減少了網路實施人員的作業複雜性。例如,飯店和無線熱點在他們的DHCP儲列池中將不會出現空間不足的情況,而現在如果大量設備競爭臨時地址,就會這出這種情況。

路由協議考慮因素:邊界網路閘道協議第4版(Border Gateway Protocol Version 4)和中間系統對中間系統(Intermediate System-to-Intermediate System)在一個共用實例中支援兩個版本的IP協議。但是,開放最短路徑優先協議(OSPF)第2版和第3版以‘夜間行船’模式執行,在此模式中,各個設備獨立執行且互不相知。因此,在OSPF網路中,設計人員應考慮到每一個事件將導致路由設備執行兩次運算而不是一次。這意味著路由收斂時間極有可能增加,除非添加額外的CPU資源。

作者:Tony Hain


技術負責人


Email:thain@cisco.com


思科系統公司先進架構組





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