В начале 90-х годов интенсивное коммерческое использование Интернет привело к резкому росту количества узлов сети, изменению характеристик трафика и ужесточению требований к качеству обслуживания. Сообщество Интернети весь телекоммуникационный мир начали решать новые задачи путем внедрения новых протоколов в рамках стека протоколов TCP/IP, таких как протокол резервирования ресурсов RSVP, MPLS и т.д. Однако стало ясно, что только таким путем развивать технологию нельзя - нужно идти на модернизацию святая святых стека - протокола IP, так как некоторые проблемы нельзя решить без изменения формата заголовка дейтаграмм и логики его обработки.
Как уже отмечалось выше, самой насущной проблемой становится нехватка адресного пространства, что требует изменения формата адреса.
Другой проблемой является недостаточная масштабируемость процедуры маршрутизации - основы IP-сетей. Быстрый рост сети вызывает перегрузку маршрутизаторов, которые уже сегодня вынуждены поддерживать таблицы маршрутизации с десятками и сотнями тысяч записей, а также решать проблемы фрагментации пакетов. Облегчить работу маршрутизаторов можно, в частности, путем модернизации протокола IP.
Комитет IETF намеревается решить существующие проблемы с помощью межсетевого протокола нового поколения - IPng, известного также как IPv6.
Наряду с вводом новых функций непосредственно в протокол IP, целесообразно обеспечить более тесное взаимодействие его с новыми протоколами, путем введения в заголовок пакета новых полей. Например, работу механизмов обеспечения гарантированного качества обслуживания облегчает внесение в заголовок метки потока, а работу IPSec - внесение в заголовок поля аутентификации.
В результате было решено подвергнуть протокол IP модернизации, преследуя следующие основные цели:
• создание новой расширенной схемы адресации;
• улучшение масштабируемости сетей за счет сокращения функций магистральных маршрутизаторов;
• обеспечение защиты данных.
Работы по модернизации протокола IP начались в 1992 году, когда было предложено несколько альтернативных вариантов спецификаций. С тех пор в рамках IETF была проделана огромная работа, в результате которой в августе 1998 года были приняты окончательные версии стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC 2460 «Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification»), так и отдельные компоненты данной технологии (RFC 2373 «IP Version 6 Addressing Architecture»).
Итак, рассмотрим более подробно особенности IPv6.
Расширение адресного пространства. Протокол IP решает потенциальную проблему нехватки адресов за счет расширения адреса до 128 битов. Однако такое существенное увеличение длины адреса было сделано, в значительной степени, не с целью снять проблему дефицита адресов (для этого было бы достаточно гораздо более скромной размерности), а для повышения эффективности работы сетей на основе этого протокола. Главной целью было структурное изменение системы адресации, расширение ее функциональных возможностей.
Вместо существующих двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в протоколе IPv6 предлагается использовать четыре уровня, что предполагает трехуровневую идентификацию сетей и один уровень для идентификации узлов. За счет увеличения числа уровней иерархии в структуре адреса, новый протокол эффективно поддерживает технологию агрегации адресов (CIDR), которая упоминалась выше. Благодаря этой особенности, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типа адресов (anycast), IPv6 позволяет уменьшить затраты ресурсов оборудования на маршрутизацию.
В 6 версии протокола IP принята новая форма записи адреса, так как при определении адреса сети граница маски часто не совпадает с границей байтов адреса, и десятичная запись в данном случае неудобна. Теперь адрес записывается в шестнадцатиричном виде, причем каждые четыре цифры отделяются друг от друга двоеточием, например:
FEDC:OA96:0:0:0:0:7733:567A.
Для сетей, поддерживающих обе версии протокола - IPv4 и IPv6, -имеется возможность использовать для младших 4 байтов традиционную десятичную запись, а для старших - шестнадцатиричную:
0:0:0:0:0:FFFR 194.135.75.104.
Типы адресов. Для IPv6 определены следующие основные типы адресов:
• unicast;
• multicast;
• anycast.
Типы адресов определяются содержимым нескольких старших битов адреса, которые получили название префикса формата.
Адрес типа unicast представляет собой уникальный идентификатор сетевого интерфейса рабочей станции или маршрутизатора и по смыслу полностью идентичен уникальному адресу IPv4. Однако в версии 6 отсутствует понятие класса сети и фиксированное разбиение адреса на адрес сети и адрес узла по границам байтов.
Адрес типа multicast - групповой адрес, необходимый для многоадресной рассылки. Он характеризуется префиксом формата 11111111И идентифицирует группу интерфейсов, относящихся к разным рабочим станциям. Пакеты с такими адресами доставляются ко всем интерфейсам, входящим в группу. Существует также предопределенный адрес, обозначающий все интерфейсы подсети. В составе группового адреса IPv6 имеется поле scope, которое определяет, входят ли в группу рабочие станции одной подсети, всех подсетей предприятия, или рабочие станции, рассредоточенные по сети Интернет. Кроме того, предусмотрен признак, позволяющий определить, является ли группа постоянной или временной, что также облегчает работу маршрутизаторов.
Адрес типа anycast - новый тип адреса, определяющий, как и multicast, группу интерфейсов. Но пакет с таким адресом доставляется не всем членам группы, а какому-либо одному, как правило, «ближайшему» с точки зрения маршрутизатора. Такой адрес синтаксически никак не отличается от адреса типа unicast и выделяется из того же диапазона. Anycast-адрес может быть присвоен только сетевым интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсам маршрутизатора будут присваиваться индивидуальные unicast-адреса и общий anycast-адрес. Адреса anycast ориентированы на определение маршрута узлом-отправителем. Например, у абонента есть возможность обеспечить прохождение своих пакетов через сеть конкретного поставщика, указав в цепочке адресов маршрута anycast-адрес, присвоенный всем маршрутизаторам в сети этого поставщика. В таком случае пакет будет передан на «ближайший» подходящий маршрутизатор именно этой сети.
В рамках системы адресации IPv6 имеется также выделенное пространство адресов для локального использования, т.е. для сетей, не входящих в Интернет. Существует две разновидности локальных адресов: для «плоских» сетей, не разделенных на подсети (Link-Local), и для сетей, разделенных на подсети (Site-Local), различающиеся значением префикса.
В настоящий момент распределено порядка 15% адресного пространства IPv6, что определяет широкие возможности развития сетей и приложений, их использующих.
Изменение формата заголовков пакетов. Многолетний опыт практического применения протокола показал неэффективность использования некоторых полей заголовка, а также выявил необходимость добавить поля, упрощающие идентификацию пакетов, которые требуют специальной обработки, поля, облегчающие реализацию процедур шифрования, и некоторые другие.
Реализовать это позволяет новая схема организации «вложенных заголовков», обеспечивающая разделение заголовка на основной, который содержит необходимый минимум информации, и дополнительные, которые могут отсутствовать. Такой подход открывает богатые возможности для расширения протокола путем определения новых опциональных заголовков, делая протокол открытым.
Основной заголовок дейтаграммы IPv6 длиной 40 байтов имеет следующий формат (рис. 4.3).
| Версия (4 бита) | Класс Трафика (8 битов) | Метка Потока (20 битов) | ||
| Длина (16 битов) | След.Заголовок (8 битов) | Лимит Переходов (8 битов) | ||
| Адрес Отправителя (128 битов) | ||||
| Адрес Получателя (128 битов) | ||||
Рис. 4.3 Формат основного заголовка дейтаграммы IPv6
Поле Класс Трафика (Traffic Class) эквивалентно по назначению полю Тип Обслуживания (Type Of Service), а поле Лимит Переходов
(Hop Limit) - полю Время Жизни (Time To Live) протокола IPv4, рассмотренного в предыдущем параграфе.
Поле Метка Потока (Flow Label) позволяет выделять и особым образом обрабатывать отдельные потоки данных без необходимости анализировать содержимое пакетов. Это очень важно с точки зрения снижения нагрузки на маршрутизаторы.
Поле Следующий Заголовок (Next Header) является аналогом поля Протокол (Protocol) IPv4 и определяет тип заголовка, следующего за основным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле Next Header. Если дополнительные заголовки отсутствуют, то это поле содержит значение, присвоенное тому из протоколов TCP, UDP, OSPF, который используется для переноса полезной нагрузки данной дейтаграммы.
В рамках спецификаций IPv6 определены заголовки следующих типов.
Заголовок Routing - содержит информацию о маршруте, выбранном отправителем дейтаграммы.
Заголовок Fragmentation -содержит информацию о фрагментации дейтаграммы и обрабатывается только конечными узлами сети.
Заголовок Authentication - содержит информацию, необходимую для проверки подлинности отправителя дейтаграммы.
Заголовок Encapsulation - содержит информацию, необходимую для обеспечения конфиденциальности данных путем шифрования.
Заголовок Hop-by-Hop Options - специальные параметры обработки пакетов.
Заголовок Destination Options - дополнительные параметры для узла назначения.
Снижение нагрузки на маршрутизаторы. При переходе к протоколу IPv6 могут быть уменьшены расходы на реализацию функций маршрутизации в сети, а маршрутизаторы могут быть оптимизированы для выполнения их основной функции - продвижения пакетов. Это становится возможным благодаря следующим особенностям нового протокола.
Дополнительные заголовки обрабатываются только конечными узлами и краевыми маршрутизаторам. Это упрощает логику работы маршрутизаторов и позволяет легче реализовать важные функции на аппаратном уровне.
Функции поддержки фрагментации переносятся в конечные узлы или краевые маршрутизаторы. Конечные узлы должны найти минимальный размер пакета вдоль всего пути до узла назначения (эта технология называется Path MTU discovery и уже используется для протокола IPv4) и не передавать пакеты с размером, превышающим найденное значение. Маршрутизаторы, поддерживающие протокол IPv6, в ядре сети могут не обеспечивать фрагментации, а только передавать сообщение протокола IСМР - «слишком длинный пакет» к конечному узлу, который должен соответственно уменьшить размер пакета.
Агрегация адресов ведет к уменьшению размеров адресных таблиц маршрутизаторов и, соответственно, к уменьшению времени их просмотра.
Широкое использование маршрутизации, управляемой отправителем (например, пограничным маршрутизатором), освобождает маршрутизаторы в ядре сети от просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора,
В качестве адреса узла в локальной сети можно использовать МАС-адрес сетевого интерфейса, что избавляет от необходимости применять протокол ARP.
Переход к протоколу IP версии 6. Так как IPv6 представляет собой естественное развитие предыдущей версии, он с самого начала спроектирован с учетом возможности поэтапного мягкого перехода к его использованию, что требует обеспечения взаимодействия узлов с разными версиями протоколов. Способы, которые используются для организации совместной работы протоколов IPv6 и IPv4, вполне традиционны:
• Установка на некоторых сетевых узлах сразу двух стеков протоколов, так что при взаимодействии с рабочими станциями, поддерживающими разные версии протокола, используется соответствующий стек протоколов TCP/IP. Маршрутизаторы могут в данном случае обрабатывать оба протокола независимо друг от друга.
• Конвертирование протоколов при помощи специальных шлюзов, которые преобразуют пакеты IPv4 в пакеты IPv6 и обратно. Важнейшая часть этого процесса - преобразование адресов. Для упрощения данной процедуры применяются так называемые «IРv4-совместимые адреса IPv6», которые содержат в четырех младших байтах адрес, используемый в протоколе IPv4.
• Инкапсуляция - Туннелирование одного протокола в сетях, построенных на основе другого протокола. При этом пакеты одного протокола помещаются в пакеты другого в пограничных устройствах. Недостаток метода состоит в том, что в данном случае сети никак не взаимодействуют между собой. В настоящее время развернута опытная зона эксплуатации IPv6 под названием 6Вопе, которая использует технологию инкапсуляции пакетов IPv6 при их транзите через части сети Интернет, не поддерживающие этот протокол.