30、Internet网络层——IPv6协议&Internet控制协议&MPLS（网络层）

1、IPv6协议

• 针对IP协议匮乏的问题，唯一的长期解决方案是移动到更大的地址空间。IPv6就是能做到这一点的一个替换设计。它采用128位地址，在可预见的将来任何时间都不可能出现地址短缺这个问题。但是，IPv6已经被证明其部署非常困难。这是一个不同的网络层协议，尽管和IPv4有许多相似之处，但它并没有真正与IPv4实现互通。此外，公司和用户真的不知道为什么他们在任何情况下都使用IPv6，其结果虽然部署了IPv6，但只有（估计为1%）只有一小部分Internet在使用，而相应的 Internet标准在1998就已经发布。
• 除了这些技术问题，还有其他隐藏问题。早期的Internet主要被大学、高科技工业和美国政府（特别是国防部）使用。20世纪90年代中期开始，随着对Internet兴趣的不断膨胀，Internet开始为各种人群所用。首先，大量携带只能手机的用户通过Internet与他们的家庭基地保持联系。其次，大量计算机、通信和娱乐业的不断交融，有可能在不久的将来，世界上的每一步电话和每一个电视都变成了Internet节点，从而几十亿台机器可进行音频和视频点播。很显然，在这样的形势下，IP必须要演进，要变得更灵活。
• IPv6的目标是：（1）即使地址空间的分配效率不高，也能支持几十亿台主机。（2）降低路由表的大小（3）简化协议，使路由器能更快处理数据包。（4）提供更好的安全（认证和隐私）（5）更加关注服务类型，特别是针对实时数据（6）辅助指定范围内的组播（7）主机漫游时无需改变地址（8）允许协议向未来演进（9）允许新老协议共存许多年
• IPv6很好地满足了IETF的设计目标。它保持了IP的优良特性，丢弃或者削弱了IP中不好的特性，并且在必要的地方增加了新的特性。一般而言，IPv6并不与IPv4兼容；但是它与其他一些辅助性的Internet协议则是兼容的，包括TCP、UDP、ICMP、IGMP、OSPF、BGP和DNS；若要处理更长的地址则需要做一些微小的改动。下面是IPv6的主要特性，更多信息可以在RFC 2460~2466中找到。
• 第一个，也是最重要的是IPv6有比IPv4更长的地址。IPv6的地址128位长，这解决了IPv6一开始就想要解决的问题；提供了一个有效的无限量Internet地址。IPv6的第二个主要改进是对头进行了简化。它只包含了7个字段（IPv4只有13个字段）。第三个主要改进是更好地支持选项。这一变化对于新的头来说是本质的，因为以前那些必须的字段现在变成了可选；而且选项的表达方式有所不同，这使得路由器可以非常简单地跳过那些与它无关的选项。此特性也加快了数据包的处理速度。第四个是在安全性方面的改进。在IPv6中，认证和隐私是安全方面的关键特征。然而，后来这些特征也被引入到IPv4中，所以IPv6和IPv4在安全性的方面的差异已经没有这么大了。最后值得关注的是服务质量。过去，人们在这方面做了大量半心半意的努力来改善QoS，但是现在随着多媒体在Internet上的增长，这种紧迫性更加强烈了。

主要的IPv6头

• 如图所示。对于IPv6，版本字段是6。在从IPv4到IPv6的迁移过程中，路由器通过检查该字段来确定数据包的类型。顺便提一下，做这样的测试在关键路径上需要浪费少量的指令，所以一些路由器可能跳过该检查，数据链路层的头通常指明了多路分用中的网络层协议。例如，以太网的type字段针对IPv4有效载荷和IPv6有效载荷，分别给出了不同的值。
• 区分服务（最初称为流量级别）字段的用途主要是区分数据包的服务类别，这些数据包具有不同的实时传递需求。它主要被用在服务质量的区分服务体系中，使用方式与IPv4数据包的同名字段一样。此外，最低2位用来发送显式拥塞通知，与IPv4相同。流标签字段为源端和接收方提供了一种建立伪链接的方式，即源端和接收方把一组具有相同需求并希望得到相同网络同等对待的数据包打上标记。例如，从某台特定主机上一个进程到一台特定主机上一个进程之间的数据包流可能有严格的延迟要求，因此要预留带宽。这时可以提前设置一个流，并分配一个标识符。当一个流标签字段非0的数据包出现时，所有的路由器都在自己的内部表中查找该流标签值，看它要求哪一种待遇。实际上这样的流时两种传输模型相结合的一种尝试：数据报网络的灵活性和虚电路网络的保障性。为了保障服务质量，每个流由源地址、目标地址和流编号来指定。这意味着在给定的一对IP地址之间，可以同时有220个活跃的流。而且还意味着来自不同主机的两个流即使有相同的流标签，当它们经过同一台路由器时，路由器也能根据源地址和目标地址将它们区分开。流标签的选取最好随机，而不是从1开始顺序分配，因此路由器可对它们进行哈希处理。
• 有效载荷长度字段指明了紧跟在图中40个字节头之后还有多少字节数。在IPv4中该字段的名字为总长度，之所以改成现在的名字是因为含义略有不同：40字节的头不再像以前那样算作长度中的一部分。正是下一个头字段显示了IPv6的与众不同关键之处。IPv6头得以简化的原因在于它可以有额外的可选扩展头。该字段指明了当前头之后还有哪种扩展头（当前已经定义了6种扩展头），如果有的话。如果当前的头是最后一个IP头，那么下一个头字段指定了该数据包将被传输给哪个传输协议处理（比如TCP、UDP）。跳数限制字段被用来避免出现数据包永远生存的情形。实际上，它与IPv4中的TTL字段是一样的，也就是说在每一跳上该字段中的值都要被路由器递减。理论上，IPv4中的TTL是一个以秒为单位的时间值，但是所有的路由器都不按照时间值来操作，所以在IPv6中将名字作了修改，以便反映出它的实际用法。
• 接下来是源地址字段和目标地址字段。确定为16字节的地址。为了便于书写16字节的地址，一种新的标记法被设计了出来。16个字节被分成8组来书写，每一组4个16进制数字，组之间用冒号隔开，如图所示：8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF。由于许多地址内部可能有多个0，所以，三种优化方法获得授权。第一，在一个组内可以省略前导0，因此0123可以写成123；第二，16个0构成的一个或多个组可以用一对冒号来代替，因此，上面的地址可以写成：8000::123:4567:89AB:CDEF。第三，IPv4地址现在可以写成一对冒号在加上老式的点分十进制，例如：::192.31.20.46。IPv6应该有2¹²⁸个地址，近似于3*10³⁸个地址。用其地址覆盖整个地球，IPv6可以保证每平方米有7*10²⁵个地址。这个数值超出了阿伏伽德罗常数。实际上，地址空间的使用效率不会非常高，但在可预见的未来，我们不太可能用得完这些地址。
• IPv6中没有IHL字段，因为它有固定的长度；协议字段也没有了，因为下一个头字段指明了最后的IP头后面跟的是什么（比如TCP或者UDP段