Протокол IPv6

Развитие стека протоколов TCP/IP

Интеграция и развитие технологий

Часть IV

Работа по расширению протокола IP была начата в 1992 году. Необходимость этого диктовалось тем, что практически все ресурсы старой версии протокола IP (IPv4) были исчерпаны. Быстрый рост сети Internet привел к появлению дефицита IP-адресов. Возросший трафик начал вызывать перегрузки магистральных маршрутизаторов. Изменился и характер передаваемого трафика. Все большую долю в нем стали занимать мультимедийные данные.

Новая версия протокола IP – версия 6 (IPv6) – была принята организацией IETF в 1995 году. Она описана в документе RFC 1752. В настоящее время осуществляется постепенный переход к протоколу IPv6. Существует несколько фрагментов сети Internet, в которых маршрутизаторы поддерживают обе версии IP. Эти фрагменты объединены между собой и образуют так называемую «шестую» магистраль (6 bone). Для того чтобы передать дейтаграммы протокола IPv6, магистраль 6 bone инкапсулирует их в дейтаграмму IP и передает через те части сети Internet, которые не поддерживают новую версию протокола. Этот процесс называется туннелированием. Следует помнить, что появление дополнительного заголовка при туннелировании ведет к росту сетевого трафика. Документ RFC 1933 определяет четыре конфигурации туннелей между рабочими станциями и маршрутизаторами:

q маршрутизатор–маршрутизатор;

q рабочая станция–маршрутизатор;

q рабочие станции–маршрутизаторы;

q маршрутизатор–рабочая станция.

На рис. 13.1 показан пример организации механизма туннелирования для конфигурации маршрутизатор–маршрутизатор.

Другим методом, позволяющим осуществить плавный переход на новую версию, является использование двойных стеков. Двойные стеки позволяют узлу в сети IP поддерживать обе версии протокола. Такие узлы называются IPv6/IPv4-узлами. Использование двойного стека позволяет раздельно переводить на протокол IPv6 каждое устройство в сети. При этом необходимо задействовать дополнительные ресурсы такого устройства, изменить его конфигурационную информацию и провести ряд других операций. Нужно учитывать, что маршрутизаторам может потребоваться дополнительная оперативная память, так как таблицы маршрутизации протокола IPv6 больше по объему. На рис. 13.2 показано распределение уровней узла с двойным стеком IPv4/IPv6.

Прикладной уровень
Транспортный уровень (протоколы TCP и UDP)
IPv4	IPv6
Уровень сетевого интерфейса

Рис. 13.2. Уровни двойного стека TCP/IP

Протокол IPv6 поддерживается практически всеми современными операционными системами и производителями сетевого оборудования. Естественно, развитие протокола IP повлекло за собой модернизацию всего стека TCP/IP. Уменьшился объем маршрутной и служебной информации. Много внимания уделено функциональным составляющим TCP/IP, которые напрямую влияют на загрузку маршрутизаторов:

q реализована гибкая схема разделения адресного пространства с использованием технологий CIDR и масок подсетей переменной длины. Изменение адресной схемы позволяет сократить объем таблиц маршрутизации и ускорить их просмотр и обновление;

q введено повсеместное использование (физического адреса устройства в качестве номера узла. При этом снижается нагрузка на сеть за счет отказа от протокола ARP;

q уменьшен заголовок дейтаграмм IP;

q проведение фрагментации перенесено на конечные узлы. Узлы, поддерживающие протокол IPv6, сами определяют размер MTU, который устраивает все транзитные узлы и каналы на пути следования дейтаграммы.

Схема адресации IPv6 существенно отличается от схемы адресации протокола IP. Адреса получателя и отправителя в протоколе IPv6 задаются 128 битами. Такая длина адресного пространства позволяет на достаточно большой период времени снять проблему дефицита адресов в сети Internet. Основным механизмом, заложенным в схему адресации протокола IPv6, является введение иерархического разделения адресного пространства на уровни. Вместо прежних двух уровней – номера сети и номера устройства, – в протоколе IPv6 используется пять уровней, включая два уровня идентификации провайдеров и три уровня идентификации абонентов в сети (рис. 13.3).

Префикс

Идентификатор провайдера

Идентификатор абонента

Идентификатор подсети

Идентификатор узла

Рис. 13.3. Уровни адресации протокола IPv6

Префикс определяет тип используемого адреса. Приведем пример адреса с идентификацией провайдера. Такой адрес имеет префикс 010. Этот префикс выбран согласно табл. 13.1, в которой приведено исходное распределение адресов протокола IPv6. В табл. 13.1 строка с адресом идентификации провайдера выделена.

Таблица 13.1. Исходное распределение адресов IPv6

Назначение блока адресов	Двоичный префикс	Доля адресного пространства
Резервный	0000 0000	1/256
Незанятый	0000 000	11/258
Зарезервирован для IPX	0000 010	1/128
Незанятый	0000 011	1/128
Незанятый	0000 1	1/32
Незанятый		1/16
Незанятый		1/8
Адреса идентификации провайдера		1/8
Незанятый		1/8
Зарезервирован для адресов по географической принадлежности		1/8
Незанятый		1/8
Незанятый		1/8
Незанятый		1/16
Незанятый		1/32
Незанятый	1111 10	1/64
Незанятый	1111 110	1/128
Незанятый	1111 1110 0	1/512
Локальные адреса для линии	1111 1110 10	1/1024
Локальные адреса для узла	1111 1110 11	1/1024
Групповые адреса	1111 1111	1/256

На рис. 13.4 показан формат адреса с идентификацией провайдера.

Префикс	Идентификатор организации	Идентификатор провайдера	Зарезервировано	Идентификатор абонента	Зарезервиро- вано	Адрес сети и устройства
	5 бит	16 бит	8 бит	24 бита	8 бит	64 бита

Рис. 13.4. Формат адреса с префиксом 010

Поле «Идентификатор организации» определяет организацию, ответственную за выделение адресов провайдерам. Например, InterNIC в Северной Америке, RIPE в Европе или APNIC в Азии. Поле «Идентификатор провайдера» определяет непосредственно провайдера. Провайдер назначает поле «Идентификатор абонента». Данное поле идентифицирует конкретного пользователя. За полями «Идентификатор провайдера» и «Идентификатор абонента» следуют резервные поля, необходимые для будущего расширения. Оставшиеся 64 бита в адресе по принадлежности к провайдеру определяют номер сети и номер устройства. Идентификация сети и устройства происходит примерно по тем же правилам, что и в случае использования протокола IPv4 с классами А, В и С. Данное поле предоставляет достаточно пространства для разбиения выделенного блока адресов на адреса подсетей и рабочих станций в каждой подсети.

Такая структура адреса по принадлежности к провайдеру значительно упрощает маршрутизацию. Поле «Идентификатор провайдера» сразу определяет сеть другого провайдера. После определения сети провайдера маршрутизатор анализирует поле «Идентификатор абонента» и определяет непосредственного абонента, которому должна быть передана информация. Абонентом может выступать любая организация, которая, при необходимости, может организовать несколько уровней иерархии в своей сети.

В протоколе IPv6 отменено разделение адресов на классы. В основе распределения адресного пространства лежит технология CIDR. При этом адреса сетей каждого провайдера имеют одинаковое значение сетевого префикса и все устройства в этой сети поддерживают его передачу. С использованием технологии CIDR деление IP-адреса на адрес подсети и адрес устройства производится на основе маски подсети переменной длины, которая назначается провайдером и уже не зависит от класса адреса. Использование технологии CIDR совместно с технологией «наибольшего совпадения», реализуемой маршрутизаторами, позволяет значительно уменьшить объем их таблиц маршрутизации. Технология CIDR уже используется с четвертой версией протокола IP и поддерживается протоколами маршрутизации OSPF, RIP-2 и BGP-4. Эта технология позволяет избежать избыточного назначения адресного пространства, которое может иметь место при использовании классов адресов.

Протокол IPv6 вводит несколько типов адресов:

q Unicast – индивидуальный (единичный) адрес. Адрес определяет отдельное устройство в сети или порт маршрутизатора. В свою очередь, индивидуальный адрес подразделяется на:

o Global – глобальный. Основной тип адресов в Internet;

o Link-Local и Site-Local – адреса для линии и узла. Адреса используются в сетях, не связанных с Internet. Для того чтобы эти адреса можно было использовать в Internet, поле «Идентификатор провайдера» заполняется нулями. Термин «Link» относится к сетям Frame Relay и ATM, то есть к прямой выделенной линии или соединению с сетью Ethernet, FDDI и т. д. Локальный адрес для линии описывает устройство, не имеющее соединения с маршрутизатором или с Internet. С использованием этих адресов можно подключать к Internet сети без присвоения им новых адресов. На рис. 13.5 показаны примеры локальных адресов для линий и узлов. В формате локального адреса для линии поле уникального адреса линии содержит физический адрес локальной сети. Префикс имеет длину 10 бит, а оставшаяся часть – 118 бит. Если локальной адрес для линии используется для подключения к сети Ethernet, то физический адрес займет 48 бит (6 байт). Таким образом, использование локальных адресов для линий позволяет подключать сети Ethernet, Token Ring и FDDI без реконфигурации сетевых адресов.

В каждом из адресов префикс необходимо дополнить нулями, число которых определяется требуемым остатком бит для задания адреса линии или узла. Адреса для узла присваиваются узлам, имеющим маршрутизаторы, но не подключенным к сети Internet через провайдера. При подключении этого узла к сети Internet маршрутизатор настраивается с новым префиксом. По сути дела, маршрутизатор создает адрес по принадлежности к провайдеру открытием полей «Идентификатор организации», «Идентификатор провайдера» и «Идентификатор абонента».

q Multicast – адрес набора узлов (групповой адрес). В протоколе IPv6 отсутствует понятие широковещательного адреса. Широковещательная адресация заменена поддержкой групповой передачи данных. Такой механизм необходим протоколу IPv6 для регулирования пропускной способности сети при распространении мультимедийного трафика;

q Anycast – адрес набора узлов. Этот тип адресов используется для обеспечения прохождения своего трафика через маршрутизаторы отдельных провайдеров. В отличие от групповых адресов, такая дейтаграмма должна быть доставлена любому члену группы. В протоколе IPv6 широко используется маршрутизация от источника. Этот вид маршрутизации освобождает маршрутизаторы от функции анализа своих таблиц маршрутизации, уменьшает время задержки дейтаграммы для ее обработки и, естественно, повышает пропускную способность сети в целом;

q При назначении адресов каждому порту маршрутизатора вместе с физическим адресом присваивается еще один адрес, общий для всех портов всех маршрутизаторов в сети данного провайдера, который является апу-cast-адресом;

q При указании нечеткого адреса устройству не надо знать конкретный адрес маршрутизатора, так как оно является членом группы маршрутизаторов с этим адресом. Положительным моментом здесь является то, что в случае изменения местоположения этого маршрутизатора адрес его менять не надо, так как дейтаграмма будет отправляться по-прежнему ближайшему члену этой нечеткой группы.

Для плавного перехода к протоколу IPv6 введен специальный тип адресов – IPv4-compatible (совместимые адреса). В этих адресах старшие 96 бит содержат нули, а младшие 32 бита – обычный адрес IPv4. Такие адреса позволяют решить проблему совместимости частей Internet, работающих с протоколами IP разных версий.

Для упрощения обработки заголовка дейтаграммы в протоколе IPv6 введены основной и дополнительный заголовки. Основной заголовок присутствует всегда. Дополнительный заголовок определяет некоторые необязательные параметры. Основной заголовок имеет длину 40 байт (рис. 13.6).

Поле «Следующий заголовок» по своему назначению соответствует полю «Протокол» в версии 4 и определяет тип заголовка, который следует за данными. Каждый следующий дополнительный заголовок содержит это поле. Если дейтаграмма не содержит дополнительных заголовков, то значение этого поля определяет протокол – TCP, UDP, RIP или OSPF. Поле «Лимит переходов» введено для более эффективного определения времени жизни дейтаграмм. В протоколе IPv4 поле времени жизни дейтаграммы уменьшается на единицу (по крайней мере) при прохождении каждого маршрутизатора. При этом время ожидания в очереди не учитывается. Поле «Приоритет» позволяет отправителю задать приоритет своих дейтаграмм. Возможные 16 значений этого поля разделены на две категории: значения от 0 до 7 определяют трафик, которым маршрутизатор при необходимости может пренебречь, а значения от 8 до 15 указывают на трафик, к которому эти меры применяться не могут (аудио- и видеоинформация, передаваемая с постоянной скоростью в реальном времени). Используя поля «Приоритет» и «Метка потока» устройства могут идентифицировать дейтаграммы, которым требуется нестандартное обслуживание на маршрутизаторах. В протоколе IPv6 определены следующие типы дополнительных заголовков:

q Routing – определяет полный маршрут при маршрутизации от источника. Данный заголовок позволяет отправителю указать списбк IP-адресов, которые диктуют путь передачи;

q Fragmentation – содержит сведения о проведении фрагментации на конечных узлах сети. В протоколе IPv6 фрагментацию не разрешается выполнять на промежуточных узлах; это значительно повышает производительность при маршрутизации. В том случае, если распределенная сеть состоит из сегментов с различными значениями MTU, отправитель использует дополнительный заголовок Fragmentation для разделения дейтаграммы на произвольное число небольших фрагментов. В этом дополнительном заголовке содержатся поля, которые идентифицируют фрагменты исходной дейтаграммы по присвоенным им последовательным номерам. Так как промежуточные маршрутизаторы не выполняют фрагментацию, то вся ответственность за выбор правильного размера дейтаграммы возлагается на отправителя, которому необходимо определить значения MTU каждой промежуточной сети в пути до получателя. Например, если две сети FDDI со значением MTU 4500 байт связываются через сеть Ethernet с MTU, равным 1500 байт, то отправитель должен посылать дейтаграмму с длиной не более 1500 байт или разделить ее на фрагменты той же длины. Конечные системы могут определять минимальное значение MTU в пути между ними, используя механизм MTU path discovery process (процесс выяснения значений MTU на пути), описанный в документе RFC 1191. При этом отправитель посылает дейтаграмму с длиной, равной значению MTU той сети, к которой он подключен. Если выбранный размер дейтаграммы слишком велик для некоторых промежуточных сетей, то отправителю будет послано сообщение протокола ICMP «Datagram Too Big» (Дейтаграмма слишком велика) с указанием рекомендованного значения MTU. После получения этого сообщения отправитель скорректирует размер дейтаграммы (например, с помощью фрагментации) и повторит процесс. Это будет продолжаться до тех пор, пока дейтаграмма не сможет пройти все промежуточные сети в пути до получателя;

q Authentication – служит для идентификации конечных узлов и обеспечения целостности дейтаграмм;

q Encryption – служит для шифрования и дешифровки передаваемых данных;

q Hop-by-Hop Option – используется алгоритмом «переход за переходом» при обработке дейтаграмм. Данный заголовок переносит дополнительные параметры, которые проверяются промежуточными узлами. Заголовок должен следовать первым после основного заголовка. Так как заголовок проверяется всеми маршрутизаторами, его полезно использовать для передачи управляющей или отладочной информации. В настоящее время может использоваться параметр Router Alert, который информирует маршрутизаторы, что дейтаграмма должна быть обработана целиком до ее передачи следующему маршрутизатору в пути. Данный параметр применяется, например, при работе протокола RSVP;

q Destination Option – содержит дополнительную информацию для узла назначения.

Каждый дополнительный заголовок содержит тип следующего за ним заголовка, что позволяет создать цепочку заголовков. Основной заголовок является первым в цепочке и не содержит дополнительных заголовков. Поле «Следующий заголовок» указывает, какой дополнительный заголовок следует за основным. Поле «Следующий заголовок» первого дополнительного заголовка указывает на тип второго дополнительного заголовка и т. д. Это продолжается до тех пор, пока в поле «Следующий заголовок» очередного дополнительного заголовка не встретится запись о том, что далее, например, следует заголовок протокола TCP (рис. 13.7).

Для поддержки качества обслуживания протокол IPv6 работает с «меткой потока» (flow label). Метка потока – это признак, который размещается в поле заголовка «Метка протокола» дейтаграммы IPv6. Метка указывает на принадлежность данной дейтаграммы к последовательности дейтаграмм – потоку, который требует определенных параметров обслуживания. Маршрутизаторы обрабатывают потоки на основании значения метки и идентификатора отправителя дейтаграмм. Для предоставления нестандартного качества обслуживания потоков разработан дополнительный протокол RSVP – протокол резервирования ресурсов.

Особо хочется остановиться на проблемах взаимодействия протокола IPv6 с технологией ATM. Основная проблема заключается в поддержании каналов к группе получателей без установления АТМ-соединения.

В отличие от протокола IPv4, механизмы разрешения адресов и их настройки в протоколе IPv6 реализованы на сетевом уровне, а не на канальном (протоколы ARP для широковещательных сетей и ATMARP и NHRP для сетей ATM). To есть, протокол обнаружения (Neighbor Discovery), который используется для нахождения маршрутизаторов и соседей, является интегральной частью IPv6 и любые механизмы, предназначенные для адаптации технологии ATM к IPv6, прежде всего, должны работать именно с этим протоколом. Здесь наблюдается принципиальное отличие от протокола IPv4, в котором механизмы разрешения адресов не являются частью основного протокола, а реализуются на канальном уровне – протоколом ARP для широковещательных сетей и механизмами ATMARP и NHRP для сетей ATM.

Дата добавления: 2015-07-13