基于IPv6的家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2019-11-03 09:01:15

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供稿：網(wǎng)友

賴敏王芳顧新

　　摘要：對(duì)比ipv4協(xié)議的不足，討論了IPv6協(xié)議在構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)點(diǎn)。IPv6具備的一系列先進(jìn)特性，如地址空間充足、自動(dòng)配置能力強(qiáng)、改進(jìn)的移動(dòng)性以及安全性，使其可以廣泛應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。指出要構(gòu)建高效的家庭網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出吸引用戶的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，必須將IPv6、家庭網(wǎng)關(guān)和ISP三者相結(jié)合。

　　關(guān)鍵詞：家庭網(wǎng)絡(luò) IPv6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

　　隨著諸如IEEE1394和藍(lán)牙等新標(biāo)準(zhǔn)的提出和完善，越來越多的家電設(shè)備將具備網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)通信的能力。通過內(nèi)置在新一代家電產(chǎn)品中的各種嵌入式芯片和處理器，用戶將可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問家中電器設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行控制。用戶家里的各類電器如電視、碼設(shè)備如數(shù)字相機(jī)、攝像機(jī)以及家庭局域網(wǎng)等將可以通過一個(gè)被稱為家庭網(wǎng)關(guān)（home gateway）的設(shè)備連接到外部Internet上。

　　一、家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求

　　要大規(guī)模地應(yīng)用家庭網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)必須滿足一些重要的要求。滿足這些要求是為了讓那些一點(diǎn)技術(shù)都不懂的用戶愿意去使用家庭網(wǎng)絡(luò)。如果操作過于復(fù)雜，家庭網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)將僅僅局限于愿意花費(fèi)時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)新技術(shù)的用戶。

　　第一個(gè)要求是要有足夠的地址空間。這樣才能為大量的家用電器設(shè)備都分配一個(gè)惟一的IP地址，否則我們只能利用諸如地址翻譯機(jī)制、私有地址空間等技術(shù)來繞過這一限制，但這樣一來將會(huì)影響到使家庭網(wǎng)絡(luò)深具吸引力的一些應(yīng)用，如VoIP、在線游戲等。

　　第二個(gè)要求是用戶只需對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非常少量的配置和維護(hù)。如果用戶需要花費(fèi)大量的時(shí)間去安裝和維護(hù)家庭網(wǎng)絡(luò)，那么他們對(duì)使用這些新技術(shù)的熱情就會(huì)大大降低。配置、維護(hù)和操作越簡(jiǎn)單，就越容易被廣大消費(fèi)者接受。這一要求不僅要在家庭網(wǎng)絡(luò)最初安裝的時(shí)候得到滿足，在已有家庭網(wǎng)絡(luò)中引入新的設(shè)備時(shí)也要滿足。

　　第三個(gè)要求是可以讓各種各樣的家電設(shè)備參與到家庭網(wǎng)絡(luò)中來。家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不應(yīng)該僅僅局限于目前可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，如PC、機(jī)頂盒等。家庭網(wǎng)絡(luò)所使用的技術(shù)應(yīng)該更加靈活以使盡可能多的家電設(shè)備可以接入到家庭網(wǎng)絡(luò)中。

　　第四個(gè)要求是要有靈活多樣的通信方式。家庭網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該也不可能僅僅局限于使用傳統(tǒng)的銅線連接，而應(yīng)能使用多種傳輸介質(zhì)。可能的通信方式包括以太網(wǎng)、藍(lán)牙、電力線、IEEE 802.11。

　　最后，家庭網(wǎng)絡(luò)用戶肯定會(huì)希望能夠遠(yuǎn)程訪問他們的網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能允許合法的訪問，同時(shí)阻止其他非法的訪問。

　　二、使用IPv4構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)的局限性

　　1.地址空間貧乏

　　妨礙IPv4協(xié)議在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的第一個(gè)限制是可利用的地址空間貧乏。即使ISP只給每個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)地址，家庭網(wǎng)絡(luò)的大量應(yīng)用也會(huì)很快將IP地址耗盡，而且各個(gè)國(guó)家和地區(qū)分配到的IP地址差別很大。由于歷史的原因，北美分配到的IP地址要比歐洲和亞洲多很多。因此，即使在北美可以基于IPv4來構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)，在其他地區(qū)這種方法也是不可行了。

　　2.不宜使用私有地址

　　為了減緩公用地址耗盡的速度，在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部使用了私有地址（參見RFC1918）。由于私有地址不能在公用網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由，因此外部訪問就必須使用地址翻譯機(jī)制。這樣一來，端到端的服務(wù)就不容易建立。為了提供一些新的服務(wù)（如VoIP、在線游戲等)，ISP就不得不為每一項(xiàng)新的服務(wù)開發(fā)專門的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。同樣，在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用了網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）協(xié)議后，端到端的安全性保障將不再有效。因此，私有地址并不適合在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用。

　　3.家電設(shè)備配置問題

　　家庭網(wǎng)絡(luò)要求可以很容易地對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行安裝和配置。基于IPv4的家庭網(wǎng)絡(luò)中，一臺(tái)家電要自動(dòng)獲取一個(gè)IP地址的惟一方法是建立一個(gè)DHCP服務(wù)器，但是DHCP服務(wù)器需要進(jìn)行管理。ISP可以代用戶對(duì)該服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，但用戶要向ISP支付管理費(fèi)。否則，用戶必須自己來管理DHCP服務(wù)器，然而希望每一個(gè)用戶都有能力自己管理DHCP服務(wù)器是不現(xiàn)實(shí)的。

　　4.安全性問題

　　安全性也是必須考慮的。用戶當(dāng)然不希望其他人可以輕易進(jìn)入自己的家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行惡作劇或破壞，而IPv4協(xié)議在這方面卻存在著不足。

　　三、基子IPv6協(xié)議構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

　　1.地址空間充足

　　IPv4的地址長(zhǎng)度為32位，而IPv6有128位。IPv6的地址多到足以為地球上的每一粒沙子分配一個(gè)全球惟一的IP地址。因此在基于IPv6的家庭網(wǎng)絡(luò)中可以為網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)家電分配一個(gè)或幾個(gè)全球惟一的IP地址。

　　這是IPv6協(xié)議非常有價(jià)值的一個(gè)特性，因?yàn)檫@意味著具有訪問權(quán)限的任何人都可以通過Internet對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)家電進(jìn)行外部訪問，而且這有助于開發(fā)一些對(duì)一般用戶有吸引力的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、在線游戲、VoIP等。每臺(tái)家電都有全球惟一的IP地址也使得在不同家庭網(wǎng)絡(luò)中的家電設(shè)備之間建立端到端的通信成為可能。由于不再需要地址翻譯機(jī)制，這使得在不同家庭網(wǎng)絡(luò)中的家電設(shè)備可以使用IPSec協(xié)議進(jìn)行安全的通信。

　　2.地址和服務(wù)的自動(dòng)配置能力強(qiáng)

　　與IPv4相比，IPv6協(xié)議具有非常強(qiáng)大的自動(dòng)配置能力。IPv6的自動(dòng)配置能力使得在家庭網(wǎng)絡(luò)中增添支持網(wǎng)絡(luò)功能的家電設(shè)備時(shí)幾乎不需要做任何配置，這是由于家電設(shè)備可以從控制該家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器（即家庭網(wǎng)關(guān)）收到配置信息。基于這些配置信息，家電設(shè)備就可以完成自身的IP地址等信息的配置。這使得用戶可以很輕松地在其家庭網(wǎng)絡(luò)中引入新的家電設(shè)備，而不需要進(jìn)行IP地址、網(wǎng)絡(luò)地址、域名服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)地址的配置。

　　IPv6指定了link-local地址、site-local地址和全局地址等三種地址。家庭網(wǎng)絡(luò)中的家電設(shè)備不需要任何用戶的參與就可以自動(dòng)配置這三種地址。Link-local地址（fe80：：interfaee ID）只在鏈路范圍內(nèi)有效，Site-local地址（fec0：：interface ID）只在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有效，而全局地址（子網(wǎng)前綴：interfaceID）則在家庭網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部和外部都有效。自動(dòng)配置機(jī)制是基于ICMPv6協(xié)議建立的。控制家庭網(wǎng)絡(luò)的路由器在家庭網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送路由器通告消息，家庭網(wǎng)絡(luò)中的家電設(shè)備基于這些消息自動(dòng)地配置全球惟一的可路由的IP地址和接口ID。

　　3.使家庭網(wǎng)絡(luò)更加安全

　　家庭網(wǎng)絡(luò)的用戶肯定不希望未經(jīng)授權(quán)的人訪問他們的網(wǎng)絡(luò)，他們希望與外部用戶的通信要進(jìn)行加密和授權(quán)，只允許來自外部的合法連接。例如，如果用戶的空調(diào)壞了，空調(diào)的生產(chǎn)廠家應(yīng)能獲得授權(quán)經(jīng)由家庭網(wǎng)關(guān)來對(duì)空調(diào)進(jìn)行訪問。這樣，在維修工人出發(fā)以前廠家就可以收集到診斷信息。所有這些類似的功能實(shí)現(xiàn)都需要安全的接入服務(wù)。

　　IPv6設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)內(nèi)嵌了針對(duì)安全性的部分，例如協(xié)議中設(shè)計(jì)有專用的安全報(bào)頭，可用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)用戶接入的合法性進(jìn)行檢查，也可以用于檢查源地址和接入實(shí)際地址的一致性。另外，IPSec是專門為IPv6設(shè)計(jì)的安全性協(xié)議，用于在IPv6網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)用戶之間端到端的安全通信，從而保證只有可信賴的用戶可以向家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)或發(fā)送指令。

　　對(duì)IPv6而言，可提供的安全水平取決于特定網(wǎng)絡(luò)和用戶的要求，而不會(huì)受到技術(shù)限制，可以提供多種層次的安全水平來滿足不同用戶的需要，涵蓋了從不具備安全性到具有非常高的安全性需要專門的技術(shù)和配置。對(duì)大多數(shù)用戶而言，在家庭網(wǎng)關(guān)中集成一個(gè)簡(jiǎn)單的防火墻就可以提供足夠安全的家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更加先進(jìn)的IPSec可被用于提高商業(yè)用戶網(wǎng)絡(luò)的安全性。

　　4.支持移動(dòng)性

　　要使家庭網(wǎng)絡(luò)用戶出門在外的時(shí)候仍然可以對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，對(duì)移動(dòng)性的支持就非常關(guān)鍵。這將容許出門在外的家庭網(wǎng)絡(luò)用戶能夠通過筆記本電腦、手機(jī)、PDA等移動(dòng)設(shè)備訪問家庭網(wǎng)絡(luò)中的資源并能對(duì)家中的電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操縱。更為重要的是，家庭網(wǎng)絡(luò)用戶離家之后，不需要對(duì)其移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行過多的配置就應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能。

　　要滿足這些要求，IPv6網(wǎng)絡(luò)要比IPv4網(wǎng)絡(luò)容易得多。IPv6在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了移動(dòng)性需求，并將移動(dòng)IPv6作為IPv6的基本組成部分，因此IPv6在移動(dòng)環(huán)境下可更好地支持端到端以及多媒體業(yè)務(wù)。此外，IPv6的自動(dòng)配置使得漫游到異地網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)用戶可以很容易地進(jìn)行配置。而且與移動(dòng)IPv4不同，移動(dòng)IPv6不需要異地代理，這意味著移動(dòng)用戶不需要進(jìn)行本地移動(dòng)配置就可以在任何地方對(duì)其家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。而且家庭網(wǎng)絡(luò)也不必為了給訪問者提供IP移動(dòng)性服務(wù)，而專門設(shè)置一個(gè)異地代理。唯一要做的只是在家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)家鄉(xiāng)代理來向移動(dòng)用戶的當(dāng)前位置轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在家庭網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)IPv6家鄉(xiāng)代理通常由家庭網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)來擔(dān)任。

　　四、結(jié) 語

　　如前所述，IPv6協(xié)議非常適合構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)，但僅有IPv6還不夠。

　　要想使用戶接受家庭網(wǎng)絡(luò)，ISP必須提供一些誘人的服務(wù)（如視頻點(diǎn)播、在線游戲等）以使家庭網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格可以讓用戶容易接受。

　　ISP還需要提供一些必不可少的功能以滿足家庭網(wǎng)絡(luò)最基本的要求——盡量簡(jiǎn)化家庭網(wǎng)絡(luò)的配置和管理。為了滿足這一要求，必須在家庭網(wǎng)絡(luò)中部署一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)。提供這一功能的家庭網(wǎng)關(guān)可以選用專門的設(shè)備，也可以由經(jīng)過改造的PC、調(diào)制解調(diào)器、游戲機(jī)來擔(dān)當(dāng)。家庭網(wǎng)關(guān)要具有二層轉(zhuǎn)發(fā)功能并且要提供各種各樣的接口。除此以外，還要具有三層及其以上層的功能，如DHCPv6服務(wù)器、域名服務(wù)器、路由功能以及防火墻功能。

　　ISP不僅要向用戶推薦合適的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，還要幫助用戶去配置、管理和優(yōu)化他們的家庭網(wǎng)絡(luò)。因此，ISP必須設(shè)計(jì)出一些方法，在安全的前提下，操縱用戶的家庭網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)關(guān)。這樣ISP就可以遠(yuǎn)程下載一些軟件或補(bǔ)丁到用戶的設(shè)備上來對(duì)其進(jìn)行配置、管理和優(yōu)化。

　　為了向用戶提供多樣性的服務(wù)，開發(fā)出吸引用戶的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，我們就必須將IPv6、家庭網(wǎng)關(guān)和ISP結(jié)合起來，缺一不可。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)前景非常被各方看好。IPv4由于技術(shù)上的限制不能為家庭網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)提供足夠的支持。而IPv6具有的重要特性使我們可以構(gòu)建高效的、具有吸引力的家庭網(wǎng)絡(luò)。IPv6必將成為新家庭網(wǎng)絡(luò)廠商開發(fā)市場(chǎng)的跳板，

　　賴敏西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生

　　王芳中興通訊股份有限公司技術(shù)中J凹研究部高級(jí)工程師

　　顧新西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授

　　
摘自　中國(guó)電信網(wǎng)

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