IPv6：分布式数据库技术

2023-10-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图20.1TCP/IP协议的分层与OSI模型的对比及层次传递的对象图20.1展示了TCP/IP与OSI模型的层次对应关系和各层传递的对象，并列出了TCP/IP的主要协议及其依赖关系。因此，IP协议在TCP/IP协议组中处于核心地位。表20.1五类IPv4地址还有一些特殊的IP地址如下。

物联网构建在互联网基础上，而互联网标识依赖于IP地址。IP地址的不足是影响物联网发展的重要因素之一，原因是目前广泛使用的IPv4数量有限，无法支持物联网众多设备的接入。IPv6的引入可以缓解地址不足的问题。

1.TCP/IP协议及其层次

TCP/IP是Internet所采用的协议组，TCP和IP是其中两个重要的协议，因此TCP/IP就成为这个协议组的代名词。这里，TCP是transmission control protocol首字母的缩写，称为传输控制协议，负责从端到端的数据传输，IP是Internet protocol首字母的缩写，称为网络互联协议，负责网络互联。

TCP/IP是一个分层的网络协议，但它与OSI模型所分的层次不同。TCP/IP自底向顶可以分为网络接口层、网际网层、传输层、应用层等四层。简单来说，TCP/IP协议的分层与OSI模型的对比及层次传递的对象如图20.1所示。

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图20.1　TCP/IP协议的分层与OSI模型的对比及层次传递的对象

图20.1展示了TCP/IP与OSI模型的层次对应关系和各层传递的对象，并列出了TCP/IP的主要协议及其依赖关系。下面对各层的功能进行简单说明。

1）网络接口层

这是TCP/IP协议的最底层，其中包括多种逻辑链路控制协议和媒体访问协议，例如，广域网、局域网协议等任何可用于IP数据报交换的分组传输协议。网络接口层的功能是接收IP数据报，并通过特定的网络进行传输，或者从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给网际网层。网络接口层的协议标准很多，从而使得TCP/IP协议有很好的适应性与广泛性。

2）网际网层（IP层）

网际网层包括IP（网络互联协议）、ICMP（Internet control message protocol，互联网控制报文协议）、ARP（address resolution protocol，地址解析协议）、RARP（reverse address resolution protocol，反向地址解析协议）。该层负责相同或不同网络中计算机之间的通信，主要处理数据报文和路由。在IP层中，ARP协议用于将IP地址转换成物理地址；RARP协议用于将物理地址转换成IP地址；ICMP协议用于报告差错和传送控制信息。IP协议横跨整个协议层，这就意味着上层软件的外出数据报文，以及下层协议收到的进入数据都必须通过IP层进行传输或处理。因此，IP协议在TCP/IP协议组中处于核心地位。

3）传输层

传输层提供TCP（transmission control protocol，传输控制协议）和UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）两个协议，它们都建立在IP协议的基础上。其中，TCP提供可靠的面向连接服务，UDP提供简单的无连接服务。显然，对质量要求高的数据通信往往使用TCP协议，对质量要求低的数据通信往往使用UDP协议，后者的使用成本要比前者的低。传输层提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。

4）应用层

TCP/IP协议的应用层相当于OSI模型的会话层、表示层和应用层，该层向用户提供一组常用的应用层协议，主要包括以下几方面。

（1）依赖于TCP/IP协议，包括远程终端协议（TELNET）、远程登录和远程shell执行、文件传输型的简单邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）等。

（2）依赖于UDP协议，例如，单纯文件传输协议（TFTP）、远程过程调用（RPC）协议等。（3）依赖于TCP和UDP协议，例如，域名系统（DNS）协议、通用管理信息协议。

此外，在应用层中还包含用户应用程序，它们均是建立在TCP/IP协议组之上的专用程序。

2.IP地址

IP地址是TCP/IP协议的基础。IP协议要求在每次与TCP/IP网络建立连接时，每台主机都必须为这个连接分配一个唯一的32位地址（IPv4），因为在这个32位的IP地址中，不但可以用来识别某一台主机，而且隐含着网际间的路由信息。IP地址分为A、B、C、D、E等，表20.1就是A、B、C、D、E等五类IP地址的概貌。

表20.1　五类IPv4地址

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还有一些特殊的IP地址如下。

●如果网络ID为127，主机地址任意，则这种地址可以用作循环测试，但不可用作其他用途。

●在IP地址中，如果某类网络的主机地址为全1，则该IP地址表示是一个网络或子网的广播地址。

●在IP地址中，如果某类网络的主机地址为全0，则该IP地址表示为网络地址或子网地址。

一些私有地址的范围如下。

10.0.0.1～10.255.255.254 （A类）

172.13.0.1～172.32.255.254（B类）

192.168.0.1～192.168.255.254（C类）

3.子网及子网掩码

子网是指在一个IP地址上生成的逻辑网络，它使用源于单个IP地址的IP寻址方案。将一个网络分成多个子网，要求每个子网使用不同的网络ID，通过将主机号（主机ID）分为两个部分，为每个子网生成唯一的网络ID。其中，一部分用于标识作为唯一网络的子网，另一部分用于标识子网中的主机。

子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分，以区别网络ID和主机ID；用于将网络分割为多个子网；判断目的主机的IP地址是在本地网络还是在远程网络。在TCP/IP网络上的每一个主机都要求有子网掩码。这样，当TCP/IP网络上的主机相互通信时，就可用子网掩码来判断这些主机是否在相同的网段内。

子网掩码的作用是声明IP地址的哪些位为网络地址，哪些位为主机地址。TCP/IP协议利用子网掩码判断目标主机地址是位于本地网络还是位于远程网络。

上面介绍了子网以及利用子网掩码来划分子网，那么不同的网络段之间是怎样进行互联的呢？这就需要通过设置IP路由来实现。

路由是数据从一个节点传输到另外一个节点的过程。在TCP/IP网络中，同一网络区段中的计算机可以直接通信，不同网络区段中的计算机要相互通信，则必须借助以下IP路由。(www.chuimin.cn)

●IP地址：标识TCP/IP主机的唯一的32位地址^[3]。

●子网掩码：用来测试IP地址是在本地网络还是远程网络。

●默认网关：与远程网络互联的路由器的IP地址。如果没有规定默认网关，则通信仅局限于局域网内部。

4.Internet的域名管理

域名系统（DNS）是一种基于分布式数据库技术的命名系统，目的是给网络上的主机一个全球唯一的命名。域名系统采用客户端/服务器模式进行主机名称与IP地址之间的转换。通过建立DNS服务器数据库，记录主机名称与IP地址的对应关系，并驻留在服务器端为处于客户端的主机提供IP地址的解析服务。

任何一个连接在Internet上的主机或路由器，都有一个唯一的层次结构名字，即域名。这里的“域”是名字空间中一个可被管理的划分。例如，华东师范大学网络的域为“ecnu.edu.cn”。当然，域名只是一个逻辑上的概念，并不反映计算机所在的物理地点。

用户在设置网络时，可以在“DNS服务器搜索顺序”中输入要使用的DNS服务器的IP地址，点击“添加”按钮，则该DNS服务器即被设定，并且被显示在DNS服务器列表框中。排在最前面的DNS服务器将被该工作站首先使用，当该DNS服务器进行地址解析失败后，将使用后面的DNS服务器进行地址解析。

我们发现，当初IP地址的设计有很多不合理的地方。为此，在1992年6月就提出要制定下一代的IP，即IPng（IP next generation）。由于IPv5打算用作面向连接的网际层协议，因此IPng现正式称为IPv6。1995年以后陆续公布了一系列有关IPv6的协议、编址方法、路由选择以及安全等问题的RFC文档。

IPv6主要具备以下几个特点。

●IPv6把原来IPv4地址增大到了128位，是原来IPv4地址空间的296倍。

●IPv6的IP协议并不是完全抛弃了原来的IPv4，且允许与IPv4在若干年内共存。

●相比IPv4，IPv6对IP数据报协议单元的头部进行了相应的简化，仅包含7个字段（IPv4有13个），这样数据报经过中间的各个路由器时，各个路由器对其处理的速度加快，这样提高了网络吞吐率。

●IPv6在安全方面有很大改善。

在IPv6的数据报中，最前面是基本报头，接着是多个扩展报头，也可以没有，然后是数据区。换言之，一个最小的IPv6数据报可以只包含基本报头和数据区。IPv6数据报的一般格式如图20.2所示。

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图20.2　IPv6数据报的一般格式

由于IPv4数据报报头的选项和其他固定字段被移到了IPv6的扩展报头里，因此IPv6基本报头中所包含的信息要比IPv4的少。

图20.3给出了IPv6数据报的报头格式。每个IPv6数据报的基本报头长40字节，在基本报头里，“版本”字段用于指明协议是第6版；“优先级”字段用于指明路由的优先级别。

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图20.3　1Pv6数据报的报头格式

与IPv4数据报的报头格式相比，IPv6数据报的报头有以下几点不同。

●取消了“头标长”字段，用“负荷长度”字段取代，但与前者不同的是，IPv6的“负荷长度”字段中只给出数据报所携带数据的大小，报头本身的长度不包含在内。

●“源地址”和“目的地地址”字段长度增加为各占16字节。

●IPv4中存放分片信息的“标识”、“标志”、“片偏移”字段由报头中的固定位置移到了IPv6中的扩展报头中。

●IPv4中的“生存时间”字段改为IPv6中的“站限制”字段。

●IPv4中的“服务类型”字段改为IPv6中的“流标记”字段，该字段是为了那些需要保证性能的应用（例如实时话音与视频传输）而设的，它能将数据报与特定的底层网络路径联系起来。

●IPv4中的“协议”字段改为IPv6中的“下一站头部”字段，该字段用来指明基本报头后面的信息类型。例如，若数据报包含一个扩展报头，则“下一站头部”字段指明扩展报头的类型；反之，若无扩展报头，则该字段指明数据报所携带数据的类型。

为了适应Internet的迅速发展，IPv6对IP地址空间进行了大幅度的扩展。

在IPv6中，每个IP地址占16个字节，即128位（bit），它是IPv4中IP地址长度的4倍。如此定义的IP地址可以适应Internet在较长时期内的发展需要，但是人们在实际应用时，无论阅读、输入，还是管理，都十分不方便。例如，我们使用传统的所谓“点分十进制”表示法来描述一个128位（bit）长的IP地址：

105.220.136.100.255.255.255.255.0.0.18.128.140.10.255.255

为了减少书写IP地址所用的字符个数，IPv6的设计者建议采用一种更加紧凑的方法，称为“冒分十六进制”（Colon Hexadecimal Notation，简写为Colon Hex）表示法。该方法的要点是：每16位（bit）为一组，用十六进制数表示，并用冒号将其分隔。

这样，上述IP地址可用“冒分十六进制”表示为：

69DC：8864：FFFF：FFFF：0：1280：8COA：FFFF

另外，还有一种称为零压缩（zero compression）的表示方法，可以进一步减少IP地址中的字符个数，其要领是：用两个冒号代替连续的0。在IPv6中，大的地址空间可使很多IP地址包含大量的零字符串，这时零压缩表示法特别有用。例如，IP地址FDC6：0：0：0：0：0：0：BOC就可以记为FDC6：：BOC。

为了与IPv4兼容，IPv6的设计者特意把IPv4现有的IP地址映射到了IPv6的地址空间中。IPv6中规定：对于任何IP地址，若开始80位是全0，接着16位是全1或全0，则它的低32位就是一个IPv4地址。

IPv6：分布式数据库技术

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