孫宇 秦宇* 陳煜欣 陳鵬 沈磊

(1．環(huán)境保護部信息中心，北京 100029；2．武漢大學(xué)，武漢 430072)

IPv6在環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探索

孫宇1秦宇1*陳煜欣1陳鵬1沈磊2

(1．環(huán)境保護部信息中心，北京 100029；2．武漢大學(xué)，武漢 430072)

基于IPv6技術(shù)和通信協(xié)議的下一代網(wǎng)絡(luò)是未來信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施，IPv6是相對于IPv4的改進和完善，將進一步推動現(xiàn)有環(huán)境保護業(yè)務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展。本文簡單介紹了基于IPv6的基本情況，綜合分析了從IPv4應(yīng)用過渡到IPv6應(yīng)用所需經(jīng)過的三個階段，深入研究了IPv6在下一代環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)中的主要應(yīng)用。

IPv6；環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用

引言

隨著ICT融合逐步深入，承載大顆粒流量應(yīng)用（IPTV、VOIP、物聯(lián)網(wǎng)、3G、LTE等）各種終端不斷接入互聯(lián)網(wǎng)，其在消耗IP地址的同時，也在加速IPv6時代的到來。工業(yè)和信息化部電信研究院的調(diào)研報告顯示，未來五年我國將需要海量的IP地址，其中，移動互聯(lián)網(wǎng)需求量為10億，物聯(lián)網(wǎng)預(yù)計需求量為100億，IP地址需求總量高達345億。因此，加快IPv6推廣應(yīng)用步伐是下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展亟待解決的問題,也是解決環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)承載日益激增的環(huán)境保護業(yè)務(wù)壓力的關(guān)鍵問題。

1．基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)概述

基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是指采用IPv6技術(shù)和通信協(xié)議，建設(shè)由“千兆級交換節(jié)點(Gigapop)”互聯(lián)構(gòu)成的大容量互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它是未來信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施。從速度看，它要比現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)快1000倍以上。在下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)支持下，高清會議系統(tǒng)就會從一兩路變成可以支持成百路、上千路，千家萬戶都可以用這個高清系統(tǒng)，效果就會非常穩(wěn)定、非常安全。如今許多國外電信運營商已經(jīng)建立基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并開始提供接入服務(wù)，許多國家把加快信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)作為提高本國國際地位和增強世界市場競爭能力的重大舉措。

與IPV4相比，IPV6具有以下幾個優(yōu)勢：

（1）IPv6具有更大的地址空間。IPv4中最大地址個數(shù)為232；而IPv6中最大地址個數(shù)為2128。

（2）IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一開始就遵循聚類的原則，這使得路由器能在路由表中用一條記錄表示一片子網(wǎng)，大大減小了路由器中路由表的長度，提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。

（3）IPv6增加了增強的組播支持以及對流的控制，這使得網(wǎng)絡(luò)上的多媒體應(yīng)用有了長足發(fā)展的機會，為服務(wù)質(zhì)量控制提供了良好的網(wǎng)絡(luò)平臺。

（4）IPv6支持自動配置。這是對DHCP協(xié)議的改進和擴展，使得網(wǎng)絡(luò)（尤其是局域網(wǎng)）的管理更加方便和快捷。

（5）IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進行加密并對IP報文進行校驗，在IPv6中的加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性，極大地增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

（6）IPv6允許擴充。如果新的技術(shù)或應(yīng)用需要時，IPv6允許協(xié)議進行擴充。

（7）IPv6具有更好的頭部格式。IPv6使用新的頭部格式，其選項與基本頭部分開，如果需要，可將選項插入到基本頭部與上層數(shù)據(jù)之間。這就簡化和加速了路由選擇過程，因為大多數(shù)的選項不需要由路由選擇。

在基于IPv6的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)里，所有的數(shù)據(jù)分組從哪里來，到哪里去，大家都是知道的。這樣的話所有網(wǎng)絡(luò)上的各種行為都是可控的、可知的。這個使互聯(lián)網(wǎng)的可信度大大提高。下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特征是“更大、更快、更安全、更及時、更方便、更可管理和更有效”?！案蟆敝覆捎肐Pv6協(xié)議使得下一代互聯(lián)網(wǎng)擁有無比巨大的地址空間和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，接入網(wǎng)的終端種類、數(shù)量和應(yīng)用都將極其廣泛；“更快”指可以實現(xiàn)100Mbps以上的端到端高性能通信；“更安全”指具有數(shù)據(jù)加密功能，實現(xiàn)一個可信任的網(wǎng)絡(luò)；“更及時”指可以提供組播服務(wù)，進行服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制，開發(fā)出大規(guī)模實時交互應(yīng)用；“更方便”指可提供無處不在的移動和無線通信應(yīng)用；“更可管理”指可實現(xiàn)有序的管理和及時的維護；“更有效”指更有效的運營和營利模式。

2．構(gòu)建基于IPv6的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)需要解決的問題

構(gòu)建基于IPv6的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)需要解決以下四個關(guān)鍵技術(shù)和問題：

（1）服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS) 問題

為了滿足電視會議、可視電話和點播電視(VoD)等多媒體和寬帶通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，保證在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸實時數(shù)據(jù)時能夠擁有足夠的帶寬和最長的延遲時間，IETF在提出IPv6草案時就考慮到了對QoS的支持。IPv6對QoS的支持主要反映在IPv6的包頭中定義的兩個重要參數(shù)：業(yè)務(wù)類別(traffc class)域和數(shù)據(jù)流標志(fow label)位。

如何針對具體業(yè)務(wù)的要求，對業(yè)務(wù)進行分類和（或）進行資源預(yù)留，來實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量要求的協(xié)議機制，是發(fā)展基于IPv6技術(shù)的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)解決的首要問題。

（2）網(wǎng)絡(luò)層安全性問題

IETF在設(shè)計下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv6)時，增加了對網(wǎng)絡(luò)層安全性的要求，設(shè)計了IPSec協(xié)議(IP安全)，并規(guī)定所有的IPv6實現(xiàn)必須支持IPSec。IPSec在IP層上對數(shù)據(jù)包進行了高強度的安全處理，提供數(shù)據(jù)源地址驗證、無連接數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)機密性、抗重播和有限業(yè)務(wù)流加密等安全服務(wù)。各種應(yīng)用程序可以享用IP層提供的安全服務(wù)和密鑰管理，而不必設(shè)計和實現(xiàn)自己的安全機制，因此減少了密鑰協(xié)商的開銷，也降低了產(chǎn)生安全漏洞的可能性。IPSec可以連續(xù)或遞歸應(yīng)用，在路由器、防火墻、主機和通信鏈路上配置，實現(xiàn)端到端安全、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)和安全隧道技術(shù)。

安全性既涉及網(wǎng)絡(luò)安全也涉及信息安全，如何滿足IPv6對網(wǎng)絡(luò)層安全性的要求，是應(yīng)注意的最關(guān)鍵問題。

（3）地址空間的規(guī)劃和管理問題

合理的地址規(guī)劃將大大提高地址的尋址效率，大大減少路由表中的路由條目，從而極大地提高IP網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，如何合理對IPv6地址進行規(guī)劃仍然是大問題。

（4）移動IPv6 問題

從IP網(wǎng)的移動性來說，它主要涉及非實時業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)兩大類。這兩類業(yè)務(wù)對協(xié)議的要求是不同的。對于非實時業(yè)務(wù)而言，在通信過程中，不論個人、終端或系統(tǒng)移動到何處，業(yè)務(wù)的通信連接(TCP連接)必須保持不斷，而傳輸時延不是關(guān)鍵參數(shù)，采用迂回路由是可以接受的；對實時業(yè)務(wù)而言，傳輸時延是一個極其重要的參數(shù)，它不能容忍采用三角迂回路由進行通信，在這方面，IPv4很難處理，IPv6的解決辦法則有可取之處。

因此，IP網(wǎng)上對個人的移動性、終端的移動性和系統(tǒng)的移動性的支持問題，也是發(fā)展基于IPv6技術(shù)的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問題之一。

3．從IPv4應(yīng)用向IPv6應(yīng)用的過渡

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用己經(jīng)經(jīng)歷了三個階段：主機/終端模式、客戶機/服務(wù)器模式（簡稱C/S模式），瀏覽器/服務(wù)器模式（簡稱B/S模式）。傳統(tǒng)的主機/終端模式是一種集中式計算模式，目前己逐漸退出主流。從技術(shù)發(fā)展趨勢上看，可以認為B/S模式最終將取代C/S計算模式，但考慮到已形成的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，在今后的一段時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式很可能是B/S模式與C/S模式同時存在的混合模式。

在從IPv4應(yīng)用向IPv6應(yīng)用過渡的過程中，由于IPv6需要系統(tǒng)支持而應(yīng)用程序與系統(tǒng)無關(guān)、DNS不能表明使用哪種IP協(xié)議版本、同一應(yīng)用程序有多個版本時使用者為未知的IP選擇正確的版本十分困難等原因，導(dǎo)致了IPv4應(yīng)用不能直接過渡到IPv6應(yīng)用，需要分階段逐步實現(xiàn)過渡。

在目前B/S模式與C/S模式混合使用的情況下，從IPv4應(yīng)用向IPv6應(yīng)用過渡需要經(jīng)過以下三個階段：

（1）將簡單、通用性強的低成本應(yīng)用過渡到IPv6在不需要過渡成本或只需要極低過渡成本的情況下，將那些通用的簡單應(yīng)用過渡到IPv6，使得人們開始對IPv6網(wǎng)絡(luò)有所認識，并開始使用IPv6。

亞鐵氰化鉀(北京偶合科技有限公司，AR)，鄰甲基苯甲酰氯(上海試劑三廠，AR)，N，N-二甲基甲酰胺(天津永晟精細化工有限公司，AR)，乙腈(上海麥克林生化科技有限公司，AR)，吡啶(西安化工試劑廠，AR)，甲苯(煙臺市雙雙化工有限公司，AR)，石油醚(天津市永大化學(xué)試劑有限公司，AR)，乙酸乙酯(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司，AR)，二氯甲烷(天津市永大化學(xué)試劑有限公司，AR)，乙醇(天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠，AR)；TLC采用GF254熒光硅膠板(浙江省臺州市路橋四甲生化塑料廠)，柱層析采用粒徑為200～300目硅膠(乳山市太陽干燥劑有限公司，精制型)，蒸餾水(自制)。

（2）開發(fā)基于IPv6平臺的應(yīng)用

為了展現(xiàn)IPv6的新特性，在開發(fā)成本不高的情況下，開發(fā)一些具有IPv6特色的新應(yīng)用，促進IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。如目前使用IPv6的網(wǎng)絡(luò)視頻、網(wǎng)絡(luò)資源下載等，由于其具有流暢的畫面和高速的下載速度而受到廣大用戶的喜愛。

（3）關(guān)鍵IPv6應(yīng)用的過渡和決定性IPv6應(yīng)用的開發(fā)

隨著過渡的進行，IPv6網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用將按照先簡單后復(fù)雜、先低成本后成本逐漸增加的過渡順序，逐漸過渡到IPv6。同時，為了適應(yīng)和促進現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，IPv6將充分發(fā)揮其巨大地址空間及其他特點，開發(fā)出更多適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新應(yīng)用，促進網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

4．IPv6在環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)中的主要應(yīng)用

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)的成熟，環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)引入IPv6技術(shù)已是大勢所趨?；贗Pv6技術(shù)建設(shè)的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)不是現(xiàn)有基于IPv4 技術(shù)的一個私有業(yè)務(wù)專網(wǎng)，而應(yīng)設(shè)計成龐大的基于IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的一個子網(wǎng)。在環(huán)境信息業(yè)務(wù)方面，IPv6技術(shù)不但可以支持現(xiàn)有IPv4網(wǎng)絡(luò)上所提供的所有業(yè)務(wù)，而且能充分支持豐富多樣、個性化、無處不在的各種創(chuàng)新業(yè)務(wù)，如環(huán)境監(jiān)控業(yè)務(wù)、污染防治業(yè)務(wù)、遠程應(yīng)用業(yè)務(wù)（遠程監(jiān)控、遠程應(yīng)急響應(yīng)、遠程執(zhí)法等）、寬帶接入業(yè)務(wù)（FTTH、LAN、DSL等）、視頻點播業(yè)務(wù)（VoD）、移動業(yè)務(wù)（CDMA1x、GPRS、WLAN等）、VoIPv6業(yè)務(wù)等。IPv6在環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以概括為以下四類：

（1）P2P業(yè)務(wù)

“對等”（Peer-to-Peer，P2P）技術(shù)，是一種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，依賴于網(wǎng)絡(luò)中參與者的計算能力和帶寬，而不是都聚集在較少的幾臺服務(wù)器上。P2P的優(yōu)勢在于資源共享高效和可擴展性強，能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)中散布的大量閑散資源，可避免中間服務(wù)器介入而產(chǎn)生的瓶頸。P2P的應(yīng)用可涉及影視下載、媒體廣播、即時通信、實時語音、文件共享、對等計算、協(xié)同工作、搜索與存儲等各個層面。

IPv6擁有海量地址，用戶可以長期擁有一個IP地址。這不僅有助于促進P2P業(yè)務(wù)模式的發(fā)展，更利于實現(xiàn)對稱的實時端到端業(yè)務(wù)。

IPv6的海量地址支持及改進的業(yè)務(wù)解析能力與P2P對等互聯(lián)傳送能力相結(jié)合，將會對開啟未來信息通信網(wǎng)絡(luò)時代作出新的貢獻。尤其是在云計算飛速發(fā)展的今天，如何將P2P技術(shù)與云計算更好地結(jié)合起來，將在環(huán)境信息數(shù)據(jù)共享應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。例如，其在私有云中的有效應(yīng)用，就可以依靠業(yè)已成熟的P2P技術(shù)，實現(xiàn)友好端之間的資源共享。同時，對陌生端進行鎖定，達到私密的目的。這將為環(huán)境保護業(yè)務(wù)提供開放、共享、速度和安全等方面技術(shù)保障。

（2）環(huán)境信息化業(yè)務(wù)整合

在IPv4時代，互聯(lián)網(wǎng)連接通常依靠一個動態(tài)分配的IP地址。這個IP地址是用戶使用撥號調(diào)制解調(diào)器連接到一個服務(wù)提供商之后由服務(wù)提供商分配給連接計算機的。由于IPv4地址空間貧乏，當眾多的信息家電通過家庭網(wǎng)關(guān)連入網(wǎng)絡(luò)時，IPv4無法為所有設(shè)備終端分配惟一的IPv4地址，只能利用諸如NAT、私有地址空間等技術(shù)來繞過這一限制，但復(fù)雜的設(shè)置和管理將嚴重阻礙用戶對于新技術(shù)的接受程度。IPv6具備海量地址，允許海量終端接入，可以為網(wǎng)絡(luò)中的每一臺終端分配一個或幾個全球惟一的IP地址，業(yè)務(wù)也可以實現(xiàn)永遠在線，這就有利于環(huán)境業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實現(xiàn)多網(wǎng)合一，對眾多終端設(shè)備實現(xiàn)智能化管理。

采用了IPv6技術(shù)，可以把環(huán)保信息業(yè)務(wù)中多種網(wǎng)絡(luò)的部署簡化為只部署IPv6網(wǎng)絡(luò)，在IPv6網(wǎng)絡(luò)上劃分出多個業(yè)務(wù)區(qū)域，實現(xiàn)方法也更為靈活簡單，便于實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能。更為重要的是，可以開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，特別是原來受多種網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性所限制的應(yīng)用。此外，采用IPv6技術(shù)之后，終端本身使用和控制的安全、終端間傳輸數(shù)據(jù)的安全亦具備了得到保障的技術(shù)基礎(chǔ)。

（3）物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展已成為必然趨勢，隨著大量物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用，IPv6技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用也已迫在眉睫。物聯(lián)網(wǎng)要通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊。要實現(xiàn)“一物一地址，萬物皆在線”，將需要大量的IP地址資源，就目前可用的IPv4地址資源來看，遠遠無法滿足感知智能終端的聯(lián)網(wǎng)需求，特別是在智能家電、視頻監(jiān)控、汽車通信等應(yīng)用的規(guī)模普及之后，地址的需求會迅速增長。

作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IPv6能夠提供足夠的地址資源，滿足端到端的通信和管理需求，同時提供地址自動配置功能和移動性管理機制，便于端節(jié)點的部署和提供永久在線業(yè)務(wù)。然而，在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用IPv6，并不能簡單地“拿來就用”，而是需要進行一次適配。IPv6不能夠直接應(yīng)用到傳感器設(shè)備中，而是需要對IPv6協(xié)議棧和路由機制進行相應(yīng)的精簡，以滿足對網(wǎng)絡(luò)低功耗、低存儲容量和低傳送速率的要求。由于IPv6協(xié)議棧過于龐大復(fù)雜，并不匹配物聯(lián)網(wǎng)中互聯(lián)對象，尤其是智能小物體的特點，因此雖然IPv6可為每一個傳感器分配一個獨立的IP地址，但傳感器網(wǎng)需要和外網(wǎng)之間進行一次轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)IP地址壓縮和簡化翻譯的功能。

（4）環(huán)境信息安全領(lǐng)域中的優(yōu)勢

IPsec在IPv6系統(tǒng)中是必選項，跟系統(tǒng)是一個整體。在兩端主機上對報文進行IPSec封裝,中間路由器實現(xiàn)對有IPSec擴展頭的IPv6報文進行透傳,從而實現(xiàn)端到端的安全傳輸，使黑客的中間人攻擊難以實現(xiàn)。

應(yīng)用于現(xiàn)有虛擬網(wǎng)絡(luò)上的加密和整體性檢查在IPv6中是標準組件，供所有連接使用，由所有兼容的設(shè)備和系統(tǒng)支持。

在移動終端接入網(wǎng)絡(luò)的安全性方面，IPv6也更有優(yōu)勢。因為每個終端可以自始至終使用一個IP地址，這樣就能夠為每個終端或是一組終端定義一個安全政策，并且這一政策適用于該設(shè)備在任何地方的使用。

充足的IP地址可以提供一個私有的IP地址專區(qū)，這會帶來另外一個安全優(yōu)勢。有了這樣受控于本部門的IP專區(qū)，就能夠?qū)λ邢嚓P(guān)的IP地址運用安全政策，并且控制整個操作過程。

有了充足的IPv6地址，就可以為特定使用者(不論是管理者、業(yè)務(wù)用戶，還是數(shù)量龐大且分布廣泛的污染源企業(yè)用戶)創(chuàng)造特殊服務(wù)。

5．小結(jié)

IPv4地址資源的耗盡和對海量IP地址的需求決定了IPv6革命必將到來。采用IPv6的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)更具擴展性，更安全，更容易為環(huán)保業(yè)務(wù)用戶提供高質(zhì)量服務(wù)。但是IPv6應(yīng)用的演進不可能一蹴而就，注定是一個漫長的過程。在發(fā)展基于IPv6技術(shù)的環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)過程中，需要綜合考慮環(huán)境保護用戶、業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、成本等多種因素，通過合理的規(guī)劃，循序漸進地分階段、分步驟逐步完成IPv4應(yīng)用向IPv6應(yīng)用的過渡。

[1] 王永華.以應(yīng)用為中心的IPv4向IPv6過渡策略研究.山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[2] 王鳳先，楊曉輝.計算機網(wǎng)絡(luò).北京：中國鐵道出版社，2003.

[3] Myung-Ki Shin, Yong-Guen Hong, Jun-ixhiro itojun HAGINO et al.Application Aspects of IPv6 Transition,RFC 4038,March 2005.

[4] http://www.hqew.com/tech/doc/137207.html.

[5] http://www.catr.cn/txjs/jsyj/201106/t20110603_188814.htm.

Research on IPv6 Applicationin Environmental Information Network

Sun Yu1Qin Yu1*Chen Yu-xin1Chen Peng1Shen Lei2
(1.Information Center of Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, P.R.China; 2 Wuhan University, Wuhan 430072, P.R.China)

The Next Generation Network, based on IPv6 technology and communication protocols，is an important infrastructure for the future information society. IPv6 isanimproved and perfectedinternet protocolversion ofIPv4, which will further promote the development of existing business and applications. This paper simply introduced the Basic Overview of the next generation Network, analyzed theneeded three stages for transition from IPv4 to IPv6 application. At last, the main application of IPv6 in the next environmental generation network was further studied.

IPv6；environmental information network；application

X32

A

1674-6252（2014）04-0052-04

通訊作者：秦宇.