CC BY
85
Ромасевич Е.П.
Волгоградский государственный университет, г.Волгоград, аспирант кафедры «Телекоммуникационных систем», eromasevich2 @mail . ru
ПРОБЛЕМЫ МИГРАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ СЕТЕЙ НА ПРОТОКОЛ IPV6
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Протокол IPv6, протокол IPv4, миграция сетей, телекоммуникационные сети, QoS, Ipsec.
АННОТАЦИЯ
В работе рассматривается необходимость миграции современных сетей с протокола IPv4 на протокол IPv6, а также проблемы и темпы внедрения нового протокола. Приводятся существующие технологии перехода для взаимодействия сетей IPv4 и IPv6.
Введение
В основе работы современного Интернета лежит протокол сетевого уровня IPv4. Данный протокол был разработан более 30 лет назад и его спецификация описана в RFC791, в далеком 1981 году. Стек протоколов TCP/IP пришел на смену еще более старому протоколу NCP (Network Control Program), описанным в RFC33. Все соединения и способы связи маршрутизаторов, тогда еще, сети ARPANET - IMP (Interface Message Processor) описывались индивидуально [1]. Переход сети ARPANET с протокола NCP на стек протоколов TCP/IP произошел 1 января 1983 года. Именно тогда термин «Интернет» закрепился за сетью ARPANET [2].
Реализация IPv4 оказалась довольно успешной. Сеть ARPANET стала расти еще быстрее. В 1984году, наряду с сетью ARPANET, появилась университетская сеть NFSNet, которая по темпам роста обогнала ARPANET и полностью вытеснила последнюю в 1990 г. Версия 4 на самом деле была первой рабочей версией протокола IP (Internet Protocol) [3]. Во время разработки протокола IPv4 среди прочих, стоял вопрос о выборе размерности адресации. В IP адресе заложена информация как о номере сети, так и о номере конечного хоста. Сеть ARPANET была научно-исследовательской. Для целей научного эксперимента размер^4 адреса был выбран 32-битам. При полной утилизации всего адресного пространства IPv4 количество уникальных адресов составляет: 2Л32 или 4 294 967 296. Для нужд эксперимента этого было вполне достаточно, чтобы адресовать каждый хост, подключенный к сети с большим, но обозримым резервом [2].
3 февраля 2011 года агентство IANA распределило последние 5 блоков/8 региональным интернет-регистраторам. Стала очевидной необходимость перехода на новый протокол IPv6, имеющий большее адресное пространство.
IPv6 имеет множество новых механизмов по сравнению со своим предшественником, включая улучшенное адресное пространство, встроенную расширяемость, и фактор наличия более сильного стандарта безопасности. По сути, он способствует формированию новых и более качественных сетевых наборов продуктов и услуг. Этот список не является исчерпывающим, но он даёт понимание, где IPv6 предстоит стать новым строительным блоком Интернет [4].
Необходимость миграции на протокол IPv6
То, что IPv4 имеет ограниченное адресное пространство, давно стало известно. В ближайшем будущем потребуется больше адресного пространства для новых портативных устройств в домах и офисах, чем то количество, которым мы сейчас располагаем. Количество пользователей растёт изо дня в день и уже сейчас миллиарды устройств подключены к Интернету. Процесс перехода на IPv6 находится в стадии разработки с 1990 года. Несмотря на то, что большое количество организаций получили всё необходимое для перехода, полное внедрение IPv6 идёт медленнее, чем ожидалось, хотя данный протокол поддерживает большее адресное пространство и лучшее качество услуг [5].
Количество конечных узлов в Интернете стремительно растёт с каждым годом, что приводит к значительному сокращению IPv4 и использованию IPv6. Протокол IPv6 иногда описывают как надстройка или модификация Ipv4. Но это принципиально другой протокол, который разработан для замены существующего протокола IPv4 в стеке TCP/IP.
Существуют некоторые сходства у двух протоколов, но различий больше. Присутствуют некоторые основные поля, такие как адреса источника и назначения и другие, но эти поля отличаются в размерах и формате. Адрес IPv6 имеет 128 бит, представленных в виде шестнадцатеричных блоков, тогда как адреса IPv4 имеют 32-битовые поля, представленные 4 октетами в десятичном формате [6]. Интернет протокол версии 6 поддерживает много возможностей и лучшую производительность.
Есть несколько важных причин для смены IPv4 на IPv6:
1. Нехватка адресного пространства IPv4;
2. Обработка мультимедийного трафика;
3. Мобильность;
4. Обработка пакетов [5].
Адресное пространство имеет 2Л32 адресов. Но на деле огромное количество адресов невозможно использовать по различным причинам. Множество адресных блоков зарезервировано, и не предполагают глобальную маршрутизацию. Такие адреса описаны в RFC6890. Здесь присутствуют адреса для частных сетей, канальные адреса для автоматического назначения адреса по DHCP, для тестирования, примеров, многоадресной рассылки. Одни «петли» занимают почти 17 миллионов адресов. А сеть 240.0.0.0/4, имеющая более 268 миллионов адресов, не маршрутизируется большинством оборудования. Более того, провайдеры повсеместно модернизируют свои сети для предоставления новых сервисов, таких как VoIP, VoD, IPTV. Новые технологии появляются каждый год, и требуют большого числа IP адресов. IPv6 с огромным адресным пространством в 2Л128 адресов способен выделить уникальные адреса всем существующим узлам, а также будущим намного лет вперёд [5].
Сегодняшним потребителям требуется больше мобильности с их мобильными устройствами и приложениями. Мобильность в IPv6 использует новые механизмы, благодаря чему переключение между станциями (handover) происходит быстрее, чем у IPv4, а качество связи лучше. Мобильная IP маршрутизация может иметь некоторые ограничения, но является сложной в исполнении и управлении [5].
IPv6 имеет возможностью динамического исследования MTU (максимальный блок передачи) пути следования трафика. Так фреймы создаются размером, определяемым маршрутизатором-отправителем, согласно минимальному MTU в каналах следования. Этим устраняется необходимость исчерпывающей фрагментации центрального процессора и процесса сборки в промежуточных маршрутизаторах, делая обработку пакетов быстрой и плавной [7].
Проблемы внедрения IPv6
При переходе с IPv4 на IPv6 придётся столкнуться не только с техническими проблемами. Существует множество других проблем [5].
Миграция на IPv6 началась медленно, потому что изначальная подключаемость была ограничена, магистральные сервисы с IPv6 не были распространены, была нехватка точек обмена IPv6.
До 2010 года только малая часть подключений приходилась на IPv6. Некоторые организации модернизировали свои сети до IPv6, но не отказывались от IPv4 полностью [5]. Результаты исследований последних лет показывают, что IPv6, хоть и незначительно, но уступает в производительности протоколу IPv4, тем самым оказывая негативный эффект на введение протокола IPv6 в эксплуатацию [9].
Обычные пользователи не задумываются о переходе на IPv6. Им просто необходим доступ в Интернет, независимо от того, какой интернет протокол используется. Все публичные интернет-сервисы доставляются потребителям через интернет протокол версии 4, поэтому пользователи не понимают, что есть необходимость миграции на шестую версию. Все устройства, которые они обычно используют у себя дома, такие как камеры, игровые консоли и телевизоры, поддерживают IPv4. В такой ситуации переход сервис-провайдеров на IPv6 был бы не приемлем для пользователей, потому что они не хотели бы лишаться привычных им сервисов [5].
Также не существует конечного срока, определяющего, когда переход должен быть завершён. Нет решения или закона о каком-либо конечном сроке перехода [5].
Влияние IPv6 на развитие перспективных сегментов рынка телекоммуникаций
Одной из тенденций телекоммуникационной отрасли является быстрый рост мобильных услуг, благодаря взаимосвязанному оборудованию сотовых сетей. Поэтому есть возрастающая необходимость в постоянной инфраструктуре и протоколе, который будет поддерживать мобильность и может связать огромное количество устройств. Это позволяет связи от узла к узлу с
адресацией IPv6 не нуждаться в каком-либо специальном устройстве, и неважно как эти узлы подключены [4].
VoIP создавался с успехом с точки зрения признания технологии. Движение от Н.323 к SIP позволило более энергично использовать VoIP. Более того, вид передачи в VoIP сервисах, происходящий по сети, намного разнообразнее, включая данные, голос и видео. Возможность доступа к контенту на любом типе платформ очень привлекает потребителей, главным образом тех, кто использует мобильные устройства. IPv6, с увеличенным адресным пространством, возможностью огромного многоадресного пространства, и привлекательностью для SIP, содействует росту этих возможностей [4].
Способ взаимодействия с семьёй и друзьями изменился с написания писем на телефонные звонки, электронную почту, смс и мгновенные сообщения. Стремление передавать фотографии, вести обсуждения в изолированных P2P сетях, показывать частную информацию в Интернете, находить подходящие сообщества, или играть вместе с другими требует Интернет, который будет гибким и защищённым. IPv6, с его способностями к самоконфигурации и предоставлением протокола безопасности IPSec на уровне стека IP, будет адекватным инструментом для разрешения вышеперечисленных требований [4].
Сенсорные сети - это новый концепт на рынке. Они могут быть применимы в инженерной аппаратуре, крупных машинах, системах безопасности, а также в системах отопления, вентиляции, и воздушного кондиционирования [5]. Новая идея основывается на объединении всей этой техники на единой платформе. Использование систем для обнаружения загрязнения или радиации в воде, систем фильтрации воздуха, а также различных систем подобного типа становится все чаще. Для запуска и управления таким большим числом систем необходимы безопасные и защищённые системы. IPv6 предлагает устоявшуюся приспосабливающуюся платформу, которая поддерживает гибкость и одноранговые сети [8].
Технологии перехода
Существует ряд технологий перехода для взаимодействия сетей IPv4 и IPv6. Протокол ISATAP (Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol) используется в частных сетях. ISATAP предполагает использование только в частных сетях. Он не может использоваться в Интернете. Чтобы использовать обе версии протокола, необходимо установить маршрутизатор ISATAP между сетями. Принцип работы данного механизма заключается в назначении узлам IPv6 адреса, сформированного определённым образом. Такой адрес включает в себя уникальную часть для каждого узла и фрагмент, который содержит информацию о том, что работает ISATAP, и IPv4 адрес маршрутизатора ISATAP.
Если планируется доступ в Интернет, возможно использовать такую систему, как 6to4. 6to4 является протоколом перехода, разработанным, чтобы помочь в переходе на IPv6. Тогда как Teredo применяется, когда компания использует устройство NAT. Протокол использует внешние сервера, которые многие интернет-провайдеры разместили в Интернете для помощи с переходом.6to4 разработан, как переходный протокол для помощи по внедрению IPv6. Он не проектировался, как длительное решение. 6to4 позволяет существовать сетям IPv4 в виде туннелей для трафика IPv6. Данные переходные технологии необходимы из-за несовместимости заголовков IPv4 и IPv6. 6to4 использует подход, близкий к ISATAP. Часть адреса IPv6 содержит адрес IPv4. Teredo - протокол, предлагающий инкапсуляцию протоколу IPv6 для последующей передачи по IPv4 сетям [5].
Можно выделить несколько способов перехода [9]:
1. Dual-stack;
2. Туннели IPv6 over IPv4;
3. Протоколы перехода;
4. Специальные каналы данных;
5. Магистрали MPLS.
Технология двойного стека является наиболее распространённым механизмом на сегодняшний день. Данный механизм поддерживает IPv4 и IPv6 в маршрутизаторах и хостах [9] (рис. 1 слева).
Туннелирование осуществляет инкапсуляцию пакетов IPv6 в пакеты IPv4 (рис.1 справа).
Динамика внедрения IPv6
Два эксперимента, направленных на скорость внедрения протокола IPv6 и пропускную способность TCP, было проведено [9]. В ходе данного эксперимента исследователи проводили мониторинг пингов и трассировки маршрутов более чем семи тысяч университетских вебсерверов на протяжении более месяца. Серверы находились по всему миру. Во втором
эксперименте проводились измерения пропускной способности TCP пяти университетских вебсерверов, поддерживающих механизм двойного стека, в течение двух недель. [9]
Рис. 1 - Схема реализации механизма двойного стека (слева). Схема реализации туннелирования (справа)
Native: 7.09% Gto4/Teredo: 0.01% Total IPv6: 7.09% I 13 окт. 2015 г.
9 00% S.00% 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2 00%
1.00%
0.00%
Jul 2015
^П2014 АН 2014 ^П2015
Рис. 2 - Данные по внедрению протокола 1Ру6 Результаты данного исследования показали, что внедрение ^6 имеет незначительный
рост, а пропускная способность варьируется незначительно в пределах от 1,63% до 6,65% по данных с пяти серверов [9].
Более явную картину показывает исследование Google по данным на октябрь 2015, как показано на рис. 2 [11].
Из рисунка видно, что с июля 2013 года по октябрь 2015 года количество запросов к серверам Google по протоколу IPv6 выросло с 1,5% до 9% от общего числа запросов. Это может свидетельствовать о хорошей динамике внедрения IPv6. К сожалению, если смотреть по странам, то значительный положительный сдвиг (от 5% до 20%) присутствует лишь в США и некоторых странах Европы и Южной Америки. Заключение
Современной тенденцией развития телекоммуникационных сетей станет переход Интернет на протокол IP версии 6, очевидным преимуществом которого является увеличенное адресное пространство по сравнению с IPv4. Если у протокола IPv4 - 2Л32 адресов, то у IPv6 - 2128 адресов. IPv6 содержит немало и функциональных улучшений, прежде всего в области маршрутизации. Адресация теперь имеет иерархическую структуру, что облегчает передачу пакетов по сети. Также на уровне IP больше нет подсчёта контрольных сумм, что позволяет маршрутизаторам не разбивать пакеты, экономя время обработки. Появились также новые возможности QoS и многоадресное вещание, а IPSec стал обязательным. Максимальный размер пакетов у шестой версии протокола может достигать 4 Гб, что несомненно приведёт к изменениям принципов передачи данных в будущем [10].
Целью данной работы было рассмотрение проблемы миграции сетей и Интернета в целом с протокола IPv4 на протокол IPv6, способы передачи данных в условиях перехода с одного протокола на другой. Также были описаны некоторые причины, благодаря которым внедрение IPv6 является долгим. Приведены результаты работ нескольких исследователей данной области.
Материал данной статьи прямо связан с научными интересами автора, некоторые результаты которых по данной тематике были опубликованы в сборниках Международной научно-практической контференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование» в 2013 [12] и 2014 годах [13].
Литература
1. Interface Message Processor. Report No 1822. URL: http://bitsavers.trailing-edge.com/ pdf/bbn/imp/BBN1822_Jan1976.pdf
2. Необходимость внедрения протокола IPv6 сервис-провайдерами. Михлевич Д.С., Подсумкова Л.А. Актуальные вопросы технических наук в современных условиях / Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. № 2. Санкт-Петербург, 2015. 231 с.
3. Внедрение IPv6 является сегодня первоочередной задачей для всего Интернета. Андрей Робачевский. URL: http://spbit.ru/interview/i86938/ 18.10.2015
4. TechTarget, 2010. IPv4 or IPv6 - Myths and Realities. URL: http://media.techtarget.com/searchNetworking/downloads/IPv4_or_IPv6.pdf 18.10.2015
5. Migration from Internet Protocol Version 4 To Internet Protocol Version 6. Amjad Mithani. Linneœus University. 2014-1124
6. Wendell Odom; "CCNP ROUTE 642 - 902" Official Certification Guide; 2010; San Francisco, Cisco Press
7. Siddharta Saha. URL: http://siddhartasaha.weebly.com/uploads/3/7/7/9/3779388/ipv6_writeup.pdf 18.10.2015
8. Monteiro, Ole Hanseth and Eric Monteiro, 1998. Changing infrastructures: The case of IPv6. URL: http://heim.ifi.uio.no/~oleha/Publications/bok.a.html 18.10.2015
9. Measuring IPv6 adoption rate and performance in the Internet. Ali Emre Yildirim. Oslo University 24.05.2011
10. Дериев И. IPv6, не дожидаясь провайдера. 28.07.2011. URL: http://www.ixbt.com/soft/ipv6.shtml 18.10.2015
11. URL: http://www.google.com/intl/en/ipv6/statistics.html
12. Исследование процесса потери пакетов при переходе сети MetroEthernet смешанной архитектуры на протокол IPv6. Ромасевич Е.П., Ромасевич П.В. Современные информационные технологии и ИТ-образование / Сборник избранных трудов VII I Международной научно-практической конференции. Под ред. проф. В.А. Сухомлина. - М.: ИНТУИТ.РУ 2013. - 829 с.
13. Исследование влияния передачи трафика IPv6 на работоспособность сети MetroEthernet на основе имитационной модели. Ромасевич Е.П. Современные информационные технологии и ИТ-образование [Текст] / Сборник избранных трудов IX Международной научно-практической конференции. Под ред. проф. В.А. Сухомлина. - М.: ИНТУИТ.РУ 2014. - 957 с.
