I06, Новое поколение IPv6: Технологическая революция

I06, THE NEW GENERATION OF IPV6: A TECHNOLOGICAL REVOLUTION

Mark Kuzin

listener, Academy of the Federal Security Service of Russia,

Russia, Oryol

Andrey Ohinko

listener, Academy of the Federal Security Service of Russia,

Russia, Oryol

Igor Nikolaev

listener, Academy of the Federal Security Service of Russia,

Russia, Oryol

Alexey Pereverzev

scientific adviser, employee, Academy of the Federal Security Service of Russia,

Russia, Oryol

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается протокол IPv6, который является следующей версией Интернет-протокола после IPv4. Обсуждаются причины перехода на IPv6, связанные с исчерпанием адресного пространства IPv4, а также преимущества нового протокола, такие как более широкий диапазон адресов, улучшенная маршрутизация и встроенная безопасность. Кроме того, анализируются текущие проблемы и препятствия на пути широкомасштабного внедрения IPv6, включая несовместимость с некоторыми существующими системами и необходимость обновления оборудования. В статье представлены примеры успешной миграции на IPv6 в разных странах и организациях, а также рекомендации по подготовке и реализации перехода на новый протокол. В заключение, подчеркивается важность использования IPv6 для обеспечения дальнейшего роста и развития Интернета в условиях постоянно увеличивающегося числа интернет-устройств.

ABSTRACT

The article discusses the IPv6 protocol, which is the next version of the Internet Protocol following IPv4. The reasons for the transition to IPv6 are examined, particularly the exhaustion of the IPv4 address space, as well as the benefits of the new protocol, such as a broader address range, improved routing, and built-in security features. Additionally, current challenges and barriers to widespread IPv6 adoption are analyzed, including compatibility issues with some existing systems and the need for equipment upgrades. The article presents examples of successful migration to IPv6 in various countries and organizations, along with recommendations for preparing and implementing the transition to the new protocol.

In conclusion, the importance of utilizing IPv6 is emphasized for ensuring the continued growth and development of the Internet in the face of an ever-increasing number of internet-connected devices.

Ключевые слова: IPv6, интернет-протокол, IPv4, адресное пространство, маршрутизация, функции безопасности, проблемы внедрения, рост интернета, подключенные устройства.

Keywords: IPv6, Internet Protocol, IPv4, address space, routing, security features, adoption challenges, internet growth, connected devices.

Интернет-протокол (IP) – это программный продукт, с помощью которого осуществляется передача данных в сети Интернет по определенным правилам. Каждому устройству для работы в сети присваивается уникальный идентификатор – IP-адрес. За передачу данных отвечает Internet Protocol, а за доставку этих данных конкретному устройству в сети, IP-адрес [1, с. 78].

В настоящее время сеть Интернет функционирует по протоколу IPv4. Он был применен в начале 1970-х годов для облегчения обмена информацией между образовательными и государственными учреждениями в Соединенных Штатах. Однако версия IPv4 имеет несколько ограничений, которые ограничивают дальнейшее развитие Интернета. IPv6 является улучшенным протоколом сетевого уровня, который получает все больше и больше распространения. Изменения в IPv6 должны устранить ограничения и обеспечить лучшие возможности для будущего глобального сетевого взаимодействия.

Необходимость использования интернета в жизни человека постоянно растёт, а доступ к нему можно получить с помощью различных устройств почти в любой точке планеты. Интернет испытывает феноменальный рост количества устройств, подключающихся к сети, и их количество постоянно увеличивается. Когда устройство отправляет запрос, оно помечает запрос своим IP-адресом, чтобы ответ мог быть отправлен обратно на устройство, подобно обратному адресу на письме. IP-адрес можно представить, как почтовый адрес, который определяет получателя письма. Без IP-адресов устройства не смогли бы подключаться и отправлять данные друг другу. Формат IP-адреса четвертой версии представляет собой числовой адрес из 32 бит, записанный в виде четырех чисел, разделенных точками. Каждое число может быть от нуля до 255. Например, 1.162.12.239 может быть IP-адресом. В настоящее время существуют две версии IP: IPv4 и новая версия под названием IPv6.

С ростом интернет-услуг у IPv4 появляется несколько ограничений. Основная проблема – ограниченное пространство адресов из-за того, что IPv4 основан на 32-битном адресе. Решением для IPv6 является адаптация к увеличенному спросу путем предоставления гораздо большего адресного пространства, а также улучшенной маршрутизации трафика и повышенной безопасности.  Таким образом, IPv6 является усовершенствованной версией IPv4. Новая версия была разработана для использования с текущими функциями при добавлении улучшенных возможностей. IPv6 берет лучшее из того, что сделало успешным IPv4, и избавляется от незначительных недостатков и неиспользуемых функций. У IPv6 128-битное адресное пространство, или в 4 раза больше битов адреса по сравнению с IPv4. Таким образом, существует более чем достаточно адресов IPv6 для обеспечения работоспособности интернета на десятилетия.

Рассматривая различия между IPv4 и IPv6, сравнивают набор таких параметров, как адрес, заголовок пакета, маска подсети и префиксы, маршрутизацию.

Основное различие между IPv4 и IPv6 – это увеличение размера адресов с 32 бит в IPv4 до 128 бит в IPv6. Это увеличивает общий размер пространства адресов с 2^32 до 2^128. Это также удваивает размер заголовка пакета, добавляя 20 байт дополнительного использования памяти на каждый пакет. Адреса IPv4 представлены четырьмя полями по 8 бит в каждом, используя до 3 десятичных цифр в каждом поле (значения от 0 до 255). Поля разделяются точками ("."). Адреса IPv6 представлены восемью полями по 16 бит в каждом, в которых используются до 4 шестнадцатеричных цифр (значения от 0 до ffff). Поля разделяются двоеточиями (":") [3, с. 123].

Заголовки пакетов прикрепляются к началу всех IP-пакетов. Их можно представить в виде "этикеток доставки", приклеенных к посылке. Заголовок пакета IPv4 составляет 20 байт. Почти все биты первых 20 байт давно уже использованы. Нет официального механизма расширения заголовка. Некоторые поля используются только в фрагментированных пакетах, но занимают место во всех пакетах. Заголовок пакета IPv6 на самом деле проще, чем заголовок пакета IPv4 и имеет меньше значащих полей. Некоторые поля были удалены, а другие переместили в расширенные заголовки. Размер заголовка увеличился вдвое (40 байт) из-за огромных (128-битных) IPv6-адресов устройств источников и устройств назначения (в четыре раза больше размера IPv4-адресов). Были учтены все биты базового заголовка пакета IPv6, но возможно добавление любого количества новых расширенных заголовков, которых не существует в IPv4. В новом заголовке IPv6 удалены пять полей из заголовка IPv4: длина заголовка, идентификация, флаги, смещение фрагмента, контрольная сумма заголовка [2, с. 156].

Все IP-адреса разделяются на две компоненты: адрес сети и адрес хоста в этой сети, определению которых способствует маска. Маски подсетей (IPv4) и префиксы (IPv6) группируют диапазон IP-адресов, составляющих подсеть или группу IP-адресов в одной сети. Маска подсети состоит в установке битов сети на все "1" и установке битов хоста на все "0". Маски подсетей и префиксы используются, когда хост пытается связаться с другой системой. Если система находится в той же сети или подсети, она попытается найти этот адрес на локальном канале. Если система находится в другой сети, пакет отправляется на шлюз, который затем передаёт пакет к IP-адресу. Это называется бесклассовой междоменной маршрутизацией (CIDR). В IPv4 маска подсети 255.255.255.0 составляет 32 бита и состоит из четырех 8-битных октетов. Префиксная длина в IPv6 соответствует маске подсети в IPv4. Однако вместо выражения в виде 4 октетов, как в IPv4, она выражается в виде целого числа от 1 до 128.

Маршрутизация IP предоставляет механизм по определению оптимального маршрута продвижения IP-пакета между любыми двумя хостами, подключенными к Интернету. Решения о маршрутизации основаны на доступности данных различных сетевых префиксов, которые либо настраиваются вручную, либо получают из протоколов маршрутизации. Это решение обычно не имеет значения для конечных хостов, но становится все более сложным, когда мы приближаемся к ядру Интернета. Информация о доступности определенного сетевого префикса называется маршрутом. Фактическое содержимое маршрута зависит от платформы маршрутизации и протокола, которым оно создано. Отдельные маршруты структурируются в наборы, известные как таблицы маршрутизации. У общих платформ маршрутизаторов есть отдельные таблицы для IPv4 и IPv6.

На основе сравнения выше указанных аспектов можно определить следующие ограничения IPv4:

Недостаток адресов IPv4

IPv4 использует пространство адресов в 32 бита. Это позволяет использовать 2^32 адресов, и выделяет IP-адреса, ограничивающие доступные публичные IP-адреса. Из-за ограничений многие компании или ведомства используют механизмы трансляции сетевых адресов (NAT), чтобы сопоставить один общедоступный IP с несколькими частными IP-адресами. Однако NAT вызывает проблемы в сети, когда две компании или ведомства, использующие один и тот же частный IPv4-адрес, взаимодействуют друг с другом. Поэтому NAT нельзя использовать в качестве долгосрочного решения.

Безопасность

Безопасность IPv4 стандартизирована с помощью протокола безопасности интернета (IPsec). Однако IPsec является необязательным для протокола IPv4. Приложение подвержено рискам перехвата защищенного трафика. С увеличением рисков в Интернете необходим встроенный механизм безопасности [5, с. 52].

Конфигурация

Конфигурация IPv4 должна быть выполнена с использованием протокола динамической конфигурации хоста (DHCP) или с помощью автоматического присвоения частных IP-адресов (APIPA). APIPA IPv4 возможно только в изолированной подсети, которая не содержит маршрутизаторов, объединяющих другие сети.

Передача данных в реальном времени

IPv4 неэффективен в передаче данных в реальном времени, такие как аудиофайлы в видео- и телеконференциях, должны передаваться без задержек или с очень незначительными задержками.

Говоря о преимуществах IPv6, хочется сказать о:

Расширенном пространстве адресов

IPv6 предлагает адреса длиной 128 бит по сравнению с 32-битными адресами IPv4. Таким образом, у IPv6 имеется пространство 2^128. Это огромный объем позволяет устройствам подключаться к Интернету без NAT и одновременно допускает иерархическую структуризацию адресного пространства в пользу оптимизированной глобальной маршрутизации.

Автоматической конфигурации

Новая функция IPv6 – механизм автоматической конфигурации адресов без отслеживания состояния (SLAAC). Когда устройство загружается, IPv6 может получить один или несколько сетевых префиксов от маршрутизатора IPv6. Он способен автоматически настраивать один или несколько IP-адресов. SLAAC может сэкономить расходы на обслуживание IP-сетей. APIPA может использоваться в частных и корпоративных сетях с использованием DHCPv6 или DNS-сервера, где компьютер-хост может автоматически настраивать свой собственный IPv6-адрес, построив его из префиксов адресов, представленных локальным маршрутизатором. Это упрощает настройку адресов IPv6 для пользователя и администратора сети. Таким образом, автоматическая конфигурация обеспечивает легкое подключение к мобильным сетям при переходе на чужие сети.

Простом формате заголовка

IPv6 имеет заголовок длиной 40 байт, который намного проще, содержит меньше значащих полей, чем заголовок IPv4, что способствует его более быстрой обработке. В нем предусмотрено два поля по 16 байт для адреса узла-источника и узла-назначения, а также 8 байт для общей информации о заголовке. Расширенный заголовок выполняет функции длины заголовка и смещений фрагментов в IPv4.

Улучшенной поддержке опций и расширений

IPv6 интегрирует опции в расширенный заголовок, который вставляется только при необходимости. Это позволяет осуществлять быструю обработку пакетов. Базовая спецификация описывает группу из шести расширенных заголовков, включая заголовки для безопасности, маршрутизации и качества обслуживания (QoS).

Заключение

В данной статье был проведен анализ перехода с протокола IPv4 на IPv6. IPv4 легко реализуем, надежен и гибок. Хотя IPv4 был наиболее успешным протоколом передачи данных, экспоненциальный рост пользователей, подключающихся к Интернету, превышает пределы возможностей IPv4. IPv6 решает проблему ограничений IPv4, улучшая его функции, повышая функциональность и упрощая работу сетевого администратора. Самые очевидные особенности – это расширенное пространство адресов IPv6 до 128 бит, что позволяет подключать больше устройств к сети. Переход с IPv4 на IPv6 – это сложный процесс, который варьируется в зависимости от потребностей и ситуаций пользователя.

Список литературы:

1. Таненбаум, Э. У. "Сети компьютерные." — СПб: Питер, 2020.
2. Кросби, С. "IPv6: Протокол нового поколения." — М.: Вильямс, 2019.
3. Торвалдс, Л. "Сравнение IPv4 и IPv6: Введение в новый стандарт." — М.: БХВ-Петербург, 2018.
4. Рогов, С. В. "Адресация и маршрутизация в IPv6." — М.: Горячая линия - Телеком, 2021.
5. Юрьев, А. А. "Безопасность в сетях IPv6." — М.: Научное издание, 2022.