УДК 004.738.5.057.4

IPV6: почему новый интернет-протокол еще не заменил предшественника

Михайлюк Дмитрий Сергеевич – студент бакалавриата Института информационных технологий МИРЭА – Российского технологического университета.

Попов Григорий Павлович – студент бакалавриата Института информационных технологий МИРЭА – Российского технологического университета.

Круглов Анатолий Михайлович – ассистент Института радиоэлектроники и информатики МИРЭА – Российского технологического университета.

Аннотация: Настоящая статья посвящена разбору процесса перехода с IPv4 на IPv6. Проведен сравнительный анализ указанных протоколов, рассмотрены проблемы отсутствия широкого распространения новой версии протокола, выявлены причины текущего состояния перехода и предложены варианты решения проблемы замены IPv4.

Ключевые слова: проблемы IPv4, замена IPv4, IPv6, переход на IPv6.

1. Введение

Более чем 25 лет назад появилась технология интернет-протоколов IPv6, ориентированная на проблему расширения адресного пространства, но до сих пор она не может полностью заменить своего предшественника – IPv4.

Вместо широкого распространения IPv6 большинство пользователей использует серые IP-адреса с применением NAT, в то время как за публичные IPv4 взимается почасовая плата, что делает их предметом желания для бизнеса всех масштабов. Однако переход на протокол шестого поколения осуществить достаточно трудно.

В настоящей статье будет проведен сравнительный анализ протоколов по основным характеристикам, будут рассмотрены причины, по которым IPv6 до сих пор не получил широкого распространения, несмотря на свое почти тридцатилетнее существование, будет выявлено текущее состояние технологии шестого поколения, а также приведены варианты решения проблемы замены IPv4.

Актуальность темы обусловлена, в первую очередь, нехваткой публичных IP-адресов в протоколе IPv4, что, впоследствии, приводит к необходимости его замены.

2. Терминологический аппарат

В дальнейшем под узлами будем понимать подключенные к сети устройства с физическими адресами, такие как компьютеры, коммутаторы, маршрутизаторы, серверы и другие.

Ниже представлены основные термины, использующиеся в тексте статьи, и их определения.

IP (Internet Protocol, TCP/IP) – интернет-протокол сетевого уровня стека TCP/IP, использующийся для адресации в сети. Он представляет собой набор правил, регулирующих формат данных, отправляемых через Интернет или локальную сеть.

IPv4 (TCP/IPv4) – четвертая версия протокола IP, которая массово используется в сети. Адрес в данном протоколе состоит из тридцати двух бит, то есть полное адресное пространство четвертой версии составляет IP-адресов, а заголовок пакета содержит четырнадцать полей.

IPv6 (TCP/IPv6) – шестая версия протокола IP, которая является относительно новым стандартом передачи данных. Адрес IPv6 состоит из ста двадцати восьми бит, полное пространство составляет 2¹²⁸ IP-адресов. Заголовок пакетов в шестой версии состоит из восьми полей.

Публичный IP-адрес (белый IP-адрес) – IP-адрес, который используется для того, чтобы устройство могло беспрепятственно выходить в Интернет и обмениваться данными с другими «белыми» устройствами.

Частный IP-адрес (серый IP-адрес) – IP-адрес, который используется в локальных сетях. Устройство с частным адресом может обмениваться данными только с теми устройствами, которые находятся в той же локальной сети.

NAT (Network Address Translation, трансляция сетевых адресов) – это механизм в сетях TCP/IP, позволяющий изменять IP-адрес в заголовке пакета, проходящего через устройство маршрутизации трафика [1]. Принимая пакет от локального компьютера, маршрутизатор обрабатывает IP-адрес назначения: если адрес назначения локальный, то пакет пересылается другому локальному компьютеру, в ином случае пакет отправляется из локальной сети в глобальную (Интернет). Используется, в основном, для подключения узлов с серым IP к сети Интернет посредством преобразования серого IP-адреса в белый.

3. Проблема IPv4

Основной проблемой интернет-протокола IPv4 является то, что практически все его адресное пространство исчерпано (в конце ноября 2019 года был распределен последний блок IPv4-адресов) [2].

Временным решением этой проблемы является создание локальных сетей, внутри которых у каждого узла (устройства) есть свой частный IP-адрес, и последующее использование протокола NAT, предоставляющего возможность использовать серый IP-адрес [3]. Таким образом, с использованием NAT можно через один «белый» узел дать доступ в Интернет нескольким «серым» узлам (например, домашний роутер и несколько компьютеров и телефонов). И все же это решение временное, поскольку с каждым днем нехватка белых IPv4 ощущается все сильнее.

4. Преимущества IPv6

С использованием IPv6 пропадает проблема нехватки белых IP-адресов – в стандарте шестой версии их , что предоставляет практически неограниченное число адресов (каждому жителю Земли можно выделить столько IPv6 адресов, сколько содержится во всем IPv4).

Помимо решения проблемы с пространством адресов, существует еще множество преимуществ IPv6 перед IPv4. Основные:

• благодаря большому числу битов появляется возможность автоматической настройки IP-адресов внутри локальной сети [4];
• быстрая обработка пакетов из-за отсутствия проверки контрольной суммы CRC [1];
• ускоренная маршрутизация;
• множество встроенных в протокол технологий, таких как ARP;
• меньшее число полей в заголовке – 14 против 8 (Рисунок 1).

Рисунок 1. Сравнение заголовков в IPv4 и IPv6.

Более подробное сравнение стандартов приведено в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнение стандартов IPv4 и IPv6.

И все же IPv6, несмотря на давнее появление, так и не используется массово ввиду трудностей, возникающих во время перехода с IPv4 на IPv6.

5. Недостатки IPv6 и трудности перехода

Первое, с чем столкнется пользователь при переходе на IPv6, станет проблема отсутствия основных зависимостей. В отличие от IPv4, где зависимости обеспечивали автоматическую настройку, в новом стандарте при попытке оптимизировать адресное пространство и использовать маску больше, чем /64, зависимости ломаются, что приводит к дополнительным затратам ресурсов.

Другой проблемой является поддержка данной технологии провайдерами – далеко не все провайдеры имеют оборудование для работы с IPv6, в результате чего невозможно, например, установить SSH-соединение для удаленного доступа к рабочим машинам.

Еще одной серьезной проблемой является цена массовой миграции на новую версию протокола. Для осуществления перехода потребуется огромное количество времени, ресурсов и усилий, поскольку необходимо будет перенастраивать компьютеры с IPv4 на IPv6. Однако не все устройства позволят это сделать – миллиарды устройств не имеют встроенной поддержки новой версии протокола, и их обновление невозможно.

Также стоит отметить, что администрирование больших сетей на основе шестой версии протокола усложняется из-за сравнительно большого размера адресов.

Суть проблем, связанных с IPv6, в том, что белые IP-адреса нужны для того, чтобы иметь возможность разрабатывать и в дальнейшем разворачивать проекты на своей инфраструктуре с возможностью межсетевого взаимодействия, и, в теории, протокол шестого поколения способен обеспечить необходимые адреса, однако самый популярный веб-сервис для хостинга IT-проектов GitHub не поддерживает шестую версию интернет-протокола, обязывая пользователей оставаться на белых IPv4.

Другим примером неготовности к массовому переходу на IPv6 служит Docker (ПО для автоматизации развёртывания и управления приложениями в средах с поддержкой контейнеризации [5]), контейнеры в котором требуют модифицированных образов для поддержки шестой версии протокола.

Инструментов с отсутствием поддержки IPv6 или же с проблемным процессом миграции на новый протокол достаточно много. Учитывая тот факт, что новому протоколу почти тридцать лет, можно констатировать, что данная технология на настоящий момент не подходит для замены IPv4.

6. Варианты решения проблемы замены IPv4

Существуют два основных мнения относительно решения проблемы замены IPv4:

1. Необходимо в ускоренном темпе переходить с четвертой версии интернет-протокола на шестую, параллельно разрабатывая решения для устранения проблем с совместимостью для уже существующих инструментов и создавая новые инструменты;
2. Нет смысла в переходе с одной устаревшей технологии на другую – необходимо бросить все силы на разработку новой версии интернет-протокола, которая будет удовлетворять всем требованиям пользователей и перекроет проблемы существующих протоколов.

Последнее мнение подкреплено следующим аргументом: IPv6 все еще плохо приспособлен к работе с динамическим расположением устройства-носителя адреса. Так, при попадании в зону действия новой базовой станции устройству присваивается новый адрес – заново каждый раз при подключении к новой вышке сотовой связи устройство с IPv6 получает новый адрес, расходуя ресурсы. Также эксперты отмечают отсутствие ощутимой разницы в скорости передачи данных в сравнении с предшественником.

7. Заключение

Резюмируя все вышесказанное, стоит выделить следующее: несмотря на то, что IPv6 превосходит своего предшественника по многим параметрам, таким как: пространство адресов ( у IPv4 против у IPv6), встроенный функционал ARP, меньшее число полей в заголовке, отсутствие необходимости подсчета контрольной суммы, новый интернет-протокол не находится в состоянии, в котором им можно было бы массово заменять IPv4. Несмотря на тот факт, что протокол шестого поколения и решает основные проблемы IPv4, на данный момент он обладает рядом недостатков, решение которых может оказаться слишком дорогим как со стороны финансовых вложений, так и со стороны трудозатрат. Это ставит под сомнение целесообразность внедрения именно IPv6 взамен IPv4, поскольку, возможно, проще и дешевле было бы разработать концептуально новый протокол, который не только будет решать вопросы, связанные со старой версией интернет-протокола, но и предотвратит появление новых, потенциально более серьезных проблем, связанных с вводом в эксплуатацию шестой версии.

Список литературы

1. NAT (Network Address Translation) для новичков: сайт. – Текст: электронный. – URL: https://habr.com/ru/articles/583172/ (дата обращения: 01.03.2024).
2. IPv4: сайт. – Текст: электронный. – URL: https://www.tadviser.ru/a/276842 (дата обращения: 01.03.2024).
3. Белые и серые IP-адреса: что это такое и в чем их различие: сайт. – Текст: электронный. – URL: https://selectel.ru/blog/white-and-grey-ip/ (дата обращения: 01.03.2024).
4. IPv6: сайт. – Текст: электронный. – URL: https://www.tadviser.ru/a/64916 (дата обращения: 01.03.2024.
5. Понимая Docker: сайт. – Текст: электронный. – URL: https://habr.com/ru/articles/253877 (дата обращения: 03.03.2024).