«Убийцами» Internet часто называют новые сетевые приложения, которым стало уже тесно в существующих технологических рамках Сети, построенной на протоколе IPv4, фундаментальное ограничение которого — недостаточный размер адресного пространства. В ряде стран, включая и Россию, число пользователей Глобальной сети уже превысило число выделенных адресов. Все больше новых технологий и приложений требуют для себя большего пула адресов, чем в состоянии предоставить IPv4.

Число пользователей Internet, количество приложений Сети и их областей применения стремительно растет. Однако для того, чтобы то или иное устройство могло предоставлять свои сервисы клиентам, надо, чтобы клиенты могли однозначно его идентифицировать. Как известно, в Internet в качестве уникального идентификатора служит IP-адрес, строка из четырех чисел, разделенных точками, позволяющая присвоить уникальные обозначения для 4 млрд устройств. В 70-х годах это казалось более чем достаточным, однако действительность превзошла самые смелые ожидания. На сегодняшний день в ряде стран, например, в Индии, России и Китае, число устройств, подсоединенных к Сети, многократно превосходит число адресов, выделенных этим странам. Текущая версия протокола по историческим причинам, называется Internet Protocol, version 4 (IPv4); спецификация данного протокола опубликована в 1981 году как RFC 791.

Угроза исчерпания адресов заставила в начале 90-х задуматься о будущем Сети, поэтому в 1993 году была инициирована работа над новым протоколом сетевого уровня, свободного от ограничений текущей версии. Новый протокол назвали Internet Protocol, version 6 (IPv6); первая версия спецификации была опубликована в 1995 году как RFC 1883. Новый протокол постепенно проникает в коммерческие и корпоративные сети. Основной интерес к нему проявляют Япония и Европа, где распространение новых коммуникационных технологий, прежде всего мобильной цифровой телефонной связи на основе Internet, сдерживается недостатком адресов.

В IPv4 адрес занимает 32 разряда, что и позволяет адресовать порядка 4 млрд устройств. Фактическое число адресов, которые можно присвоить устройствам, еще меньше — в основном из-за деления адресов на классы и фрагментирования адресного пространства на сети различных уровней. Создатели IPv6 выделили для адресов 128 разрядов, что позволяет завести порядка 1038 адресов. Даже при делении адресов на несколько классов и введении иерархических многоуровневых схем адресации, число адресов в IPv6 на много порядков превосходит количество адресов в IPv4. В IPv6 формат пакета переработан, улучшена поддержка фрагментации больших пакетов, введена автоматическая самоконфигурация узлов IPv6, предложены новые схемы построения иерархических сетей и упрощена маршрутизация.

Некоммерческое объединение производителей программного и аппаратного обеспечения, научных и общественных сетей IPv6 Forum (www.ipv6forum.com) ставит своей целью развитие сетей IPv6 во всем мире. Под эгидой форума проводятся конференции, семинары по обобщению опыта и обмену идеями в контексте IPv6. В мире развернуты несколько экспериментальных сетей IPv6 для отработки развертывания и поддержания новых технологий. Реализация IPv6 уже встроена в большинство популярных операционных систем, как серверных, так и пользовательских — Windows 2003, Linux, BSD, Solaris, Windows XP, Windows CE и многих других. Производители маршрутизаторов и сетевого оборудования постепенно совершенствуют поддержку IPv6 в своих продуктах.

«Могильщики» IPv4

Исчерпание адресного пространства протокола IPv4 — неотразимый довод в пользу перехода на новый протокол, тем не менее IPv6 используется пока только в исследовательских и экспериментальных сетях, а крупные провайдеры пока не спешат развертывать сети IPv6. В чем причина невостребованности IPv6?

С одной стороны, в США пользователи не испытывают проблем с адресным пространством: на долю этой страны приходится четверть всех IP-адресов, более одного миллиарда, и этого вполне достаточно на ближайшие десять-двенадцать лет. С другой стороны, даже в тех странах, где число пользователей уже сейчас превышает размер выделенного адресного пространства, лишь немногие испытывают потребность в постоянном уникальном IP-адресе. Дело в том, что подавляющее большинство современных пользователей Сети выступают в роли клиентов. Просмотр Web-страниц, отправка и получение почты, даже обмены мгновенными сообщениями (instant messaging) проходят в клиентском режиме, а для этого совсем не обязательно иметь глобально уникальный адрес. Технология трансляции сетевых адресов (network address translation, NAT) позволяет создавать локальные зоны уникальных адресов, причем в разных зонах могут использоваться одинаковые адреса. Многократное использование адресов имеет, разумеется, свою цену. Устройства, расположенные в таких зонах, не могут предоставлять серверные услуги клиентам, расположенным вне этих зон.

Что может изменить текущую ситуацию и подтолкнуть к переходу на новый протокол? Апологеты IPv6 связывают свои надежды с появлением приложений-«приманок», востребованных потребителями, для которых возможностей существующих сетей IPv4 будет уже недостаточно. Сегодня к числу наиболее вероятных кандидатов на роль «могильщиков» IPv4 относят, прежде всего, сети обмена файлами, массовое подключение мобильных устройств к Сети и grid.

Сети обмена файлами строятся на том, что в сети нет единого хранилища файлов — каждый узел может предоставлять файлы для всех остальных участников сети. Основой такой сети выступают узлы с постоянными IP-адресами; именно к ним происходит наибольшее число обращений. Участники сети, расположенные «за» прокси-серверами и трансляторами адресов, не имеют постоянного IP-адреса; более того, во многих случаях они даже не могут принимать входящие соединения, а следовательно, не могут отдавать файлы по запросам извне. Для того чтобы разгрузить основные ресурсы сети, надо, чтобы как можно больше ее участников могли быть доступны для запросов, а для этого необходимо, чтобы у участников сети обмена файлами были глобально уникальные адреса.

Мобильные устройства, подключенные к Сети, могут перемещаться в пространстве и динамически менять точки подключения. Скажем, носимые устройства при наличии адаптера Wi-Fi могут менять подключения к сети при переходе из зон покрытия. При этом необходимо поддерживать существующие соединения протоколов верхнего уровня, чтобы предоставить пользователю непрерывный доступ к ресурсам Сети. Наиболее элегантное решение проблемы гладкого перехода из сети в сеть обеспечивают протоколы Mobile IP, в которых предполагается, что у каждого мобильного устройства имеется свой уникальный адрес. По данным North American IPv6 Task Force (www.nav6tf.org), еще в мае 2003 года было зарегистрировано более 1,2 млрд подключений к сетям GSM и порядка 400 млн. подключений к прочим сетям цифровой связи (CDMA, TDMA и т.п.). Получается, что уже тогда размер адресного пространства, необходимого для присвоения уникального IP-адреса каждому мобильному телефону более чем вдвое превосходил объем IP-адресов, зарезервированных организацией Internet Assigned Numbers Authority. Фактически, полнофункциональная мобильная IP-телефония в рамках IPv4 невозможна.

В глобальных вычислительных сетях отдельные компьютеры могут предоставлять свои ресурсы во время простоя для проведения сложных расчетов. Возможны различные топологии глобальных вычислительных сетей, в частности, разноранговые сети с выделенными управляющими узлами и вычислительными узлами. Управляющие узлы отслеживают загрузку вычислительных узлов и раздают задания для счета, стараясь сбалансировать нагрузку на вычислительные узлы. Кроме того, управляющие узлы сами объединены в некоторую сеть, где распределяются большие задачи. Для того чтобы предложенная схема успешно работала, очень желательно, чтобы вычислительные узлы (их в сети большинство) были доступны для входящих заданий со стороны управляющих узлов. Указанное требование можно особенно просто реализовать, если у каждого вычислительного узла будет постоянный глобально уникальный IP-адрес.

«Могильщики» IPv4 уже на пороге, идет обновление инфраструктуры Сети. Можно ожидать, что в ближайшие годы произойдет переход на новый протокол, по крайней мере, в странах, уже сегодня испытывающих нехватку адресов.

Содружество IPv6 и IPv4

Невозможно в одно мгновение отказаться от IPv4 и перевести все компьютеры и клиентские устройства, серверы и сетевую инфраструктуру на IPv6. Перевод на IPv6 представляется как длительный процесс сосуществования двух протоколов с постепенным вытеснением IPv4. По оценкам экспертов IETF, окончательный переход на протокол IPv6 может занять до двух десятилетий.

В качестве основного механизма, обеспечивающего совместное использование IPv4 и IPv6 на устройствах пользователей (ПК, мобильные устройства), рассматривается архитектура двойного стека. Одна сетевая подсистема обрабатывает оба сетевых протокола, и используется единая реализация протоколов верхнего уровня (TCP, UDP) поверх двух сетевых протоколов IPv4/IPv6. Однако, только введения двойного стека еще недостаточно для того, чтобы в сетевом приложении появилась поддержка протокола IPv6. Необходимы усилия разработчиков по добавлению функциональности IPv6, но, к счастью, уже многие популярные приложения поддерживают оба сетевых протокола: Apache и Microsoft IIS (на платформе Windows 2003), браузеры Mozilla Firefox и Internet Explorer 6.0, почтовые серверы, почтовые клиенты и ряд других коммуникационных программ.

Введение поддержки IPv6 требует определенных усилий от системных администраторов локальных и корпоративных сетей — необходимо заменять сетевое оборудование (коммутаторы, сетевые экраны, шлюзы и т.п.). Для удобства пользования IPv6 необходимо развертывать сетевые сервисы, поддерживающие IPv6 (DNSv6, DHCPv6). Клиенты не смогут воспользоваться протоколом IPv6, если провайдеры не введут его поддержку в инфраструктуре своих сетей. Это означает, прежде всего, перевод маршрутизации на новые протоколы, учитывающие многоуровневую архитектуру маршрутизации в IPv6. Ускорение внедрения IPv6 может произойти только с широким распространением новых сетевых технологий — «могильщиков» IPv4.

IPv6 в России

В нашей стране действует Российский форум IPv6 (www.ipv6.ru), организованный активистами из Ярославского государственного университета. По инициативе этого форума с 2002 года в стране ежегодно проходит международная конференция «Интернет нового поколения». Очередная подобная конференция прошла в Москве в декабре 2004 года в рамках международной инициативы Global IPv6 Summit. Провайдеры FREEnet и RUNNet представили доклады, в которых обрисовали динамику развития интереса к IPv6 в России. Оказалось, что в России развитие сетей IPv6 заметно отстает от стран Европы и Азии. В качестве параметра для сравнения было выбрано число префиксов (т.е. множеств адресов), выделенных по заявкам из отдельных регионов в 2002-2004 годах. Этот параметр характеризует число сетей в регионе, работающих по протоколу IPv6. Пока Россия находится на вторых ролях, замыкая второй десяток стран в Европе и третий в мире по числу сетей на протоколе IPv6 (см. таблицу 1, 2).

Провайдеры отмечают слабый интерес к IPv6 и со стороны отечественных потребителей. Например, FREEnet и RUNNet ввели поддержку IPv6, но анализ трафика показывает, что IPv6 составляет незначительную долю в совокупном сетевом трафике [1, 2]. Средний объем данных, передаваемых по протоколу IPv6 в сети FREEnet составляет около 10 Кбит/с. В сутки по протоколу IPv6 в сети FREEnet передается около 100 Мбайт данных, но, по мнению представителей провайдера, основной объем составляют данные одного клиента — ftp-хранилища ftp.chg.ru. Остальные клиенты FREEnet протоколом IPv6 практически не пользуются.

По данным разных исследований, число пользователей Сети в России в два-три раза больше, чем выделенных стране IP-адресов (7 млн.), однако, несмотря на это, протокол IPv6 пока не востребован. Россия уже пропустила развитие протокола IPv4 и попала в зависимость от зарубежных производителей программного и аппаратного обеспечения. Сейчас есть уникальный шанс хотя бы не отстать от развитых стран на пути создания собственных реализаций и внедрении IPv6.

Литература
  1. D. Sidelnikov, IPv6 in FREEnet. Experience of Deployment. Третья международная конференция «Интернет нового поколения», 2004.
  2. Гугель Ю.В., Ижванов Ю.Л. «Международная связность научно-образовательной сети RUNNet и возможности ее использования для реализации IPv6 проектов». Третья международная конференция «Интернет нового поколения», 2004.

Николай Пакулин (npak@ispras.ru) — младший научный сотрудник Института системного программирования РАН (Москва).