Оценка производительности протоколов маршрутизации IPv4 и IPv6

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 004.057.4                                     

Интернет-протокол (IP) является одним из важных протоколов в TCP/IP. Этот протокол идентифицирует хосты и направляет данные между ними через Интернет. Первое поколение IP-адресов, которое широко используется, – это IPv4. Это долгое время поддерживало рост Интернета. Он был запущен в доверенной закрытой среде. Таким образом, ему не требуется какой-либо механизм безопасности для обеспечения безопасности хостов и сетевых элементов. Предполагается, что IPv4 будет последней стойкой с адресами (4000 миллионов). Понимая, что в наши дни мобильные телефоны, настольные компьютеры и огромное количество других интернет-устройств, подключенных к Интернету. Однако быстрое расширение IP-адресов приводит к нехватке IPv4-адресов. В момент его начала был предоставлен IPv4, который никогда не учитывал безопасность, простоту настройки, увеличение количества IP-адресов и качество обслуживания.

Следующее поколение IP-адресов, получившее широкое распространение – это IPv6. IPv6 был разработан для решения проблем нехватки адресации и основного ограничения IPv4. Маршрутизация очень требовательна к сложным и распределенным сетевым технологиям.

Методы и материалы

Различия между IPv6 и IPv4 проявляются в пяти ключевых аспектах: адресация и маршрутизация, безопасность, преобразование сетевых адресов, административная нагрузка и поддержка мобильных устройств. IPv6 также предлагает главную функцию: набор возможных планов миграции и перехода с IPv4[1]. IPv4 — это четвертая версия Internet Protocol (IP), ставшая первой широко распространенной версией этого протокола. Вместе с IPv6 он лежит на основе стандартных методов межсетевого взаимодействия в Интернете.

IPv4 продолжает оставаться самым распространенным протоколом на Интернет уровне, используя 32-битную адресацию и поддерживая до 4 294 967 296 уникальных адресов. IPv6, или Internet Protocol версии 6, также известный как IPng (IP нового поколения) – это вторая версия интернет-протокола, которая обычно используется в виртуальном мире. IPng был разработан для того, чтобы сделать эволюционный шаг по сравнению с IPv4. Все функции работавшие в IPv4 сохранились и в IPng.

Результаты и обсуждение

Интернет проявляется через передачу данных между хостами, которые маршрутизируются по сетям в соответствии с протоколами маршрутизации. Для этих данных требуется система адресации, такая как IPv4 или IPv6, для определения адрес источника и их назначения. Каждому хосту, компьютеру или другому устройству в Интернете необходим IP-адрес для связи.

Развитие технологий вызвало необходимость в большем количестве адресов, чем могло бы быть при использовании IPv4. IPv6 представляет собой пакет сетевой маршрутизации интернет-протокола уровня и обеспечивает сквозную передачу дейтаграмм через различные IP-сети. IPv4 использует 32-битные адреса, что обеспечивает 2^32 возможных адресов, а IPv6 использует 128-битные адреса, что позволяет создать пространство адресов с 2^128 (примерно 3,4×10^38) качественными адресами. Такое увеличение количества адресов позволяет подключать большее количество устройств и пользователей, а также повышает гибкость распределенных адресов и эффективность маршрутизации. Кроме того, IPv6 использует необходимость в трансляции сетевых адресов (NAT), которая стала популярной для решения проблем исчерпания IPv4-адресов [2].

IPv6 предоставляет интернет-провайдерам возможность предлагать уникальные IP-адреса каждому пользователю устройства, независимо от того, находится оно за брандмауэром или нет. Это также устраняет основную потребность в сетевом адресе трансляция (NAT), которая получила широкое распространение в попытке уменьшить исчерпание адресов IPv4 [3].

NAT (преобразование сетевых адресов) стало очень распространенным методом решения проблемы нехватки IP-адресов. К сожалению, NAT не очень хорошо работает для многих интернет-приложений, начиная от старых надежных, таких как NFS и DNS, и заканчивая новыми приложениями, такими как групповые конференции [4].

Одной из целей расширения адресного пространства IPv6 является устранение необходимости в NAT, что обеспечивает общую связь, надежность и гибкость сети. IPv6 обеспечивает прозрачность и сквозную передачу трафика через Интернет. Вторая важная цель IPv6-сокращение времени, необходимого для настройки и управления сетью. IPv6 поддерживает автоматическую технологию «без состояния», при которой устройство самостоятельно получает уникальный IP-адрес, используя свой MAC-адрес с префиксом, предоставляемый сетевым маршрутизатором. Еще одной важной целью IPv6 является поддержка VPN.

Протоколы безопасности IPSec, ESP и AH, которые являются дополнениями к IPv4. В IPv6 протоколы безопасности позволят создавать и разворачивать безопасные сети в мире IPv6. IPv6 уже достаточно развит для использования в корпоративных и коммерческих сетях, что обеспечивает поддержку ключей и технологий по всему миру. Признаками необходимости внедрения IPv6 могут послужить следующее:

• 1.    Заканчивается адресное пространство

• 2.    Требуется подготовка сетевых приложений для расширенных функциях IPv6

• 3.    Требуется сквозная безопасность для большого количества пользователей, а текущее адресное пространство не может ее обеспечить, либо возникнет трудности с реализацией NAT.

Для упрощения разработан набор принципов, известный как SIT (simple internet transition), который включает в себя протоколы и правила управления для плавного перехода. Основными характеристиками SIT являются:

• 1.    Возможность постепенного перехода: обновление хостов и маршрутизаторов до IPv6 может происходить поэтапно, без необходимости постоянного обновления других устройств.

• 2.    Минимальные требования к обновлению: для обновления хостов требуется лишь DNS-сервер, поддерживающий адрес IPv6 для управления. Для маршрутизаторов не требуется никаких требований.

• 3.    Простота адресации: маршрутизатор или хост могут обновлятся до IPv6, при этом можно продолжить использование адреса IPv4.

Механизмы, используемые SIT, включают следующее [5]:

• 1.    Структура адресов IPv6, позволяющая получить IPv6-адреса на основе IPv4-адресов.

• 2.    использования двойного стека на хостах и маршрутизаторах, при которых используются как IPv4, так и IPv6 одновременно.

• 3.    Метод инкапсуляции IPv6-пакетов внутри IPv4-пакеты, позволяющие для их передачи через сеть не поддерживающие IPv6.

• 4.    Метод преобразования заголовков IPv6 в заголовки IPv4 и обратно, чтобы на более поздних этапах подключения узлов с IPv4 можно было подключиться к узлам доступными только для IPv6.

Подход SIT обеспечивает совместимость хостов IPv6 с хостами IPv4 на современном этапе развития. По завершении перехода это соответствие будет обеспечиваться на локальном уровне ещё долгое время. Это позволяет сохранить инвестиции в IPv4-оборудование. Простые устройства, не поддерживающие IPv6, такие как сетевые принтеры и терминальные серверы, будут продолжать работать с IPv4, пока они остаются востребованными. Постепенный переход позволяет производителям интегрировать IPv6 в оборудование и программное обеспечение. Когда они будут готовы, пользователи смогут начать миграцию в удобное для них время [5].

Процесс маршрутизации становится более сложной в сетях IPv4 и IPv6. Поскольку эти два протокола несовместимы, для обеих сетей требуются разные наборы протоколов маршрутизации. Например: для сетей IPv4, RIP5, OSPFv26, BGP 7 и т. д., а для сетей IPv6RIPng8, OSPFv39, BGP+10 и т. д.

Одним из факторов ухудшающих производительность сети является размер пакета. По мере увеличения размера пакета пропускная способность сети уменьшается, поскольку после пересечения выделенного размера пакета она выделит вдвое требуемый размер пакета и заполнит мусор в нераспределенном пространстве пакетов, тем самым уменьшая пропускную способность.

Производительность этих протоколов в сетях IPv4 и IPv6 тестируется на основе размера пакета. Моделирование проводилось на беспроводных сетях со 100 узлами. Анализируется их влияние на сеть.

IP является наиболее широко используемым протоколом, используемым в Интернете. С появлением интернет вещей, устройств и приложений спрос на IP значительно возрос за последние несколько десятилетий. IPv4 представляет собой 32-битную схему адресации и отсюда может адресовать до 232 устройств (4,3 миллиарда адресов).

В начале 90-х годов было отмечено, что очень скоро IP протоколы будут исчерпаны и возникнет необходимость в новой схеме адресации. Для того чтобы удовлетворить спрос на IP протокол появилась новая схема адресации, протокол IPv6. IPv6 является интернет-протоколом следующего поколения со 128-битной схемой адресации, т. е. он может адресовать 2128 устройств, что намного больше, чем IPv4.

Основная проблема с обоими протоколами заключается в том, что IPv4 не имеет обратной совместимости с IPv6 и наоборот. Моделирование играет очень важную роль в разработке и тестировании сетевых протоколов и производительности сети.

Однако моделирование сложных сетей по-прежнему является обременительной работой, которая требует мощной вычислительной техники. Для проверки производительности сетей IPv4 и IPv6 были проведены моделирования с использованием пакета программ. На Рисунке представлен результат моделирования мобильной сети на 100 узлов.

Рисунок. Моделирования мобильной сети на 100 узлов

Заключение

В данной статье мы провели сравнительный анализ протоколов IPv4 и IPv6. При разработке IPv4 продолжалось его использование, однако с ростом числа устройств, подключаемых к сети, возникла сложность. В ходе исследования были выявлены основные недостатки IPv4, а также основные преимущества IPv6, которые решают эти проблемы. Одной из основных проблем является нехватка адресного пространства, так как с увеличением количества устройств (ПК, ноутбуков, смартфонов и т.д.) возрос спрос на IP-адреса. Это создает условия исчерпания адресов IPv4 в будущем. Протокол IPv6

обеспечивает значительно большее адресное пространство, увеличивает размер адреса с 32 бит в IPv4 до 128 бит в IPv6.

Еще одним недостатком IPv4 является его ограниченная поддержка мобильности: при смене местоположения мобильного узла создается свой IP-адрес, и требуется его повторная настройка. В отличие от IPv4, IPv6 повышает поддержку мобильности, позволяя устройствам менять местоположение без необходимости перезагрузки IP-адреса. Безопасность IPv4-поля (IPSec) является дополнительной, и безопасность обеспечивается непосредственно на конечных узлах, что соответствует уровню защиты. В поле IPv6 IPSec

Это поле реализовано с помощью AH, ESP и IKE. В IPv4 настройка IP выполняется либо вручную, либо с помощью DHCP, но IPv6 упростил настройку с помощью автоматической настройки. Согласно предыдущим соображениям, протокол IPv6 будет лучше по сравнению с протоколом IPv4. Он появился как следующее поколение Интернет-протокол и предоставляет несколько функциональных возможностей для устранения ограничений IPv4. Протоколы маршрутизации для сетей IPv4 и IPv6 тестируются с использованием пакетов различных размеров. Результаты изменения заключаются в том, что по мере увеличения размера пакета общая эффективность сети увеличивается. При небольшом размере упаковки их количество на исходном узле увеличивается, а при увеличении количества притока пакетов, что также снижает административные расходы. Среди четырех протоколов наилучшую производительность показал RIPng. Он имеет максимальную пропускную способность и коэффициент доставки пакетов с минимальной задержкой. OSPF для сетей IPv4. В будущем мы хотим оценить и анализировать других протоколов IoT.