本章主要讨论IPv4中存在的问题。虽然IPv4已经取得了令人难以置信的成功，但是仍有一些值得改进的地方。其中最显眼和最值得注意的可改进之处在于其地址空间的大小。其他议题与性能及IP头字段的设计和使用相关。本章还将讨论安全性、性能和管理控制等议题。
3.1 修改还是替换
考虑到IPv4存在的时间，它确实工作得不错。那为什么还要用其他的东西来替换它呢？毕竟如果把IPv4替换掉的话，网络中的所有系统均需要升级。升级到最新的微软Windows易如闲庭信步，但IPv4的升级对于大型组织来说，简直就是一场恶梦。我们讨论的网络可能包括十亿甚至更多的遍布全球的系统，上面运行着不知道多少种不同版本的TCP/IP连网软件、操作系统和硬件平台。要求对其中所有系统同时进行升级是不可想象的。
那么有没有办法可以避免IP升级可能带来的纷乱和不幸呢？答案是也许有，也许没有。这取决于对新协议的需求程度。换句话说，如果协议的唯一问题仅仅在于地址的匮乏，通过使用诸如后面所讨论的划分子网、网络地址翻译或无类域内选路等现有工具和技术，也许可以使该协议在相当长的时间内仍可继续工作。但是，这种权宜之计不可能长期有效，实际上，这些技术已经使用了很多年，如果不实现对IP的升级，它们最终将阻碍未来Internet的发展，因为它们限制了可连接的网络数和主机数。
本章还将讨论IPv4的其他问题，除了地址缺乏的问题外，还包括更普遍的扩展性问题、管理问题、选路困难、服务的改进和服务质量特性的交付以及安全性问题。
最后，拥有多年IPv4工作经验的工程师们作出的决定是替换而不是修补IPv4。我们知道IPv4中哪些工作良好，哪些只是可以工作，哪些可以工作得更好。现在的情形不是用未知量来取代已知量。IPv6的设计者们将这个新协议建立在IPv4的基础上，沿用IPv4工作良好的部分，改进可以工作的部分，去掉影响性能和功能的部分，另外还增加了当前特别需要的功能。
本节的其余部分讨论目前用于解决IPv4缺点的一些方法，然后讨论IPv4向IPv6升级的协议过渡的含义。
协议的补丁和扩展
IPv4面临的最紧迫的问题是地址空间的大小问题，主要研究方向也定位在如何减少地址空间的浪费并提高使用效率上。其他议题，包括选路、网络管理、配置及IPv4扩展选项有时也与地址空间有关。
1. IPv4选路
在互联网或内联网上传输的IPv4包必须从一个网络选路到另一个网络以到达其目的地。选路协议可以使用动态机制来确定路由，但是所有选路最终依赖于某个路由器查看不同路由的列表并确定正确的路由。选路表包含网络的列表和连接到这些网络的接口的列表。路由器查看包，确定包所在的网络(或该网络可能在的网络)，然后把包发送到适当的网络接口。
现在的关键问题在于路由表的长度将随着网络数量的增加而变长。而路由表越长，路由器在表中查询正确路由的时间就越长。如果只需要了解10个、100个或1000个网络，这不是问题。但是对诸如现在的Internet，拥有大量的网络，在骨干路由器上通常携带超过11万个不同网络地址的显式路由，此时选路变成了一场恶梦。
选路议题影响到性能，它对互联网增长的影响远比地址空间的匮乏更紧迫。IPv4地址可能在5年内使用殆尽，但如果不使用分级寻址来集聚和简化选路， Internet的性能可能在最近甚至现在就变得不可接受。
2. 划分子网
对子网的合理使用将增加地址使用的效率，但它对于效率的改进是有限的。如果想了解原因的话，先考虑原来的网络地址分配方式：一个机构可以申请到一个A、B或C类地址。如果能够证明自己需要相当数量的主机地址，机构也许能获得一个B类地址；否则，获得的将会
是一个C类地址。无论申请人的网络中的主机是2 0 0台、2 0台还是2台，他们都将获得一个C类地址，这样就占用了2 5 4个主机地址。如果他们能够使权威机构确信他们的确需要一个B类地址的话，即便他们只有1 0 0 0台主机，他们仍将获得完整的B类地址，这样一来又占用了65 534个主机地址。
获得这些地址后，从外部发往网络内任一处的业务流都在一个路由器接口处理，该路由器将把这些数据重新选路到本机构内的目的地。这种体系结构意味着用户可以按照自己的愿望来设计网络。图3-1 中显示了两种方案。两个网络都连接到Internet，但C类网在本机构内只提供了一个网络的连接能力，而B类网络把机构划分成三个子网，通过内部路由器彼此连接，并通过第二个路由器连接到Internet。

当本地网络媒体在网络大小或连接的主机数量上到达极限时，就需要划分子网，同时它也可用来反应机构的体系结构。图中没有明确显示出子网不必在同一个建筑物内或同一个城市内。路由器重定向数据可以经过本地连接，也可以经过长途数据通信链路。这意味着一个
机构可以与不同的分支、操作单位或子公司一起共享一个网络地址。
划分子网的问题在于它只适用于某种特定规模的机构—或者是C类网络或者是B类网络。例如，一个大型机构使用一个B类地址的网络有以下优点：使用8位子网掩码(换句话说，从B类地址的1 6位主机地址中借用8位)意味着可以有2 5 6个子网，其中每个子网可以最多有2 5 4个主机。如果使用9位子网掩码，还可以把子网数量倍增至5 1 2，当然每个子网上的主机数量降至了1 2 6。通过增加或减少位数量，可以很好的调整子网结构使之适应整个机构的体系结构。
对于需要B类地址的用户，不幸的是，除非是已经有了B类网络，否则目前很难得到B类地址。地址授权机构现在将C类地址成块分配给ISP，并通过它们再重新分配给用户。一个C类网络最多只能处理2 5 4台主机(绝对是最大值)，如果划分子网后，其主机数将进一步减少。因此，划分子网的C类网络可以用于包含不超过8 (或1 6 )个子网的小公司，同时每个子网上的主机数量少于3 0个(或1 4个)。即便如

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