网络发展

互联网的发展趋势

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IPv4到Ipv6:互联网的发展趋势

一、概述

随着互联网的迅速发展，使用Internet技术的TCP/IP协议取得了巨大的成功。

但是，TCP/IP协议的研制者设有预料到Internet的规模会发展到今天这么大，

从而使得现有的TCP/IP协议面临许多困难。1987年，人们便预计在1996年

Internet将接入100,000个网络，这一预测看来是准确的。此外，虽然目前使用

的32位IPv4地址结构能够支持40亿台主机和670万个网络，实际的地址分配

效率，即使从理论上说也远远低于以上数值。使用A、B和C类地址，使这种

低效率的情形变得更为严重。

自八十年代后期，研究人员开始注意到了这个问题，并提出了研究下一代IP协

议的设想。1990年，人们预计，按照当时的地址分配速率到1994年3月B类地

址将会用尽，并提出了最简单的补救方法：分配多个C类地址以代替B类地址。

但这样做也带来新的问题，即进一步增大了已经以惊人的速度增长的主干网路

由器上的路由表。因此，Internet网络界面临着困难的选择，或者限制Internet

的增长率及其最终规模，或者采用新的技术。

1990年后期，IETF开始了一项长期的工作，选择接替现行IPv4的协议。此后，

人们开展了许多工作，以解决IPv4地址的局限性，同时提供额外的功能。1991

年11月，IETF组织了路由选择和地址工作组(ROAD)，以指导解决以上问题。

1992年9月，ROAD工作组提出了关于过渡性的和长期的解决方案建议，包括

采用CIDR路由聚集方案以降低路由表增长的速度，以及建议成立专门工作组

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以探索采用较大Internet地址的不同方案。

1993年末，IETF成立了IPNG工作部，以研究各种方案，并建议如何开展工作。

该工作部制订了IPn最新的歌 g技术准则，并根据此准则来评价已经提出的各种方案。在

经过深入讨论之后，SIPP(SimpleInternetProtocolPlus)工作组提供了一个经过

修改的方案，IPng工作部建议IETF将这个方案作为IPng的基础，称为IPv6，

并集中精力制定有关的文档。自1995年末起，陆续发表了IPv6规范等一批技

术文档。

二、IPv4和IPv6的特点比较

20世纪的互联网协议随着移动互联网、语音/数据的集成以及嵌入式互连设备的

快速发展，以互联网为核心的未来通信and的用法 模式正在形成。到目前为止，互联网取

得了巨大的成功，而这很大程度上归功于其核心通信协议IPv4的高度可伸缩性。

IPv4的设计思想成功地造就了目前的国际互联网，并容纳了过去十年中网络规

模的几何级数增长，其核心价值体现在简单、灵活和开放性等方面。

但是，新应用的不断涌现使互联网呈现出新的特征，传统的互联网协议版本，

即IPv4,已经难以支持互联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服

务质量保证。IPv4的不足体现在以下方面：

(1)有限的地址空间IPv4协议中每一个网络接口由长度为32位IP地址标识，

这决定了IPv4的地址空间为232,大约理论上可以容纳43亿个主机，这一地址

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空间难以满足未来移动设备和消费类电子设备对IP地址的巨大需求量。加之存

在地址分配的大量浪费，有预测表明，以目前Internet发展速度计算，所有IPv4

地址将在2005～2010年间分配完。

在二十世纪九十年代的研究人员已经意识到了IP地址空间以及分配存在的问

题，并开发了一些新技术来改善地址分配和减缓IP地址的需求量，比如CIDR

和NAT。这些技术一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但为基于IP的网

络增加了复杂性，并且破坏了一些IP协议的核心特性，比如端到端原则，因此

不能从根本上解决IPv4面对的困难。

(2)路由选择效率不高IPv4的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次

型的路由结构。子网和CIDR的引入提高了路由层次结构的灵活性。但由于历

史的原因，IPv4地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数IP地址空间

的拓扑结构只有两层或者三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。庞

大的路由表增加了路由查找和存储的开销，成为目前影响提高互联网效率的一

个瓶颈。同时，IPv4数据包的报头长度不固定，因此难以利用硬件对提取、分

析路由信息，这对进一步提高路由器的数据吞吐率也是不利的。

(3)缺乏服务质量保证IPv4遵循BestEffort原则，这一方面是一个优点，因为

它使IPv4简单高效；另一方面它对互联网上涌现的新的业务类型缺乏有效的支

持，比如实时和多媒体应用，这些应用要求提供一定的服务质量保证，比如带

宽、延迟和抖动。研究人员提出了新的协议在IPv4网络中支持以上应用，如执

行资源预留的RSVP协议和支持实时传输的RTP/RTCP协议。这些协议同样提

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高了规划、构造IP网络的成本和复杂性。

IPv6是Internet协议的一个新版本，其设计思想是对IPv4加以改进，而不是对

其进行革命性的改造。在IPv4中运行良好的功能在IPv6中都给予保留，而在

IPv4中不能工作或很少使用的功能则被去掉或作为选项。为适应实际应用的要

求，在IPv6中增加了一些必要的新功能。IPv6的主要特点如下：

(1)经过扩展的地址和路由选择功能。IP地址长度由32位增加到128位，可支

持数量大得多的可寻址节点、更多级的地址层次和较为简单的地址自动配置。

改进了多目(multicast)路由选择的规模可调性，因为在多目地址中增加了一个

“Scope”字段。

(2)定义了任一成员(anycast)地址，用来标识一组接口，在不会引起混淆的情

况下将简称“任一地址”，发往这种地址的分组将只发给由该地址所标识的一组

接口中的一个成员。

(3)简化的首部格式。IPv4首部的某些字段被取消或改为选项，以减少报文分组

处理过程中常用情况的处理费用，并使得IPv6首部的带宽开销尽可能低，尽管

地址长度增加了。虽然IPv6地址长度是IPv4地址的四倍，IPv6首部的长度只

有IPv4首部的两倍。

(4)支持扩展首部和选项。IPv6的选项放在单独的首部中，位于报文分组中IPv6

首部和传送层首部之间。因为大多数IPv6选项首部不会被报文分组投递路径上

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的任何路由器检查和处理，直至其到达最终目的地，这种组织方式有利于改进

路由器在处理包含选项的报文分组时的性能。IPv6的另一改进，是其选项与IPv4

不同，可具有任意长度，不限于40字节。

(5)支持验证和隐私权。IPv6定义了一种扩展，可支持权限验证和数据完整性。

这一扩展是IPv6的基本内容，要求所有的实现必须支持这一扩展。IPv6还定义

了一种扩展，借助于加密支持保密性要求。

(6)支持自动配置。IPv6支持多种形式的自动配置，从孤立网络节点地址的“即

插即用”自动配置，到DHCP提供的全功能的设施。

(7)服务质量能力。IPv6增加了一种新的能力，如果某些报文分组属于特定的工

作流，发送者要求对其给予特殊处理，则可对这些报文分组加标号，例如非缺

省服务质量通信业务或“实时”服务。

总之，IPv6高效的互联网引擎引人注目的是，IPv6增加了许多新的特性，其中

包括：服务质量保证、自动配置、支持移动性、多点寻址（Multicast）、安全性。

基于以上改进和新的特征，IPv6为互联网换上一个简捷、高效的引擎，不仅可

以解决IPv4目前的地址短缺难题，而且可以使国际互联网摆脱日益复杂、难以

管理和控制的局面，变得更加稳定、可靠、高效和安全。

三、IPv6数据报格式

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IPv6数据报的首部虽然比IPv4首部长，但却大大地简化了。IPv4首部中的一

些功能被放在扩展首部中或取消了。

(1)版本(Version)。Internet协议版本号，IPng版本产假请假条怎么写 号为6。(4位字段)

(2)流标号(FlowLabel)。如果一台主机要求网络中的路由器对某些报文进行特

殊处理，如非缺省服务质量通信业务或实时服务，则可用这一字段对相关的报

文分组加标号。(28位字段)

(3)负荷长度(PayloadLength)。IPv6首部之后，报文分组其余部分的长度，以

字节为单位。为了允许大于64K字节的负荷，如本字段的值为0，则实际的报

文分组长度将存放在逐个路段(Hop-by-Hop)选项中。(16位无符号整数)

(4)下一首部(NextHeader)。标识紧接在IPv6首部之后的下一首部的类型。下

一首部字段使用与IPv4协议相同的值。(8位选择字段)

(5)路径段限制(HopLimit)。转发报文分组的每个节点将路径段限制字节值减

一，如果该字段的值减小为零，则将此报文分组丢弃。(8位无符号整数)

(6)源地址。报文分组起始发送者的地址。(128位字段)

(7)目的地址。报文分组预期接收者的地址(如果有一个可选的路由选择首部，

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有可能不是最终接收者)。(128位字段)

在IPv6中，Internet层选项信息存放在单独的首部中，位于报文分组的IPv6首

部和传送层首部之间。现已定义了几个这种扩展首部，各由一个下一首部值来

标识，包括逐个路段路由选择、分片、验证、隐私权和端到端(End-to-End)等选

项首部。

四、目前IPv4和IPv6共存局面

针对目内容的英语 前Internet上的各种IPv4与IPv6之间通信的情况，人们已经开发出了许

多有效的过渡机制。

1、IPv6的小岛之间通信的情况

针对这一类问题，又可以划分多种情况：

(1)手工配置多条隧道，适用于具备双协议栈的站点（sites）之间通信。所谓站

点，既可以是一台主机，也可以是一系列主机。

(2)自动隧道配置如TunnelBroker，适用于具备双协议站的主机之间通信。

(3)6to4机制，适用于站点之间通信，为了实现这个机制，每个站点内部的主机

可以仅仅配置IPv6协议栈，但是每个站点必须至少有一台"6to4"的路由器作为

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出入口，支持全球统一的6to4TLA（TopLevelAggregation）前缀格式，并实

施特殊的封装和转发机制。

(4)6over4机制，适用于具备双协议栈的主机之间通信。它利用IPv4的multicast

机制来创建虚拟链路而不是显式的隧道。

2、IPv6小岛与IPv4海洋之间通信的情况

这一类问题下同样有多种情况，目前的过渡机制都是通过以下途径实现的：应

用级转发；网络层翻译；为IPv6节点暂时分配IPv4地址。

(1)双协议栈有限双协议栈，适用于具备双协议栈的站点的通信。

(2)Socks64（Socket6to4）机制，适用于IPv6的站点和IPv4站点的通信。它

实际上是一种网关的转发机制，实施socks64的网关为IPv6的节点提供分组的

转发和翻译。

(3)SIIT（StatelessIP/ICMPTranslator）机制，适用于IPv6的站点和IPv4站点

的通信。它实际上在IPv4和IPv6的分组报头之间进行翻译，使用IPv4映射的

IPv6地址进行通信。

(4)NAT-PT（NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation）机制，适用

于IPv6only站点和IPv4only站点之间的通信。它进行IPv6和IPv4地址之间

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的翻译。

(5)BIS（Bump-in-the-Stack）机制，适用于具备双协议栈的主机与IPv4的世界

通信。它在IPv4的协议栈中插入三个模块：域名解析器、地址映射器和翻译器。

3、过渡过程的产生背景

IP协议是互联网体系结构的核心，它必须具备相对的稳定性。IPv6作为Internet

Protocol的新版本，其根本目的是继承和取代IPv4。因此，人们在规划IPv6的

时候，就把眼光投向了包括地址在内的上述重要需求，希望能够解决这些目前

已经出现和将来可能出现的问题。从IPv4到IPv6的改变将不可避免的带来

Internet上新的革命，无论是硬件还是软件都将有全新的发展。但是，原有的IPv4

协议已经成功的实施了将近二十年，在Internet上，甚至有许多通信协议标准

比Internet还要早，Internet协议和标准化是有一个简单的原则的。

只要可以应用现有的协议标准，就使用它们；只有当现有的标准不够时才制定

新的协议，而且只要能够得到这些新的标准，而它们又能够提供等价的功能，

就使用这些新的标准。

所以IPv6协议的意图并不是排斥和避免已有的标准。它的产生只是因为传统的

IPv4不能满足需要。在IPv6完全取代IPv4之前，不可避免的，这两种协议要

有一个可能是相当长的共存时期，IPv6可能需要在研究所和学术机构中进行足

够的试验，才能象IPv4一样成功的投入商业运营。因此，从IPv4到IPv6要有

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一个过渡时期。

IPv6在IPv4的基础上进行改进，它的一个重要的设计目标是与IPv4兼容。制

订IPv6时，IETF致力于产生一种开放的标准，因此他们邀请了许多团体来参

加标准的制订过程，研究人员、计算机制造商、程序设计人员、管理人员、用

户、电话公司以及有线电视产业都对下一代IP提出了他们的要求和建议。但是

作为一种新的协议，从诞生于实验室和研究所到实际应用于Internet是有很大

距离的。不可能要求立即将所有节点都演进到新的协议版本，所以在一定的时

间内，IPv6将和IPv4共同存在共同运行。如果没有一个过渡方案，再先进的协

议也没有实用意义，因此从IPv4网络向IPv6网络过渡的问题从一开始就列入

了开发者的日程表。

在相当时间内，IPv6节点之间的通信还要依赖于原有IPv4网络的设施，而且

IPv6节点也必不可少的要与IPv4节点通信，我们希望这种通信能够高效的完成，

对用户隐藏下层细节。同时，IPv4已经应用了十多年，基于IPv4的应用程序和

设施已经相当成熟而完备，我们希望以最小的代价来实现这些程序在IPv6环境

下的应用。所有这些都提出了从IPv4网络向IPv6网络高效无缝互连的问题。对

于过渡问题和高效无缝互连问题的研究已经取得了许多成果，形成了一系列的

技术和标准。

五、目前国际IPv6网络的互联

一个纯IPv6网络的实现与原来IPv4网络并没有差别，在路由协议和域名解析

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上也不需要特定的机制来支持，仅仅需要对原来的协议和应用程序进行修改就

可以了。但是对于一台主机或者一个网络在不同协议之间的通信来说，情况就

发生了变化。由于报文在传输中要经过两种运行在不同协议下的网络环境，报

文的翻译是一个问题，同时由于两种协议表示地址的方法不同，如何在协议地

址之间标示信源和信宿也是必须处理的。

在IPv6的网络流行于全球之前，总是有一些网络首先具有IPv6的协议栈。这

时，这些网络就像IPv4海洋中的小岛。过渡的问题可以分成两大类：

第一类就是解决这些IPv6的小岛之间互相通信的问题，

第二类就是解决IPv6的小岛与IPv4的海洋之间通信的问题。

解决过渡问题的两种最基本的技术：双协议栈（DualStack）和隧道（Tunnel）。

我们所讨论的过渡机制（TransitionMechanism）都是在这两种技术的基础之上

针对特定的问题的解决方案。但是目前还没有一种机制能够一劳永逸的解决这

个问题，每一种具体的机制都是针对具体的情况的。

双协议栈

在实践当中，最典型的是IETF提出的叫"双协议栈"的方案。需要提前说明的是，

双协议栈技术并不具备创建隧道的能力；但是，后面提到的创建隧道的能力则

必须要求有双协议栈技术的支持。

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双协议栈方案的工作方式如下：

(1)如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址，则使用IPv4协议。

(2)如果应用程序使用的目的地址是IPv6中的IPv4兼容地址，则同样使用IPv4

协议，所不同的是，此时IPv6就封装（encapsulated）在IPv4当中。

(3)如果应用程序使用的目的地址是一个非IPv4兼容的IPv6地址，那么此时将

使用IPv6协议，而且很可能此时要采用隧道等机制来进行路由、传送。

(4)如果应用程序使用域名来作为目标地址，那么此时先要从DNS服务器那里

得到相应的IPv4/IPv6地址，然后根据地址的情况进行相应的处理。

对目前的环境来说，要实现纯粹IPv6的路由是很困难的，因此，人们一般采用

IPv6overIPv4的点对点隧道技术。将IPv6分组打包，放入IPv4分组的数据区，

加上IPv4的报头，在IPv4互联网世界中进行路由，到达目的地后再把数据区

中的IPv6分组取出来作相应的处理，该继续小平头发型图片男 路由的路由，该收发的收发。这样，

就可以实现"双协议栈"的过渡方案。最后，对于实现IPv6协议栈，尽管在细

节上，IPv6和IPv4有很大的不同，但是从原理和它们在网络体系结构中的位置

来看，是相当的一致的。这些一致使得开发人员只需要很小的付出就可以实现

从IPv4到IPv6协议栈的转换。

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隧道技术，就是将具有自身协议的复杂网络作为一般的硬件传输系统对待。前

文已经提到，在IPv6的网络流行于全球之前，总是有一些网络首先具有IPv6

的协议栈，这些网络就像IPv4海洋中的小岛，隧道就是通过"海底"连接这些小

岛的通道，因此而得其名。由于隧道上的链路是逻辑的，或称为虚拟的，因此，

这些"小岛"所互连而成的网络就被看作是一个虚拟网络。在IPv6Native

Network之间需要通信或IPv6节点需要与IPv4的节点通信时，IPv4协议就被

当作IPv6数据传输的一个隧道。通过隧道，IPv6分组被作为无结构无意义的数

据，封装在IPv4数据报中，被IPv4网络传输。由于IPv4网络把IPv6数据当作

无结构无意义数据传输，因此不提供帧自标示能力，所以只有在IPv4连接双方

都同意时才能交换IPv6分组，否则收方会将IPv6分组当成IPv4分组而造成混

乱。网络从IPv4向IPv6演进的过程就是这些"小岛"渐渐扩大而成为"大陆"的

过程。

六、IPv6网络在中国的发展

随着IPv4地址空间耗尽的迫近，人们加紧了对下一代互联网协议即IPv6的研

究；到2001年年初，IPv6协议的基本框架已经逐步成熟，在越来越广泛的范围

内得到实践。由于IPv6和IPv4在协议头格式上不兼容，IETF成立了专门的工

作组--ngtrans研究从现有的IPv4网络向IPv6网络的过渡策略和必要的技术。

作为向下一代互联网络协议过渡的重要步骤，国际的IPv6试验网--6bone在1996

年成立了。现在，6bone已经扩展到全球50多个国家和地区，成为IPv6研究者、

开发者和实践者的主要平台。

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中国教育和科研计算机网CERNET是中国开展下一代互联网研究的试验网络，

它以现有的网络设施和技术力量为依托，建立了全国规模的IPV6试验床。1998

年CERNET正式参加下一代IP协议（IPv6）试验网6BONE，同年11月成为

其骨干网成员。CERNET在全国第一个实现了与国际下一代高速网

INTERNET2的互联，目前国内仅有CERNET的用户可以顺利地直接访问

INTERNET2。为致力于面向21世纪网络技术的个人和团体提供全真的网络平

台，用于研究同下一代互联网有关的网络技术，特别是安全、服务质量和移动

计算；开发新型的网络应用，这些应用在传统的互联网上是几乎不可能或不易

实现的；示范上述技术和应用，以及从传统的互联网向下一代网络过渡的方法。

总体拓扑试验床分成相对独立而又互连互通的两个部分：正式使用部分和生实

验部分。

试验床从6bone获得p-TLA(pudo-TopLevelAggregation,伪顶级聚类)

3FFE:3200::/24的地址空间；并且建立了5条以tunnel为基础的国际IPv6虚拟

链路，直接通达美国、英国和德国的IPv6网络，间接地与几乎所有现有的6bone

成员互连。试验床按地区分配NLA1ID(NextLevelAggregation,level1

Identifier，次级聚类)。目前，试验床正式使用部分已经发展了2个地区级的试

验网络；学生试验部分已经建立了4个地区IPv6网络。

正式使用部分：

cernet华东（北）地区eastn-cn3ffe:3206::/321999年6月成立

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cernet东北地区northe-cn3ffe:3208::/321999年6月成立

学生实验部分：

华北地区学生ipv6实验no-expr3ffe:3211::/32(清华)1999年3月成立

西北地区学生ipv6实验nw-expr3ffe:3212::/32(西电)1998年12月成立

华中地区学生ipv6实验ce-expr3ffe:3215::/32(国防科大)1999年5月成

立

华东地区学生ipv6实验en-expr3ffe:3216::/32(科大)1999年6月成立

中国应该是全球最关心IPv6发展的国家之一，最主要的原因恐怕就是中国互联

网对IP地址的渴求了。据统计，我国目前网民的数量已经激增到2650万，而

总共申请到的IP地址却只有约900万个。与此形成鲜明对比的是，仅仅是美国

斯坦福大学，所能使用的地址数量就已经达到了2650万个；IBM公司则达到

3300万。因此IP地址的短缺对于中国来说，显得尤其紧迫和尖锐。同样由于历

史的原因，在技术研究、标准制订、产品开发等诸多方面中国也远远落后于美

国。而IPv6为中国的互联网事业提供了一个缩小差距的良机。

IPv6的地址长度和分配方案以一个世界性的网络为出发点，中国将会分配到足

够的IPv6地址。IPv4地址缺乏、庞大的人口基数和互联网的迅速扩张使中国更

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容易首先接受IPv6，这将转化为一种优势，IPv6将首先在中国广泛应用，从而

推动IPv6研究、产品开发和应用的全面进步，使中国在下一代国际互联网的竞

争中处于有利位置。

一旦IPv6在中国普及推广开来，首先，人们不用再为缺少地址而费尽心机地想

出各种替代方法，以牺牲很多IP协议所提供的优良功能为代价了。那时，每人

都将拥有一个或多个IP地址，配备上相应的计算机设备，无论你在天涯海角，

都可以做到随时在线，连接全球。其次，IPv6与移动通信的结合将为目前的互

联网开拓一个全新的领域——移动互联网。通过移动互联网，使我们能够在移

动中购买商品和服务，我们的移动设备将成为无线钱包，使我们能够随时随地

以在线方式选购商品或服务，并为之付款。我们能够使用移动设备查询飞机的

航班，风景点的简要情况，以便做出最后的安排；我们还能够利用同一设备查

找地图以及要参观的地方；我们还能够找到距离我们最近的餐馆；如果是平时，

我们驾车外出，安装在我们汽车里的无线设施将提供实时定位技术，同时也起

到导航和安全保护的作用。

此外，在不远的未来，中国的家电厂商们将开发出新一代的信息家电，即我们

除了计算机之外，还可给商场保安 电视机、冰箱、微波炉、空调、洗衣机等家用电器分

配固定地址，以利于它们与Internet的连接。在信息家电与Internet连接后，外

出的人就可操作家中的空调、冰箱等，比如，可以通过网络下载做菜方式，自

动设定温度和作业时间，减少做菜的手续。

最后，实行IPv6协议可以从根本上优化路由器传输效率，使得目前的各种宽带

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传输技术迈上一个新的台阶。到那时，困扰中国网民很久的网络速度问题，将

得到彻底解决，人们就可以舒舒服服呆在家里，享受超高速网络所带来的欢乐。

信息家电连上光纤后，更可直接以交互方式收看电影、听音乐和广播。股民即

使在家中，也能通过光纤网络和证券公司等金融机构的业务员在电视上交谈，

同时进行交易。