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硕士学位论文 摘要 多播技术和多协议标签交换技术是如今两种非常重要的网络技术。其中，多 播技术能够通过特定的路由机制对数据包进行复制转发，在具有多目的主机的数 据传输网络环境中有效的减少对于网络带宽资源的消耗，提高整个传输过程的效 率；多协议标签交换技术能够提供基于标签的快速交换和优于i p 网络中的服务质 量，还能够结合资源预留协议实现流量控制等功能。 这两种技术各自具有的优点，即多播技术节省带宽资源和多协议标签交换技 术实现快速交换和优化的服务质量，促使它们成为了下一代互联网环境中不可缺 失的两种主流技术，也引发了网络界关于将这两种技术相结合来提供快速多播服 务模型的相关研究。 本文中首先通过介绍传统包交换网络中的i p v 6 技术和多播传输技术，简明的 分析和评价了这两种技术的特点和实现原理，其次着重研究了多协议标签交换技 术的特点和各种实现方案( 包括实现q o s 和t e 功能，与i p v 4 、i p v 6 和d i f f s e r v 等的结合) ，并分析了m p l s 存在的一些缺陷和局限性，接下来以i p 多播技术和 m p l s 技术的结合方案为基本研究对象，讨论了在i p 网络中被广泛采用的最短路 径树模型和共享树模型的优缺点，提出了一种基于s t 模型实现的m p l s 多播传 输方案( 简称为m m t 模型) ，并使用网络协议模拟软件o m n e t + + 搭建了实验 环境模拟具有相同网络负载容量的s t 模型、s p t 模型和m m t 模型，根据实验的 数据计算传输若干多播组数据过程中得到的平均回程时间及与其有关的其他参 数，通过这几个参数对这三种多播模型方案的性能进行了对比，进而验证了m m t 多播方案的价值和意义。 关键词：多播传输；多协议标签交换；服务质量；资源预留协议；下一代互联网 a b s t r a c t m u l t i c a s t i n ga n dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) a r et w o o ft h em o s t i m p o r t a n tn e t w o r kt e c h n o l o g i e si nn o w a d a y si n t e r n e tw o r l d o nt h eo n eh a n d ， m u l t i c a s t i n gt e c h n o l o g yc o u l da p p l yc o p y i n ga n df o r w a r d i n gd a t ap a c k e t st om u l t i d e s t i n a t i o nn o d e sb yu s i n gs p e c i f i cr o u t i n gm e t h o d ，w h i c hc o u l di nt u r ne f f e c t i v e l y r e d u c et h eb a n d w i d t hr e q u i r e dc o m p a r i n gt od e l i v e ra l lt h o s ep a c k e t sb yu n i c a s t i n g s c h e m e ；o nt h eo t h e rh a n d ，m p l st e c h n o l o g yc o u l dn o to n l yb r i n gm u c hf a s t e rd a t a f o r w a r d i n gs e r v i c e sb yu s i n gl a b e l s ，b u ta l s oi n t e g r a t ew i t hr e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o e 0 1 ( r s v p ) t og i v eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a n d e v e nt r a f f i ce n g i n e e r i n g ( t e ) b a s e do nt h e i ro w na d v a n t a g e st h a tm u l t i c a s t i n gs a v e sb a n d w i d t ha n dm p l s g i v e sb e t t e rq o sa n df a s t e rt r a n s m i t t i n gs e r v i c e s ，t h e s et w ot e c h n o l o g i e sh a v eb e e n b o t hw i d e l yc o n s i d e r e da si n d i s p e n s a b l es e g m e n t sf o r t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k a r c h i t e c t u r e t h i sh a sa l s ob r o u g h ti n t e r e s ti n t ot h ed i s c u s s i o n sa n dr e l a t e dr e s e a r c h a b o u tm e r g i n gt h e mt o g e t h e rt og e tan e wm o d e lf o rm u l t i c a s t i n gs e r v i c e s i nt h i st h e s i s ，t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fi p v 6a n dm u l t i c a s t i n gw a s d i s c u s s e di nt h ef i r s tp l a c ea st w om a j o rt e c h n o l o g i e si nt r a d i t i o n a lp a c k e ts w i t c h i n g n e t w d r k s a n dt h es a m ew i t hm p l st e c h n o l o g y , i nw h i c hc o n t a i n e dq o sa n dt e s t r a t e g y , i n t e g r a t i o nw i t hi p v 4 ，i p v 6a n dd i f f s e r vt e c h n o l o g i e s o nt h eo t h e rh a n d ， t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ea l s oa d d r e s s e d a f t e rt h a t ，i tw a sr e s e a r c h e d a st h em a i nf o c u st h a tt h es t r a t e g yo fi n t e g r a t i n gi pm u l t i c a s t i n ga n dm p l s t e c h n o l o g y p r o sa n dc o n sa b o u tt h em o s t l yu s e dm u l t i c a s t i n gm o d e l s h o r t e s tp a t h t r e em o d e la n ds h a r e dt r e em o d e lw e r ef i r s td i s c u s s e d ，t h e na nm p l s b a s e d m u l t i c a s t i n gt r e e ( m m t ) m o d e lw a sp r o p o s e d s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sa b o u t t h e s e t h r e em o d e l sw e r ed o n ei no m n e t + + ，o n eo ft h em o s tp o p u l a rn e t w o r k i n gs i m u l a t i n g s o f t w a r ei nt h ea c a d e m i cr e s e a r c hw o r l d t h ev a l u eo fr o u n dt r i pt i m ea n do t h e r r e l a t e dp a r a m e t e r sw e r ec o l l e c t e di nt h e s ee x p e r i m e n t sw i t hf u r t h e ra n a l y s i s ， a c c o r d i n gt ow h i c ht h ef i n a lc o n c l u s i o na n de v a l u a t i o no nm m t m o d e lw a sm a d e k e yw o r d s ：m u l t i c a s t i n g ；m p l s ；q o s ；r s v p ；n g n ； i v 硕士学位论文 插图索引 2 1i p v 4 报文头部结构9 2 2i p v 6 报文头部结构9 2 3i c m p v 6 报文格式1 0 2 4i p v 4 中与“邻居相关的”协议栈1 1 2 5i p v 6 中的n d p 协议栈1 l 2 6i p v 6 多播链路中接收者一路由器交互操作流程图1 4 2 7d s c p 与i p v 6 报头业务流字段的关系1 7 3 1m p l s 头部结构1 9 3 2m p l s 网络基本结构拓扑2 0 3 3m p l s 中的区别服务模型2 3 3 4m p l s 域中部署流量工程一：2 6 3 5m p l s 。t e 网络中的数据包处理过程2 7 3 6d s t e 中使用的两种带宽约束模型2 9 3 7 语音和数据业务的d s t e 部署方案3 0 4 1s p t 模型拓扑3 5 4 2s t 模型拓扑3 5 4 3s s m 服务模型拓扑3 6 4 4a s m 服务模型拓扑3 7 4 5 传统m m t 模型拓扑3 9 4 6 新m m t 模型工作流程图4 0 4 7 新m m t 模型传输方案中的数据封装4 l 4 8 基于s t 的m m t 模型拓扑k 4 2 4 9 新m m t 模型在i p v 6 多播网络中的部署一4 3 5 1o m n e t + + 软件操作界面4 8 5 2s p t 模型实验拓扑图5 1 5 3s t 模型实验拓扑图5 3 5 4r s v p l s r 的模块化结构图5 4 5 5o m n e t + + 中扩展前后的r s v p l s r 模块结构对比图5 5 5 6m m t 模型实验拓扑图5 7 b 1 “鱼型问题解决前示意图6 7 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 附表索引 表2 1 常用i p v 6 扩展报头6 表2 2i p v 6 地址类型表7 表2 3 固定范围的i p v 6 多播地址分配表1 3 表2 4i p v 6 多播中常用的路由协议16 表2 5d s c p 与逐跳行为对应关系表1 7 表3 1m p l s 网络中的路由器功能2 l 表3 2q o s 中常用l s p 功能属性2 4 表4 1 不同网络功能层中使用的q o s 模型3 2 表4 2 网络层中实现q o s 模型的平衡机制3 3 表5 1 三种主流网络协议模拟软件的对比4 6 表5 2 实验多播节点的预定所属多播组4 9 表5 3s p t 模型仿真实验数据统计表5 2 表5 4s t 模型仿真实验数据统计表5 3 表5 5r s v p l s r 标签分配信息表5 6 表5 6m m t 模型仿真实验数据统计表5 7 v i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：黑佳磊日期：h f 。年6 , e l7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰 州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 瓤毳 粕彳 日期：k o 年 日期：沁c 口年 占月7 日 易月7 f t 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着互联网的发展和各种具有高带宽需求的新型网络应用的出现和普及，人 们对于网络传输速度和带宽的需求也开始逐渐上升，i p 多播传输技术n 川开始成 为当今互联网中不可缺少的一项重要技术。无论是视频会议、网络游戏，还是未 来即将出现的各种新型的网络应用，无不需要借助于多播传输技术来节省对网络 带宽和资源的消耗。多播技术是一种在传统网络中提供数据复制和分发的传输技 术，能够有效的节省传输需要的带宽资源，它在i p 技术产生后不久就出现了，但 是一直到近些年才开始得到重视。 互联网中的传输带宽总量是有限的，想要彻底有效的改善网络的传输速度和 质量，最根本的解决办法就是提升网络底层设备的总体性能。然而，想要在短 期内通过大范围的硬件升级更新来实现互联网的扩容是不实际的，相比之下优化 部署和高效利用现有的网络资源，实现互联网功能的最大化发挥，才是在现阶段 更加有效的一种办法。因此，除了采用多播传输技术节省带宽之外，我们还需要 在现有网络结构的基础上实现对网络带宽资源的重新分配和优化利用，这也是多 协议标签交换技术出现和发展的根本原因。 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，多协议标签交换) 技术口q 1 最初 是由一些网络工程师针对包交换传输机制的速度缓慢问题而提出的一种新的数据 交换方式，后来由i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网工程任务小 组) 在2 0 世纪末进行了标准化而被得到承认和重视。m p l s 技术不但能够为传统 的数据包提供快速转发业务，还可以提供更优的q o s 钉( q u a l i t yo fs e r v i c e ， 服务质量) 甚至t e 。1 1 1 ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，流量工程) ，使得这项技术在 产生后不久便引发了网络界的一场技术革命。 世界上众多知名网络设备生产商( 如h u a w e i 3 c o m 、l u c e n t 、j u n i p e r 和 c i s c o 等) 如今都在积极开展支持m p l s 功能的新型交换产品的研发工作并已经 推出了不少相关设备：许多网络运营商也开始加紧部署基于m p l s 技术实现的 高速交换核心并对自己提供的传统业务进行移植；还有更多的互联网研究机构也 对m p l s 技术进行了深入的研究并提出了多种应用部署方案n 2 q 们，这其中最为 著名的就是能够为i p v 4 v 6 共存环境提供m p l s 部署方案的6 p e 架构心。 m p l s 技术之所以能够受到重视的主要原因在于它提供了区别于传统包交换 的一种全新的传输理念，将固定长度的简短标签作为了网络中数据标识和转发的 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 参考对象，摒弃了对冗长i p 报头的拆分与读取操作，更加适合于在大型网络中 实现快速高效的数据交换。而且，m p l s 技术经过扩展之后还能够实现数据传输 中的q o s 和流量工程。但是，标准化的m p l s 技术中并没有给出实现多播传输 的方案，这就从某种程度上限制了m p l s 技术的功能实现，特别是在未来网络 环境中以多播业务为主主导的形势下，将多播技术和m p l s 技术相融合提供新 型的多播业务是十分有必要的。 考虑到多播传输技术和m p l s 技术各自具有的优势和它们在下一代互联网 环境中将要扮演的关键角色，将这两者进行融合来提供一种基于m p l s 技术实 现的多播传输方案就成为了如今网络界研究的热点问题之一。不少网络界的研究 机构都在对这种新型的融合方案进行研究，而且也已经有不少的融合方案在近几 年内被陆续提出。 1 2 课题主要研究内容 本课题研究的前期阶段，首先通过阅读相关的文献研究了近年来已经提出的 若干基于m p l s 技术实现的多播方案，并将它们进行了分类。这几类方案的主 要特点分别是： 采用集中控制的方式一一具体方案可以见文献 2 2 。这种方式的主要特点 是在m p l s 域中定义一组集中式的管理架构( 可能是硬件实现，也可能是软件 实现) 。这种架构的优势在于能够为m p l s 域中多播组的建立和维护提供统一 化的服务，并且对多播路由和资源预留进行集中管理。这种方案的优点就是路由 维护操作的收敛速度快，能够对网络结构的变化快速的做出反应，但是这种类型 的方案增加了网络结构的复杂度： 使用单播传输隧道封装多播数据包这种类型的方案主要被用于6 p e 架 构中，因为这种架构中的网络核心区域部署i p v 4 ，而边缘区域部署i p v 6 ，这样 两种体系共存的情况下部署m p l s 时，只能将i p v 6 数据包通过t u n n e l m a n a g e r 进行封装，再放入i p v 4 网络中进行传输。使用这种方式处理多播数据包和单播 数据包没有太大的区别。这种类型的方案由于使用单播传输技术转发多播包，会 耗费更多的系统带宽资源； 将网络进行分层部署的方式一一这种分层部署的方式又被称为o v e r l a y 模 型。具体的方案见文献 2 3 。这种模型将整个网络区域划分为核心区域和接入 区域。其中，核心区域部署成为m p l s 多播区域，接入区域为i p 网络区域。这 种方式在m p l s 单播和多播传输中均可以使用，多数现在的m p l s 单播服务中 都采用的这种方式； 结合已有的多播模型进行改进这种方式中可以结合的已有多播模型有 s p t ( s h o r t e s tp a t ht r e e ，最短路径树) 模型和s t ( s h a r e dt r e e ，共享树) 模 2 硕士学位论文 型，现主要被采用的是s p t 模型，关于它的具体方案描述见文献 2 4 - 2 6 。将 m p l s 部署在s p t 模型建立起来的多播网络拓扑中，集成两种技术的优势。但 是这种方案有一个致命的缺点，那就是多播路径的选择是按照s p f 算法进行 的，这样计算出来的路径容易引发数据包的拥塞，无法实现链路上的负载均衡， 即出现俗称的“鱼型问题 ( 详见附录b ) 。 本课题在比较和分析了上述的各种m p l s 多播模型方案之后，给出了一种 全新的m p l s 多播模型，即基于共享树模型的m m t ( m p l sm u l t i c a s tt r e e ， m p l s 多播树) 模型。这种m p l s 多播模型能够利用r p ( r e z e v w a rp o i n t ，集 结点，在s t 模型中定义) 路由器为多播节点提供接入m p l s 多播服务的能力。 此外，由于s t 模型是一种分散式部署模型，因此具有自愈性好、组网灵活等特 点，尤其是这种模型能够更加方便的实现负载的均衡，加上m p l s 技术本身在 q o s 和流量控制上存在的优势，这种方案能够提供更加灵活的多播组网技术和 功能更加强大的多播服务。 此外，文章中还讨论并分析了传统的i p 传输网络中存在的传输技术问题， 介绍了m p l s 的技术原理和几种结合传统i p 网络实现单播传输的应用方案，包 括它实现数据传输中q o s 的技术手段。最后，还通过使用网络协议模拟软件对 s p t 模型、s t 模型和文中提出的m m t 多播模型进行了仿真模拟实现，通过几 组传输实验测量的数据对这几种多播方案的性能进行了比较。 1 3 文章的体系结构安排 本文结构上共分六章，各章的主要内容安排介绍如下： 第一章中介绍了课题研究的背景及意义，阐述了国内外的研究现状，并就课 题的主要研究工作进行了说明； 第二章对i p 传输技术进行了系统性的回顾，着重讨论了i p v 6 乜7 2 们中的路由 编址方法、单播传输、多播传输及q o s 的实现方法： 第三章介绍了m p l s 技术的基本原理和在传统i p 网络中的实现，给出了基 于m p l s 技术的流量控制工程和扩展的q o s 功能： 第四章中分析了两种传统的多播方案s p t 和s t ，并在此基础上提出了结合 m p l s 技术和i p v 6 多播技术实现的新多播方案一一m m t 的实现原理和技术特 点； 第五章中通过借助于网络仿真平台o m n e t + + 们对s p t 模型、s t 模型和提 出的m m t 模型进行了仿真模拟和测试，比较了几种多播方案的性能优劣； 最后一章对整个文章的内容进行了系统性的总结，并对未来的工作中亟待解 决的问题和主要的研究方向进行了展望。 3 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 第2 章回顾ip 传输网络 i p v 4 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n 4 ，因特网协议第4 版) 是当今使用最为广 泛的网络层传输协议之一，主要用于为网络中的节点提供逻辑地址。但是由于 i p v 4 出现的时间较早，当时对网络地址的划分没有经验，加上已分配地址的使 用存在严重浪费，i p v 4 地址空间如今正在面临空前的紧张状况，甚至接近于消 耗殆尽。 为了减缓i p v 4 地址空间的速度枯竭，i e t f ( 互联网工程任务小组) 在2 0 世纪9 0 年代初期提出了多种过渡技术，主要有：n a t ( n e t w o r ka d d r e s s e s t r a n s l a t i o n ，网络地址转换) 技术口卜3 、i p 地址子网划分技术和私有地址技术 等。这些过渡技术都对减慢i p v 4 地址的枯竭起到了一定的作用，但是它们同时 也破坏了互联网中节点之间的端到端连接特性，使网络体系变得更加复杂。随着 近年来多播技术的商业化应用得到普及，这些过渡技术本身也开始面临新的挑 战i p v 4 地址再度出现紧缺。于是，i e t f 又在2 0 世纪末提出了下一代网络 层协议i p v 6 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n 6 ) ，作为彻底解决i p v 4 地址空间的枯 竭问题和恢复互联网的端到端连接特性的新型网络层协议。i p v 6 的出现也同时 宣布了各种过渡机制将被淘汰的事实。 i p v 6 一出现便引发了国际网络晃的强烈关注。不少组织都开始在其内部的 网络环境中部署i p v 6 并对它进行测试和研究，我国也在本世纪初组建了世界上 最大的纯i p v 6 区域性网络c e r n e t 2 ( c h i n e s ee d u c a t i o na n dr e s e a r c h n e t w o r kv e r s i o n 2 ，中国教育科研网第二版) 。经过这十几年人们对于它的研究 和测试结果表明，i p v 6 的确在性能上和可控性上明显优于i p v 4 ，但是该技术也 存在着一些不足之处需要进一步改进。 2 1lp v 6 简介 i p v 6 不但能够解决互联网面临的地址危机问题，还为网络层协议体系带来 了对于多播、q o s 技术和安全性等方面的更好支持( 对于i p v 6 安全性支持的讨 论不在本课题中涉及) 。 2 1 1 ip v 4 的局限性 尽管面临地址消耗殆尽的状况已经多年，i p v 4 仍然是目前应用最为广泛的 互联网协议之一。从1 9 8 1 年的最初定义至今近3 0 年的时间里，i p v 4 一直以其 协议体系简单、易于实现、互操作性好等特点而被广泛认可并采用。但是随着互 4 硕士学位论文 联网的迅猛发展和各种新型网络应用( 如点到点网络、多播传输业务和大数据量 实时传输等) 的出现，i p v 4 在设计上的不足也开始逐渐的显示出来，主要表现 在以下几点： 1 有限的地址空间一一i p v 4 使用3 2 位的地址长度，理论上能够提供大约 4 3 亿个l p 地址。但是实际上，i p v 4 所采用的地址分配策略使得它提供的可供使 用的i p 地址数量远远低于理论数值。随着移动通信技术和智能设备制造技术的 不断进步，未来的信息化家电和数码设备也必将具备网络通信功能，这就需要更 多的i p 地址。尽管出现了多种缓冲方案，但是仍然不能改变i p v 4 地址空间终将 耗竭的命运，需要更大的地址空间和更加有效的地址分配机制； 2 骨干路由器的维护的路由表表项数量过大一一由于i p v 4 发展初期的分配 和规划存在着一些问题，造成了许多i p v 4 地址块的分配存在不连续的现象，这 样就给路由的有效聚合带来了许多的困难。尽管采取了一定的i p v 4 地址回收再 分配的策略，还是无法避免核心设备的路由表条目过多的现象。日益庞大的路由 表对于设备的内存损耗十分严重，使得整个网络的设备成本和转发效率都受到很 大的影响，这也是全球各大网络设备生产商加紧步伐提高新设备的路由寻址和转 发能力的主要原因； 3 端到端的i p 连接一一正如前面提到的，为了缓解i p v 4 地址空间面临的日 益枯竭，i e t f 提出了n a t ( 网络地址转换) 技术，作为将私有地址在网络出口 转换为公有地址的一种策略。这一技术的出现的确在一定程度上缓解了企业对于 i p v 4 地址的需求程度，但是它带来的直接影响就是i p 地址无法再真正的映射一 个网络节点了，这样就破坏了网络产生初期所希望的端到端连接模型，使得很多 基于端到端的应用无法得到应用； 4 q o s 的实现一一q o s ( 服务质量) 的概念在网络产生的最初就出现了， 而且i p 网络产生的初衷也是提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务。这种服务的 简单高效性使得互联网得到了巨大的成功，但是随着多种需要耗费高带宽的新业 务的出现，特别是实时流媒体的传输业务，要求互联网在延时、抖动和带宽利用 率方面提供一定的服务质量保证。虽然在i p v 4 的框架下出现过定的解决方 案，如i n t s e r v 和d i f f s e r v 等协议，但是它们造成的直接后果就是整个网络的体 系结构变得更加复杂，规划和构造成本也急剧上升； 5 安全性i p 协议在设计之初并没有太多的关注安全性的问题，长久以 来的观念都认为安全性的实现和网络层协议没有过多关系。但是随着互联网的逐 渐发展，网络层的安全性问题开始逐渐显示出来并且得到了广泛的重视，i e t f 中专门负责安全性的i p s e e 小组通过了使用a h ( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，验证 头部) 和e s p ( e n c a p s u l a t i o ns a f e t yp a y l o a d ，封装安全载荷) 实现网络层安 全性的决定，但是在i p v 4 中对i p s e e 支持并不是很好； s 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 6 移动性移动性的支持性问题也是随着互联网的逐渐发展而显现出来 的，i p v 4 对于节点在快速移动中的通信具有的支持性不好，而且还存在三角路 由问题，虽然后者可以通过一定的传输方案进行改进，但是快速移动的问题始终 得不到解决。 以上的这些问题都是在i p v 4 的长期应用中逐渐显现出来的。正是由于它们 的存在，使得基于i p v 4 部署的整个互联网的继续发展受到了严重阻碍，也正是 出于这样的目的，新的网络层协议i p v 6 出现了。 2 1 2ip v 6 对比ip v 4 的优势 i p v 6 地址长度为1 2 8 b i t ，常用1 6 进制数分段表示，每段4 位共8 段，中间 由冒号分隔，格式为f f f f ：f f f f ：f f f f ：f f f f ：f f f f ：f f f f ：f f f f ：f f f f 。如果地 址中存在多个连续的全0 段，可以用：来代替表示，但是每一个i p v 6 地址中： 符号只能使用一次。 与i p v 4 相比，i p v 6 能够提供的网络地址是i p v 4 的2 倍，这样巨大的地址 空间足以保证在可见的若干年内为地球上的所有网络设备都分配唯一的i p 地 址。此外，i p v 6 相比i p v 4 还有其他的一些特性，主要表现在： 1 简化的报头和灵活的扩展一i p v 4 的报头中由于包含着可变长的选项字 段，因此长度不固定；i p v 6 中将许多i p v 4 中选项字段中的内容转移到了扩展报 头字段中定义( 几种常见扩展包头的功能介绍见表2 1 ) ，使得i p v 6 基本报头 具有固定长度( 4 0 字节) ，方便实现路由的硬件寻址，并且在结构上也变得更 加简单，提高了数据转发的速度。i p v 4 和i p v 6 报头的结构组成可以参照图2 1 和2 2 ： 表2 1 常用i p v 6 扩展报头 扩展报头名称 下头部字段值 主要用途备注 由除了目的地之外 当存在此扩展头部 的分组传输路径上 逐条选项头部 o 时，总是紧跟i p v 6 的所有节点进行处 理 基本头部后面 携带的信息仅用于 目的选项头部 6 0 分组目的地使用 用来强制分组经过 此种方式中定义的 某些传输路径，这 传输路径一般都与 路由选择头部 4 3 运行路由选择协议 个路径由源节点来 计算出来的路径不 定义 同 主要是由目的节点一般在中间的路由 分段头部 4 4 在接收到了数据之 器节点不建议使用 6 硕士学位论文 后使用，将源节点数据分段的功能 发送的分段数据进 行组合 用于提供分组源认 类似于i p v 4 中的 认证头部 5 l 证和数据完整性保 护 i p s e e 认证头部 用于为头部提供封类似于i p v 4 中使 封装安全载荷头部 5 0 装操作，保证安全用的i p s e c 封装安 性 全载荷头部 用于在移动节点、 通信节点和家乡代 移动性头部1 3 5 理之间的建立和管 理绑定的通信之中 由于使用了扩展报头机制，i p v 6 的功能实现才更加具有灵活性。这些常用 的扩展报头使用是可以根据传输的需要自行设定的，多个扩展报头连续的排列在 基本包头的后面，下一个扩展报头的字段值在前一个扩展报头中标明( 第一个扩 展报头的字段值在基本报头中) ，使得i p v 6 报头整体呈现菊花链排列方式。 有一点需要注意的是，多个扩展报头如果同时出现，需要在排列上遵循一定 的排序要求：基本报头一 逐条选项头部一 目的地选项头部一 路由选择头部一 分 段头部一 认证头部一 封装安全载荷头部一 移动头部。 2 即插即用的连网方式一一i p v 6 节点在地址获取上有两种方式可以选择， 一种是类似于在i p v 4 中由d h c p 服务器集中分配地址的方式，这样做的结果就 是给服务器造成的负担很重，而且容易出现单点故障。在i p v 6 中出现了另一种 分散分配地址的方法：i p v 6 节点在初始化的过程中，会接收到链路上的路由器 发出的6 4 位前缀广播，节点通过对自己的4 8 位m a c 地址进行e u i 6 4 运算得 到6 4 位的唯一后缀，与前缀相结合得到节点的自举i p v 6 地址，后者也称为无 状态自动设定方式； 3 层次化的地址结构i p v 6 中的地址长度为i p v 4 中的4 倍，这就使得 i p v 6 中能够支持对更大规模的节点数量进行层次划分。设计者把1 2 8 位长度的 i p v 6 地址空间按照一定原则进行了基于不同区域的划分，并采用了层次化的地 址结构，以利于实现数据在核心网络中的快速转发。对i p v 6 的地址分类及各类 地址的使用范围介绍可以参照表2 2 ； 表2 2i p v 6 地址类型表 地址名称网络部分前缀作用范围备注 用于在i p v 6此地址由i a n a 到 全局单播地址 2 0 0 0 ：3 i n t e r n e t 域中唯一本地服务器逐级的 的标识接口，类似 分发 7 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 于i p v 4 中的公网 地址 用于在链路范围内 由于此地址拥有不 ( 2 层域中) 由链 路本地分配的地 变的特点，常被用 链路本地单播地址 f e 8 0 ：l o 址，在重新编制的 作移动节点的家乡 过程中保持不变， 地址，或者是用来 节点初始化的时候 实现其他的一些功 能 分配此地址 在全局范围内唯一 的i p v 6 地址，通 常是由本地路由器 此地址不能在i p v 6 唯一本地单播地址 f c 0 0 ：7 i n t e r n e t 域中进行 向下分发的地址， 寻址操作 类似于i p v 4 中的 私有地址 使用此地址标识的 对此地址进行更加 数据包被分发给具 详细的划分可以区 多播地址 f f 0 0 ：8 有相同地址的多个 别多播的作用域范 接收者，这些接收 围，多播是对i p v 4 中广播的一种改进 者就是一个多播组 方案 也是用来标识一组 这个类型的地址是 i p v 6 接口，具有这 此类型的地址从单样目的地址的数据 在i p v 6 中所独有 任播地址的，但是至今还没 播地址中进行分配包总是被发送到距 离源最近的一个接 有这种地址的运营 经验 口 4 网络层的认证与加密一一i p s e c 是i p v 6 的一个重要组成部分，它的主要 功能与在i p v 4 中的基本相同，即在网络层为数据提供认证与加密操作，但是区 别在于在i p v 6 中的i p s e c 是强制实施的。认证机制使得通信数据的接收方能够 确认数据发送方身份的真实性和数据的完整性，属于验证措施；而加密机制是通 过对数据进行编码加密操作实现对数据私密性的保护，属于预防措施。i p s e c 在 i p v 6 中的实现主要依靠a h 扩展报头和e s p 扩展报头来实现： 5 q o s 的实现一一i p v 6 基本报头中包含一个8 位的流量分类字段和一个2 0 位的流标签( 这是在i p v 4 报头中所没有的) 。其中，流量分类字段和在i p v 4 中 出现的服务类型字段相同，都是为了对传输的数据包加上一定的标记并在传输的 过程中根据带宽、延时和开销等参数执行一些特殊的操作。流是以某种方式相关 的一系列数据包，i p 层必须以相关方式对待它们，如检查数据包的源地址、目 的地址和q o s 设置等。将流标签和源地址、目的地址相结合就能够唯一的识别 i p v 6 数据流，流标签还可以和d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，区别服 务) 、i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ，集成服务) 以及r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，资源预留协议) 结合使用以提供更高级的应用； 8 硕士学位论文 6 对移动性的良好支持一一移动性将成为未来网络通信发展的另一个重要 特征和趋势，这点在如今的i p v 4 中已经得到了证实。i p v 6 吸取了i p v 4 在移动 性支持方面的经验与教训，并且充分的结合了i p v 6 本身地址空间巨大，分层管 理型优秀的特点，提供了比i p v 4 中更加完善和优越的移动性服务。 版本( 4 )头部长度( 4 )服务类型( 8 )总长度( 16 ) 标识( 16 )标志( 3 ) 1分段偏移( 13 ) 存活时间( 8 ) 协议号( 8 )首都校验和( 16 ) 源i p v 4 地址( 3 2 ) 目的i p v 4 地址( 3 2 ) + 选项( 变长)填充( 变长) 静 薯 1 图2 1i p v 4 报文头部结构 版本( 4 )流量分类( 8 ) 流标签( 2 0 ) 净荷长度( 1 6 )下一个头部( 8 )l豌限制( 8 ) 潭l p v 6 地址“2 8 ) 目的i p v 6 地址( 1 2 8 ) + 下一个头部( 8 ) ，丽j 1 6 饿 i 诗嚣镕 静 载 荷 1 r 图2 2i p v 6 报文头部结构 通过i p v 6 这些特点可以看出：相比i p v 4 而言，i p v 6 的确具有很大的优越 性，但是仅仅这些还不足以构成整个i p v 6 协议体系。它如果要正常工作，还需 要两个重要协议的支持一一i c m p v 6 和n d p 。 2 1 3ic m p v 6 简介 9 l r 一种基于共享树模型建立的m p l s 多播传输模型 i c m p v 6 t3 副( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o lv e r s i o n 6 ，互联网控制 消息协议版本6 ) 是支撑i p v 6 协议体系的基础，必须被所有的i p v 6 节点完全支 持。i c m p v 6 以单播和多播的方式运行在i p v 6 网络中，用来为i p v 6 节点提供报 告错误和执行各种控制平面功能的能力。 i c m p v 6 在i p v 4 中的对应版本为i c m p v 4 ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e p r o t o c o lv e r s i o n 4 ，互联网控制消息协议版本4 ) 。相比后者，i c m p v 6 在本质 上并没有太大改变，仍是一个无状态的消息协议，应用于多种用途( 从错误报告 到诊断和网络运行) 。i c m p v 6 中使用的消息结构与i c m p v 4 中的一样，也分为 类型、代码和消息体三部分，其中有些消息类型是从i c m p v 4 中继承来的，还 有些是经过精简后重新定义的。这些扩充之后的功能，使得i c m p v 6 的用途显 得更加广泛，如在i c m p v 6 中加入了类似于i p v 4 中i g m p ( 互联网组成员协 议) 的功能，方便多播组成员之间进行状态通告；通过与n d p 协议配合实现了 i p v 4 中a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 的功能，避免了 a r p 协议在i