（信息与通信工程专业论文）用于ipv6的ripng路由器研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r n e t 的发展和应用的日益广泛，现在的口v 4 地址面临很快被耗尽。口v 6 作为下一代互连网络协议，已经开始有计划、有步骤的部署，逐渐取代现阶段在 i n t e r n e t 中广泛应用的i p v 4 网络协议。i p v 6 协议吸收了口v 4 协议的优点，并对用 户在安全、q o s 等方面的要求提供了支持，其中更重要的是重新设计了长达1 2 8 位长度的地址和支持更多层次的编址体系结构，解决了地址短缺的问题。r i p n g 正 是用于在i p v 6 网络中提供路由功能，是i p v 6 网络中路由技术的一个重要组成协议。 同时随着网络应用普及，功能灵活、应用简单、性价比高的产品将会大受欢 迎。另外专业路由器的高昂价格也令许多需求者望而却步，因此对于广大的接入 层用户和中小型企业来说，寻找一种成本便宜、性能不错的路由器非常有必要。 鉴于l i n u x 操作系统卓越的网络系统功能和微内核设计，支持多种硬件平台及开放 的源代码，本文提出了一个基于嵌入式l i n u x 系统的i p v 6 路由系统的实现方案， 该方案具有可兼容、可扩展、可移植等特点。 本论文在分析i n t e r n e t 发展现状以及下一代网络协议口v 6 的基础上，对于路 由器技术的发展进行了跟踪，围绕着i p v 6 技术、路由器协议以及嵌入式l i n u x 系 统三大主题开展研究。本文在分析和研究上述技术的基础上给出了r i p n g 路由器 结构以及运行所需的软硬件平台。在分析z e b r a 源码的基础上，对r i p n g 路由协 议进行模块化的设计与实现，讨论了r i p n g 报文处理、路由表、路由更新、定时 器、访问列表、路由重发布等技术的实现。给出一种用于路由器的命令行接口的 设计和实现，详细讨论了命令树、命令注册、命令解析以及命令执行等的实现方 式，同时也探讨了命令自动完成，历史命令，命令缩写等功能的实现。最后使用 c h a r i o t 等测试工具分别对r i p n g 路由器的功能和性能进行测试。 关键词：i p v 6 协议，路由器，命令行接口，路由信息协议 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hd e v e l o p i n go fi n t e r n e ta n di n c r e a s i n go fa p p l i c a t i o n , t h en u m b e ro fi p v 4 a d d r e s s e sf a c es o o nb ed e p l e t e dn o w a san e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e tp r o t o c o l ，m v 6 p r o t o c o li sb e i n gd e p l o y e ds t e pb ys t e p ，a n dw i l le v e n t u a l l yr e p l a c e si p v 4p r o t o c o l w h i c hi sw i d e l ye m p l o y e di nt h ei n t e m e t i p v 6p r o t o c o li n h e r i t st h ea d v a n t a g e so fi p v 4 a n dc a l lo f f e rs e v e r a ln e wf u n c t i o n ss u c ha ss e c u r i t ya n dq o s t h em o s ti m p o r t a n t i m p r o v e m e n ti si t s12 8 - b i ta d d r e s sl e n g t h r i p n gi st op r o v i d er o u t i n gf u n c t i o n a l i t yf o r i p v 6n e t w o r k ，a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f i p v 6n e t w o r k r o u t i n gp r o t o c 0 1 w i t ht h ep o p u l a r i t yo fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa tt h es a m et i m e ，f u n c t i o n a lf l e x i b i l i t y , t h ea p p l i c a t i o no fs i m p l e ，c o s t - e f f e c t i v ep r o d u c t sw i l lb ep o p u l a r i na d d i t i o nt h eh i g h p r o f e s s i o n a lr o u t e rp r i c e sa r ep r o h i b i t i v et om a n yn e e d s i ti sag o o di d e af o ru s e r s l o o k i n gf o rac h e a p e rc o s t ，p e r f o r m a n c ea l t e r n a t i v e si sn e c e s s a r y t a k i n gi n t oa c c o u n t t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e ms u p e r i o rn e t w o r ks y s t e mf u n c t i o n a l i t ya n dm i c r o - k e r n e l d e s i g n , s u p p o r t s aw i d er a n g eo fh a r d w a r ep l a t f o r m sa n do p e ns o u r c ec o d e , t h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t sai p v 6r o u t i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，w h i c hh a sa c o m p a t i b l e ，s c a l a b l e ，p o r t a b l ea n d s o0 1 1 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tr o u t e rt e c h n o l o g i e s ，b a s e do n l p v 6p r o t o c o la n a l y s i s ，a n df o c u s e so nt h r e ei s s u e si nt h ea r e ao f i p v 6t e c h n o l o g y , r o u t e r p r o t o c o l sa n de m b e d d e dl i n u xs y s t e m s b a s e do i lt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h e a b o v e m e n t i o n e dt e c h n i c a l ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sg i v e nt h em u t e rh a r d w a r ea n ds o f b r a r e p l a t f o r mt or u n a c c o m p l i s h e dr i p n gm u t i n gp r o t o c o ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nb a s e d o nt h ea n a l y s i so fz e b r ao p e ns o u r c e ，d i s c u s s e dt h ei m p l e m e n t a t i o no f r i p n gp a c k e t p r o c e s s i n g , r o u t i n gt a b l e ，r o u t i n gu p d a t e s ，t i m e r , a c c e s sl i s t s , r o u t er e d i s t r i b u t e ，e t c d i s c u s s e dac o m m a n dl i n ei n t e r f a c ed e s i g na n di m p l e m e n ta n di n c l u d ec o m m a n d t r e e s ， c o m m a n dr e g i s t r a t i o n ，c o m m a n da n a l y s i sa n dc o m m a n de x e c u t i o n a l s og i v e nt h e i m p l e m e n to fc o m m a n da u t o c o m p l e t e ， c o m m a n dh i s t o r y , c o m m a n da b b r e v i a t i o n s f i n a l l yu s i n gc h a r i o tt o o l st e s t e dr i p n gr o u t e rf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：i p v 6p r o t o c o l ，r o u t e r , c o m m a n dl i n ei n t e r f a c e ，r i p n gp r o t o c o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：牺盛日期：如汐7 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲捅宕聊虢移忍一 日期：年月日 第一章绪论 1 1 本课题的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 互联网与i p v 6 技术的发展状况 进入2 0 世纪8 0 年代末期以来，因特网的发展是计算机研究领域最引人注目 的事件。尤其是进入9 0 年代以来，因特网业务发展迅猛，数据流量以每年1 倍的 速率增长。最新统计报告显示【1 1 ，2 0 0 8 年1 2 月期间，全球网民总量已突破1 0 亿 大关。在我国，因特网的发展虽然相比发达国家起步较晚，但是在最些年取得了 长足的进步。根据c n n i c 最新一期的中国互联网络发展状况统计报告显示，截至 2 0 0 8 年底，中国网民规模达到2 9 8 亿人，较2 0 0 7 年增长4 1 9 ，互联网普及率达 到2 2 6 ，略高于全球平均水平( 2 1 9 ) 。继2 0 0 8 年6 月中国网民规模超过美国， 成为全球第一之后，中国的互联网普及再次实现飞跃，赶上并超过了全球平均水 平。调查同时也显示，2 0 0 8 年中国的互联网基础资源继续保持快速增长，i p v 4 的 增长速度已经连续两年落后于中国网民的增长速度，人均i p v 4 地址数持续下滑。 作为访问互联网必须的基础资源，未来几年，中国i p v 4 地址的增速如果不能够获 得更快速的发展或者过渡到口v 6 ，极有可能成为制约中国互联网发展发展的瓶颈 因素。除了口v 4 之外，其他资源的增速基本与网民增长等速或超过网民的增速。 i e t f ( 因特网工程任务组) 从1 9 9 1 年开始研究i p v 6 的地址长度和结构，1 9 9 2 年6 月i e t f 公开征求对i p n g 的建议，成立了i p n ga r e a 工作组；1 9 9 4 年1 2 月， i p n ga r e a 给出对下一代i n t e r n e t 协议技术标准进行评议r f c l 7 2 6 文档，提出17 条 评议标准。1 9 9 5 年1 月，i p n g a r e a 工作组给出r f c l 7 5 2 文档，提出了下一代网络 协议i p v 6 的推荐版本，同年1 2 月在r f c l 8 8 3 中公布了i p v 6 协议规范的建议标准。 1 9 9 6 年，i e t f 建立了全球范围的m v 6 实验床6 b o n e ，一个重要的设计目标是实现 i p v 6 与因特网中现行的i p v 4 协议兼容。1 9 9 8 年1 2 月发布了i p v 6 协议标准 r f c 2 4 6 0 。1 9 9 9 年完成了i e t f 要求的协议审定和测试。 许多国家和地区都投入到下一代互联网建设中，2 0 0 3 年6 月9 日，美国国防 电子科技大学硕+ 学位论文 部发表了一份备忘录，决定采用新的政策在整个部门中部署口v 6 。从2 0 0 3 年1 0 月起，其3 0 0 亿美元的i t 预算将只能用来购买支持i p v 6 的技术，2 0 0 8 年前，国 防部的几大部分网络将过渡到i p v 6 上。日本i p v 6 的发展是在政府统一协调下分阶 段进行的，日本政府通过e j a p a n 计划推动使用i p v 6 的互联网环境的实现，日本 n t t 公司在提高i p v 6 连接的质量和方便性方面一直独领风骚。1 9 9 9 年9 月n 订 在日本获得了正式i p v 6 地址管理者的身份，并成为第一个商用业务提供商，之后 n t t 与v e r i o 联合建立了n 1 n 7 酬o 全球i p v 6 骨干网，这是一个由n t t 和v e r i o 联合运营、跨越日本、欧洲和美国的商用i p v 6 骨干网。在欧洲，3 g p p 已经把i p v 6 作为未来m 网络的基本协议，欧盟在2 0 0 1 年成立i p v 6t a s kf o r c e ，研究和制定i p v 6 推广计划。2 0 0 2 年欧洲同时启动6 n e t 和e u r 0 6 i x 实验网。诺基亚、爱立信、英 国电信、法国电信、6 w i n d 等欧洲公司一直是i p v 6 研究及商业实施的主要引导者。 国际著名路由器厂商( 包括c i s c o 、j u n i p e r 、f o u n d r yn e t w o r k s 和e x t r e m e n e t w o r k s ) 都支持i p v 6 ，微软的w i n d o w sx p 支持i p v 6 ，u n i x 和l i n u x 最流行的 版本都捆绑了v 6 。 近年来，我国已经启动了一系列和下一代互联网研究相关的计划，例如用于 科学研究和教育的c e r n e t 的i p v 6 实验网、国家自然科学基金委员会的“中国高 速互联研究试验网络( n s f c n e t ) 和中国电信集团i p v 6 实验网、国家“8 6 3 片计 划“十五”期间的i p v 6 核心技术开发、p v 6 综合试验环境、下一代i p 电信实验网 6 t n e t ：国家“9 7 3 计划有关网络、通信、信息安全以及人机和谐环境的相关课题； 中国下一代互联网交换中心d r a g o n t a p 以及c e r n e t 2 试验网；中科院的“m v 6 关键技术及城域示范网一和国家计委的“下代互联网中日p v 6 合作项目一等。 中国在i p v 6 核心技术研发、协议标准制定、组网、过渡策略、测试、应用示范和 商业模式探讨等方面积累了宝贵的知识和经验。 通过几年的研究，我国在下一代互联网核心技术与纯i p v 6 试验网等方面取得 了一些成果，中国教育科研网开发的新型网络寻址体系结构、建设纯i p v 6 大型互 联网核心网等成果属于国际首创，使我国下一代互联网研究跻身世界前列。向国 际互联网标准化组织提交的两项标准草案已获批准，这也是我国首次进入国际互 联网核心标准。在高性能核心路由器及其相关i p v 6 技术方面，国家8 6 3 计划“中 国高速信息示范网”专项的高性能核心路由器项目，研制的高性能核心路由器的 背板交换速率达到4 0 1 6 0g b p s ，包转发率 2 0 - 4 0m b p s ，路由表容量达到5 1 2 k 2 - 7 】。 i p v 6 协议研究方面，初步实现了i p v 6 协议栈；在i p v 6 安全中间件、i p s e c 2 第一章绪论 协议开发、i p v 6 信息过滤技术等领域进行了研究与开发；对t c p i p 协议进行了一 致性测试、互操作性测试、性能测试，提交了4 个t c p i p 协议测试集r f c 标准草 案：对i p v 6 协议一致性测试平台及相关测试集进行了研制与开发。 1 1 2 路由器技术发展状况 路由器是互联网络的枢纽、”交通警察”。目前路由器已经广泛应用于各行各业， 各种不同档次的产品已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网 与互联网互联互通业务的主力军。 在网络环境中，路由器成功的实现离不开正确的布局和配置，每台路由器都 担负着种特定的职责功能。路由器分为核心层路由器、汇聚层( 路由器和访问 层路由器核心层路由器一般大型企业和电信运营商才需要，中小型企业一般只需 要汇聚层和访问层路由器。 实现路由器有多种途径。从路由器的基本工作原理和发展历史着手，下面对 路由器实现技术给出简单的分类介绍，其中有实现了的技术，还有在理论上可行 实现而实际中价值不高的技术。 纯硬件。路由器的功能通过硬件体系结构的设计直接实现，对网络数据报的 处理由硬件直接判断。该设计方法灵活性差，不能支持多种协议，代价高，没有 实现。 专用硬件+ 专用操作系统。这是核心路由器的主要实现方法。硬件设计针对路 由器的工作方式和特性，提供软件系统对路由器进行配置以支持多种协议。性能 高，代价高，灵活性比较差。 通用硬件+ 专用操作系统。在通用计算机体系结构上直接搭建路由器操作系 统，减少系统调用负荷。代价较高，通用性差，性能能比一般软件路由器高 通用硬件+ 通用操作系统。软件路由器的主要实现方法。技术支持好，性能一 般，代价低，设计恰当可以灵活可配置的提供良好的路由服务，扩展后可支持更 多的网络应用。 目前路由器主要厂商有：思科公司，他采用的是专用硬件+ i o s 操作系统，是 目前最大的路由器产品供应商，长期以来占据路由器市场主导地位。j u n i p e r 公司， 他也采用的是专用硬件和j u n o s 操作系统，自1 9 9 8 年推出m 4 0 高端路由器以来， 在骨干路由器市场上开始取得突破。另外国外还有a v i c i ，l u c e n t ，a l c a t e l 等公司， 国内如华为，港湾等他们一般都采用上述第2 或3 方式实现。这些公司的产品一 3 电子科技大学硕十学位论文 般都用于核心层或分发层，性能高，但价格高，灵活性差。 目前也有一些国外组织和公司提出了开源路由器的概念，如v y a t t a 公司，基 本就是基于通用硬件+ 通用操作系统来实现的，运行v y a t t a 软件的x 8 6p c 可以取 代思科2 8 0 0 系列至7 2 0 0 系列路由器，北电网络和阿尔卡特公司也有许多这种档 次的产品。根据使用的操作不同可以分为基于w i n d o w s 平台和基于l i n u x b s d 平台 开发的软件路由器，基于w i n d o w s 平台的有w i n r o u t e 等，有而基于l i n u x b s d 平 台的常见的有b b i a g e n t ，r o u t e r o s 、c o y o t e l i n u x 等。当然还有基于其他平台如 v x w o r k s 。这些产品可用于分发层和接入层，性能一般，价格低，配置灵活，功能 多。 从应用市场来看，行业市场需要多功能的产品。一般来说，单一化功能的路 由产品已经不能满足行业应用的需要，企业路由器提供商需要根据企业应用环境 为其量身定制，功能化、安全化、服务化的产品成为应用趋势。同样在s o h o 市 场，随着网络应用普及，应用需求也将逐渐增加，人们不会再局限于单一产品的 采购，与新技术、新应用的融合将成为产品发展的趋势，功能丰富、应用简单的 产品将会大受欢迎。因此可以预见，软件路由器会逐渐占领更多的硬件路市场， 但软件路由器还不可能淘汰硬件路由器，它们的市场定位不同，而且在高端只有 硬件路由器才能胜任，但对于一般的用途如用软件路由器可以获得更高的经济效 巷【1 2 1 3 】 皿 o r i p n g 是在r i p 基础上开发的用于i p v 6 网络的路由协议，r i p 是i e t f 组织开 发的一个基于距离矢量算法的内部网关协议，具有配置简单、易于管理和操作等 特点，在i p v 4 的中小型网络中获得了广泛应用。r i p 协议分为三个版本，r i p v l 在r f c l 0 5 8 中提出，为了改善r i p v l 的不足，在r f c l 3 8 8 中提出了改进的r i p v 2 ， 并在r f c l 7 2 3 和r f c 2 4 5 3 中进行了修订。r i p v 2 定义了一套有效的改进方案， 新的r i p v 2 协议支持子网路由选择，支持c i d r ，支持组播，并提供了验证机制。 随着i p v 6 网络的建设，同样需要动态路由协议为i p v 6 报文的转发提供准确有效的 路由信息。因此，i e t f 在保留了r i p 优点的基础上针对i p v 6 网络修改形成了r i p n g 。 r i p n g 主要用于在i p v 6 网络中提供路由功能，是i p v 6 网络中路由技术的一个重要 组成协议【1 0 - 1 1 】【1 3 1 。 尽管新的i g p 如o s p f ，i s i s 比r i p 有很多优点，但是r i p 在i p v 4 网络仍然 被广泛使用，这是因为r i p 有其他i g p 所不具备的优点。在一个中等规模的网络 中，r i p 非常容易配置，而且需要使用的带宽要比o s p f 少得多，网络的维护和管 理也相对简单。因此可以预见，未来的i p v 6 网路中r i p n g 还将被广泛使用。i e t f 4 第一章绪论 已经为r i p n g 制定了相关的标准，随着口v 6 试验网的展开，r i p n g 也将在实践中 逐步完善。目前主流的路由器厂商c i s e o , j u n i p e r , 华为等各大路由器厂商都支持 r i p n g 协议。 在中小型企业网的环境下，每个子网的计算机数目不是很大，对实时性和多 业务支持的要求也不是非常严格。网络结构不复杂，但是要求价格便宜，稳定性 高，操作简单，功能完备的个性化路由器。为此，经过多方研究，比较，选择了 嵌入式l i n u x 这一新兴的，充满活力的系统来做路由器系统。因为路由转发是l i n u x 内核支持的功能之一，配置方便，管理简单，嵌入式l i n u x 系统价格上有无可比拟 的优势，而且源代码开放，升级方便，l i n u x 系统的性能尤其是网络性能卓著，稳 定性好，安全性高。传统的路由器都是使用专用的r t o s ( 实时操作系统) 开发的， 在开发t c p i p 协议、防火墙协议协议时都只能自己去实现，产品上市的周期非常 长，对新协议、新接口的支持以及设备升级的周期也很长，因为专用的r t o s 有 关内容都要自己开发；而对于l i n u x 来说，这些都可以直接从网上获得代码，针对 应用系统的要求作必要的改动即可，对新协议、新接口的支持也是如此，无需要 自己从头去开发( l l 如i p v 6 ) 。另外基于l i n u x 的软件路由器的扩展性好、灵活性强， 能够方便的根据个人需求修改路由器功能，也可以方便的更新路由器版本而不必 更换硬件【1 4 j 。 基于上述分析，我们提出提出一种基于x 8 6 平台的可扩展路由器设计方案， 利用l i n u x 源代码的开放性，对l i n u x 内核进行合理剪裁，开发用户与系统的交 互界面，实现可进行不断扩展路由器功能的设计方案，实现基本的静态路由、基于 i p v 6 的r i p n g 动态路由。另外，由于l i n u x 内核支持多种硬件平台，它也可以方 便的移植到其他如a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等平台。 1 2 研究的主要内容 本论文完成的主要工作如下： _ 阐述了i p v 6 的优势( 与i p v 4 相比) ，报文结构，地址体系结构， i c m p v 6 和邻居发现技术等。 一分析与阐述了路由器的基本工作机制，r i p n g 所使用的路由算法、 报文结构、功能结构、路由环路及解决、定时器处理等。 一给出了r i p n g 路由器的结构以及软硬件平台，并讨论了满足r i p n g 路由协议运行的需要的l i n u x 系统的构建。 5 电子科技大学硕十学位论文 一 在分析z e b r a 的基础上，将整个r i p n g 路由协议体系结构与实现进 行了模块化设计，并对各模块内部功能进行分析和实现。讨论了 r i p n g 报文处理、路由表、路由更新、定时器、访问列表、路由重 发布等技术的实现。 给出一种用于路由器的命令行接口的设计和实现，详细讨论了命令 树、命令注册、命令解析以及命令执行等的实现方式，同时也探讨 了命令自动完成，历史命令，命令缩写等功能的实现。 对设计的r i p n g 路由系统搭建网络拓扑，使用c h a r i o t 等测试工具 分别对其功能和性能进行测试，并给出相应的测试数据。 6 第二章i p v 6 与r i p n g 路由原理 2 1 ip v 6 原理 2 1 1ip v 6 概述 第二章 lp v 6 与rip n g 路由原理 i p v 6 是i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 的缩写，目前的全球因特网所采用的 协议族是t c p i p 协议族。i p 是t c p i p 协议族中网络层的协议，是t c p i p 协议族 的核心协议。目前i p 协议的版本号是4 ( 简称为i p v 4 ) ，它的下一个版本就是i p v 6 。 i p v 6 是为了解决i p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提 出了改进【1 5 - 1 7 1 。与i p v 4 相比，i p v 6 具有以下几个优势： 一i p v 6 具有更大的地址空间。i p v 4 中规定i p 地址长度为3 2 ，即有 2 3 2 - 1 个地址；而i p v 6 中i p 地址的长度为1 2 8 ，即有2 1 2 8 - 1 个地 址。 _ i p v 6 使用更小的路由表。i p v 6 的地址分配一开始就遵循聚类 ( a g g r e g a t i o n ) 的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录 ( e n t r y ) 表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高 了路由器转发数据包的速度。 i p v 6 增加了增强的组播( m u l t i c a s t ) 支持以及对流的支持( f l o w c o n t r 0 1 ) ，这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务 质量( o o s ，o u a l i t yo fs e r v i c e ) 控制提供了良好的网络平台。 i p v 6 加入了对自动配置( a u t oc o n f i g u r a t i o n ) 的支持。这是对d h c p 协议的改进和扩展，使得网络( 尤其是局域网) 的管理更加方便和快 捷。 i p v 6 具有更高的安全性。在使用i p v 6 网络中用户可以对网络层的数 据进行加密并对i p 报文进行校验，极大的增强了网络的安全性。 7 电子科技人学硕十学位论文 2 1 2ip v 6 报文格式 i p v 6 协议由r f c 2 4 6 0 描述，它描述了i p v 6 结点必须具备的最低功能和i p v 6 中的一些基本概念。i p v 6 改变了i p v 4 的头部格式，不再采用i p v 4 的基本头部加 上选项的形式，而是采用4 0 个字节的固定大小的头部( b a s eh e a d e r ) ，后面可以 有零个或者多个扩展头部( e x t e n s i o nh e a d e r ) ，用来代替i p v 4 的选项的功能u s - 1 9 j 。 o41 21 62 43 1 版本通信量类 流标号 有效载荷长度下一个首部 跳数限制 源地址 ( 1 2 8 位) 目的地址 一 ( 1 2 8 位) 一 有效载荷( 扩展首部，数据) 图2 一li p v 6 报文结构 与i p v 4 相比，i p v 6 头部信息的变化包括： 一头部长度( l e n g t h ) 字段变为有效负载长度( p a y l o a dl e n g t h ) 字段； 一源地址和目的地址字段大小增加到1 6 个8 位组； 一t t l 字段替换为h o pl i m i t 字段； - 服务类型( t o s ) 字段改为通信量类型( t r a f f i cc l a s s ) 字段，并用流标 签( f l o wl a b e l ) 字段扩展； 协议字段变成新的字段，用于制定下一个头部的类型； 一取消头部的分段信息，转移到一个专门的扩展头中； 一取消了i p 头中的校验和； 第二章i p v 6 与r i p n g 路由原理 i p v 6 把原来i p v 4 首部中选项的功能都放在扩展首部中，并将扩展首部留给 路径两端的源站和目的站的主机来处理。数据报途中经过的路由器都不处理这些 扩展首部( 只有一个首部例外，即逐跳选项扩展首部) ，这样就大大提高了路由器 的处理效率。i p v 6 数据包由一个基本首部加上0 个或多个扩展首部和数据部分构 成。根据以后的实际需求，还可能引进别的扩展首部。这是i p v 6 灵活性的重要体 现1 2 0 1 。 下一首都值含义 o 巾继点选项首部 4炉 6t c p 1 7u d p 4 3 寻路首部 4 4 分段首部 4 5 l d r p 4 6r s v p 5 0 封装化安全净荷 5 1 认证首部 5 8i c m p v 6 5 9 无下一个首部 6 0 信宿选项首部 舨本业务髓等娩流惦记 净筒衣瞧j ：f 一营鼯；0i f 封睾点阪制 7 一 一 储藏地鞫： 一 一一 一 俦宿地址 一 卜n 帮t4 3头酥k 瞧 中继点逸王龌 p 阿镶；：4 4 头杯k 艘 镡路信息 下一聍娜：5 i徼僻4 ) - 段编棒m 分段坏盘 f 。酋邸t6前邸枝理 认迸毂嬲 t c p 静蹲及敦搬 图2 - 2 i p v 6 数据包扩展首部 在i p v 6 中规定了各种扩展首部的处理顺序。首先应该是逐跳首部，然后是第 一目的站首部( 包含的是主首部的目的地址需要处理的选项) 、路由首部、分段首 部、第二目的站首部( 包含的是报文的最终目的地址需要处理的选项) ，最后是认 证首部和封装安全载荷首部。i p v 6 路由器并不处理所有的扩展首部。比如路由器 只在自己的地址在主首部的目的地址字段中出现时才查看路由首部，路由器不查 看最终目的节点不是该路由器的i p v 6 报文的分段首部。因此采用扩展首部方案可 以使i p v 6 路由器的负担得到大大减轻。 9 电子科技大学硕十学位论文 2 1 3lp v 6 地址体系结构 i p v 6 地址是每个节点在网络上接口的唯一标识，每个i p v 6 地址由地址前缀和 接口标识两个部分组成。由于每个节点在网络上是通过一个或多个接口与其他节 点的接口相连接的，因此一个节点可以拥有不止一个i p v 6 地址。i p v 6 地址与i p v 4 地址在结构上有两个主要的改变【2 1 。2 2 】： 长度由3 2 位扩充到1 2 8 位。 i p v 6 地址采用前缀概念替代i p v 4 的掩码概念来表示子网。 i p v 6 的设计者决定采用长度可变的前缀进行地址空间的分配，以便满足多种 类型地址提供者的需要和实现分层结构，并且增加可聚集性以减少路由器路由表 的大小。i p v 6 地址有以下三种类型【6 】【1 8 】： 一 单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) ，它唯一标识单个接口。i p v 6 单播地址是 具有连续位掩码的可聚集地址，它类似于无类域问路由 ( c l a s s l e s s i n t e r - d o m a i nr o u t i n g ，简称c i d r ) 中的i p v 4 地址。目前 已定义了以下几种类型的单播地址：可聚集全球单播地址，本地链路地址， 本地站点地址，i p v 4 兼容的i p v 6 地址，i p v 4 映射的i p v 6 地址，其他特 殊地址。 任意播地址( a n y c a s ta d d r e s s ) 是一组接口的地址，典型的情况下它们 属于不同的节点。发送到任意播地址的报文只会发送到这组接口中的一个 接口。任意播地址没有独立的地址空间，它们使用单播地址的格式。 一 组播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 也是指一组接口地址，发往组播地址的 报文会发送到这组接口中的每一个接口。组播地址不能用作源地址或者出 现在路由头部中。 一个典型的i p v 6 地址由三个部分，如图2 - 3 所示。 全球路由前缀子网标识符接口标识符 ( m 位) ( n 位) ( 1 2 8 m h i 虚) 图2 - 3i p v 6 地址的一般格式 全球路由前缀用来识别分配给一个站点地址或一个地址范围，它由r i p 、i s p 1 0 第二章i p v 6 与r i p n g 路由原理 和组织机构分配和管理。站点是子网的集合。子网标识符用来识别站点中的某个 子网，子网标识符由站点管理和分配。接口标识用来识别和指明链路上的一个接 口，并且接口标识在该链路上必须是唯一的。接口标识符非常像4 8 位的m a c 地址， 具有全球唯一性。i p v 6 接口标识符基于i e e ee u i - 6 4 格式，它实际上是由 e u i 一4 8 ( m a c ) 地址扩展得到，其方法是在2 4 位的o u i 和2 4 位的e u i 之间插入1 6 位比特值( o x f f f e ) ，具体结构如图2 - 4 所示【2 0 】。 e - - 1 f 卜位一 卜一 位叫 图到转换 通过上面的讨论，地址与地址的比较总结如表所示。 表地址与地址的比较 地址地址 类在中不适用 多播地址 )多播地 广播地址 在中不适用 末指定地 末指定地址： 回环地址： 回环地址：l 公共口地址可聚合的全球单播地址 私有i p 地址( 、本地站点地址： 1 7 2 1 6 、) 地 1链路本地地址( ) 文本表示法：十进制点号表示法文本表示法：带有前导零和零压缩法 的冒号十六进制格式 网络位表示法：点十进制符号的子网网络位表彳j 法：只有前缀k 度符号 掩码或前缀长度 电子科技人学硕+ 学位论文 2 1 4ic m p v 6 与邻居发现技术 i p v 6 协议本身没有提供i p v 6 分组在网络传输过程中传输状态的报告功能，需 要通过i c m p v 6 协议报告其在网络中的传输情况。i p v 6 网络中的每一个节点均要实 现i c m p v 6 ，当网络中的节点不能正确处理到来的i p v 6 分组时，通过i c m p v 6 报文 向源节点报告i p v 6 分组在传输过程中的出错信息和通告信息，使网络中节点掌握 网络中所传输的i p v 6 分组情况，以及当前网络状态的重要信息【6 】【1 7 - 1 8 1 。 为了更加适应i p v 6 协议，原来在版本4 中的a r p 和i g m p 协议被并入i c m p v 6 中，r a r p 协议则从这个协议族中取消了，因为它和少使用，此外，b o o t p 完成r a r p 的任务。i c m p v 6 提供主要功能有：错误报告、网络诊断、邻居发现、多播实现和 重定向。 i c m p v 6 报文作为i p v 6 分组的数据载荷，在每个i c m p v 6 报文之前是一个i p v 6 固定首部和可选的扩展首部，i c m p v 6 的控制信息主要有两种：差错报文和查询报 文。错误报文的类型字段中的最高位为o ，因此i c m p v 6 错误报告报文类型的编码 值范围是0 - 1 2 7 。查询报文的类型字段中的最高位为1 ，因此i c m p v 6 错误报告报 文类型的编码值范围是1 2 8 - 2 5 5 。 位081 6 3 1 图2 5i c m p v 6 报文的一般格式 在i p v 4 网络中，为了保证子网中的第三层地址和第2 层地址之间的映射，采 用了基于a r p 的方法来实现的，而在i p v 6 中取消了a r pr a r p 等协议，使用新的 邻居发现协议来实现的。邻居发现协议是i p v 6 协议的一个重要协议，它解决连接 在同一链路上的节点之间的交互问题。邻居发现( n d ) 过程，是用一系列的报文 和步骤来确定邻节点之间关系的过程，共有5 种邻居发现i c m p v 6 报文，分别是邻 居请求报文、邻居通告报文、路由器请求报文、路由器通告报文和重定向报文。 邻居发现协议定义了路由器发现、前缀发现、参数发现、地址自动配置、地址解 析、下一跳确定、邻居不可达检测、地址重复检测、重定向等问题的解决方案【1 9 1 。 1 2 第二章口v 6 与r i p n g 路由原理 2 2rip n g 路由原理 2 2 irfp n g 协议概述 r i p n g 是在r i p 基础上开发的用于i p v 6 网络的路由协议，r i p 是i e t f 组织开 发的一个基于距离矢量算法( 基于分布式b e l l m a n f o r d 算法) 的内部网关协议， 具有配置简单、易于管理和操作、对硬件和带宽要求低等特点，在i p v 4 的中小型 网络中获得了广泛应用。r i p 协议分为三个版本，r i p v l 在r f c l 0 5 8 中提出，为了 改善r i p v l 的不足，在r f c l 3 8 8 中提出了改进的r i p v 2 ，并在r f c l 7 2 3 和r f c 2 4 5 3 中进行了修订。r i p v 2 定义了一套有效的改进方案，新的r i p v 2 协议支持子网路由 选择，支持c i d r ，支持组播，并提供了验证机制。随着i p v 6 网络的建设，同样需 要动态路由协议为i p v 6 报文的转发提供准确有效的路由信息。因此，i e t f 在保留 了r i p 优点的基础上针对i p v 6 网络修改形成了r i p n g ，r i p n g 是i p v 6 网络中路由 技术的一个重要组成协议。随着i p v 6 试验网的展开，r i p n g 也将在实践中逐步完 釜 2 4 - 2 8 1 口o r i p n g 通过u d p 报文进行路由信息的交换，使用的端口号为5 2 1 ( r i p v l r i p v 2 使用5 2 0 ) 。r i p n g 使用跳数来衡量到达目的地址的距离，跳数称为度量值。在r i p n g 中，路由器到与它直接相连网络的跳数为0 ，通过一个路由器可达的网络的跳数为 l ，其余依此类推。为限制收敛时间，r i p n g 规定度量值取o 1 5 之间的整数，大 于或等于1 6 的跳数被定义为无穷大，即目的网络或主机不可达。 2 2 2 路由器工作机制 路由器工作在o s i 参考模型的第三层( 网络层) ，它的主要作用是为收到的报 文，寻找j 下确的路径并把它们转发出去，它在网络中的作用类似邮局。当然对于 有多条路径的情况下，它会优先选择最佳路径，为了完成这项工作，在路由器中 保存着各种传输路径的相关数据路由表( r o u t i n gt a b l e ) ，供路由选择时使 用。路径表中保存着目的网络号、出口端、路由器个数( 跳数) 和下一个路由器 的端口地址( 下一跳) 等内容。由于因特网的规模非常大，所以因特网采用分层 次的路由选择协议，在自治系统内部使用内部网关协议i g p ( i n t e r i o rg a t e w a y p r o t o c 0 1 ) ，如我们讨论的r i p n g ：在自治系统外部部使用外部网关协议e g p 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ( e x t e r n a lg a t e w a yp r o t