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北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 基于网络处理器的ip v 6 路由器的软件设计与实现 摘要 网络处理器是下一代网络的关键技术。本文介绍了作者在 研究生学习期间就i n t e l 网络处理器i x p l 2 0 0 所做的研发工作 一一基于i x p l 2 0 0 的i p v 6 路由器软件开发，全文分为两大部 分。第一部分为课题相关的理论部分，包括网络处理器、i p v 6 的相关知识和理论。第二部分详细阐述了基于网络处理器的三 层转发的调测和基于网络处理器的i p v 6 路由器的软件设计与 实现。 第一章介绍了网络处理器的相关知识和i n t e l 公司的 x p l 2 0 0 处理器的性能结构及各组成部分的功能。 第二章介绍了i p v 6 协议，以及i p v 4 向i p v 6 过渡的方案。 第三章主要阐述了基于i x p l 2 0 0 网络处理器的三层转发的 原理，然后着重介绍的三层转发的测试方法、结果以及经验和 体会。 第四章详细阐述了基于i x p l 2 0 0 网络处理器的i p v 6 路由器 的设计与实现，并着重描述了i p v 6 路由器数据平面在i x p l 2 0 0 上的实现，介绍了i p v 6 三层转发处理模块和i p v 4 与i p v 6 互 通的模块，并介绍了i p v 6 路由器应用平台和测试环境。 关键词：i p v 6 ，隧道方案，i x p l 2 0 0 ，网络处理器 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由罂的设计与实现 t h ed e s i g na n di m p l e m n e t i n go fi x p l 2 0 0 b a s e di p v 6r o u t e r a b s t r a c t n e t w o r k p r o c e s s o r ( n p ) t e c h n o l o g y i so n eo ft h e k e y t e c h n o l o g i e s o ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k sf n g n ) t h i s d i s s e r t a t i o n w h i c hi sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s i n t r o d u c e sm y r & dw o r k0 1 3n p d u r i n gt h eg r a d u a t es t u d y i n gp e r i o d t h ef i r s t s e c t i o ni 墨a b o u tt h e o r yo fn e t w o r kp r o c e s s o r i p v 6r o u t e ra n d t r a n s i t i o nt oi p v 6 a n dt h es e c o n ds e c t i o nd e p i c t st h ed e b u g g i n g p l a no fi ) ( p l2 0 0b a s e d1 a y e r 3f o r w a r d e rr o u t e r t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t i n go f i x l l 2 0 0b a s e di p v 6r o u t e r a tf i r s t ，t h i s p a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e st h ee v o l u t i o na n d c o n c e p to f t h en e t w o r kp r o c e s s o r ，a n dt h em a i ne l e m e n t sa n dt h e b a s i cf u n c t i o n a l i t 3 ，o fi n t e li x p12 0 0 s e c o n d l y ，ii n t r o d u c et h ek n o w l e d g eo f i p v 6p r o t o c o l ，a n dt h e t r a n s i t i o nm e c h a n i s mt oi p v 6 t h i r d l y ii n t r o d u c et h ei n f r a s t r u c t u r eo fl a y e r 3f o r w a r d e r a p p l i c a t i o nb a s e d i x p12 0 0 ，a n dt h e nf o c u so nt h ed e b u g g i n g p l a n ， d e b u g g i n g r e s u l t sa n dr e l a t e de x p e r i e n c e a tl a s t ，ii n t r o d u c et h ed a t ap l a n ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o ft h ei p v 6r o u t e rb a s e do ni x p12 0 0 ，e m p h a s i z e st h ei p v 6 m o d u l ea n dt h e v 6 v 4 i n t e r o p m o d u l e ，a n d d e s c r i b e st h e a p p l i c a t i o np l a t f o r ma n d t h et e s tp l a t f o r mo fi p v 6r o u t e r k e y w o r d s ：i p v 6 ，t u n n e lm e c h a n i s m ，i x p l 2 0 0 ，n p 北京邮电大学硕士论文：基于嗣络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 y5 8 s 4 0 9 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容 以外，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 获得北京邮电大学或其他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 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蓟燃日期：垫坠。玉立 关于论文使用授权的况明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电 大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非 保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：靶 再。 日期：垒嫂垒圣1 3 日期： a 垃垒。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的1 p v 6 路由器的设计与实现 第一章网络处理器概述 1 1 网络处理器简介 1 , 1 1 网络处理器的定义 网络处理器是目前语音网络和数据网络的融合产物，它是一种基于 a s i c 结构的新兴s o c 系统芯片，融合了a s i c 的速度快和通用c p u 的 可编程灵活性的优点，特别适合高性能网络协议处理任务，专门用于处 理物理层( p h y ) ，媒体访问控制层( m a c ) 和网络传输层以上通信功 能，如流量控制，数据安全，服务质量( q o s ) 等。 1 1 2 网络处理器的优势 基于a s i c 和r i s c 的体系结构的路由器和交换机采用专用集成电路 ( a s i c j ，数字信号处理器( d s p ) ，来实现硬件转发及流量控制。从物 理接口得到的数据都交由a s i c 和r i s c 完成处理。基于硬件的数据处 理提供了非常高的包转发速率。但是基于a s i c 的体系结构的路由器或 交换机，由于其a s i c 的代码固化在芯片中，从而导致系统升级非常困 难。另外，a s i c 的研发周期通常在几个月，所以基于a s i c 的产品开 发期很长。同时类似q o s 路由，高层业务流识别及高层协议的高度变 化性都使得难于以a s i c 实现，为实现上述功能而引入软件处理又进一 步减少了基于a s i c 的体系结构所带来的收益。 基于网络处理器的体系结构是在以上两种体系结构的基础上，综合 了双方优点推出了一种新型的体系结构。网络处理器是一种可编程 r i s c ，不但可为系统提供类似a s i c 的处理速度，而且可以提供类似通 用处理器的灵活性。网络处理器主要被用于处理线速( w i r e s p e e d ) 数 据，进行协议分析和数据分类，位于物理接口处理器和交换架构之间， 基于网络处理器的体系结构如下图1 一l 所示： 北京邮电大学硕士论文：基于网绍处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 图1 1 ：网络处理器的体系结构 网络处理器位于物理接口处理器和交换架构之间。它实现的典型功 能包括： - 协议识别和分类：根据数据包的协议类型、端口号、目的地址、以 及其它特定于而议的信息对数据包进行识别。 - 拆装和重组：数据包的拆分，处理，以及为转发而重组。 - 排队和接入控制：识别出数据包之后，将这些数据包送往相应的 队列中以进行下一步处理，如优先处理，流量整形等。同时可根据 某些安全接入策略进行数据包过滤，确定是继续转发，还是丢弃。 流量整形和流量工程：某些协议或应用要求对流量进行整形以使之 在透入输出线或输出光纤时满足列延和时延抖动的要求。 - q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) ：除了对数据包 进行流量整形外，数据包可以被打上标签送往下一网络节点进行更 加有效的处理。 1 。1 3 网络处理器的特性 网络处理器将硬件的性能和软件的灵活性有机的结合在一起。从而 使通信系统的设计者可以将其注意力集中于高级业务的开发并尽可能 的延长了产品的生命周期，避免了原有简单满足一时性能和功能要求的 开发方式。因此网络处理器必须在可编程能力，性能，开放性等方面具 备相应的特性： - 完全可编程能力 一 编程开发简单而高效 构建系统的灵活性 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 - 强大的处理能力 - 高度的功能集成 1 1 4 网络处理器的应用 基于网络处理器的强大功能，网络处理器可以被用于实现从边缘网 缩至核心网络的一系列应用，如：w a n m a n 边缘路由器、多业务接入 平台：支持i p 、a t m 和m p l s 、企业网骨干交换机、d s l a m 和其它宽 带应用设备：如3 g 无线基站、c m t s 、v p n 网管，路由器、防火墙和完 全路由器、i p 吉比特太比特路由器、i p v 6 路由器。 1 2i n t e li x p l 2 0 0 网络处理器简介 1 2 1i n t e li x a 架构 i n t e l i x a 是一个主要着重于i n t e l | i x a 网络处理器上的分组处理 体系结构。这些处理器的特征是一个由以下三个要素构成的多处理体系 结构： 微引擎技术：一个可编程的、多线程的r i s c 微引擎的子系统，能 够在数据平面j 二进行高性能的分组处理。 i n t e l 公司x s c a l e 微体系结构：能够进行低功耗、高密度的控制平面 应用的处理。 i n t e l 公司i x a 硬件抽象层：让代码能够跨过多代微引擎被再次利 用，从而提供软件的可移植性，作为网络处理器继续的发展。 i n t e li x a 架构为下一代i n t e r n e t 产品提供了一个灵活快速投入市场 的开发结构。它的基础是i x p l 2 0 0 网络处理器。这是一种集合了灵活性、 高性能、集群性最佳属性的可编程嵌入式处理器。 l 。2 2 i x p l 2 0 0 网络处理器的体系结构 i n t e l 公司在i x p l 2 0 0 网络处理器的开发设计中采用了全新的体系结 构，以适应当今网络设备设计的需求。网络处理器是一种完全的可编程 设备，尤其是对需要进行高速数据处理的设备来说，它实现了六个均衡 的r i s c 数据处理器、一个s t r o n g a r m 核，2 个存储器接口，一个p c i 接口和i x 总线接口在一块芯片上的集成。 i x p l 2 0 0 采用松散耦合的混合并行处理器结构。流水线机制、事件 北京都电大学硕士论文；基于啜络处理器的l p v 6 路由器的设计与实现 任务信号机制、f i f o 队列的广泛应用对如i x b u s 、p c i 总线、s d r a m 和s r a m 接口等进行解耦合，实现隔离内存访问和减少延迟来保证最 大的吞吐量。硬件支持信号量机制和线程级微代码，微引擎中的线程交 换实现了零开销。 每个微引擎同时支持4 个线程，这样，一个i x p l 2 0 0 在逻辑上共有 2 4 个线程。i x p l 2 0 0 的体系结构是可扩充的，多个i x p l 2 0 0 可以以串行 或并行方式连接，或者是以串一并方式连接以支持不同的应用c 图l 一2 是i x p l 2 0 0 网络处理器的外部体系结构图，从图中可以看 出i x p l 2 0 0 的体系结构的主要特点：并行处理器( s t r o n g a r m 核和6 个微引擎) 、分布式数据存储及系统规模可扩充。图1 3 是i x p l 2 0 0 网 络处理器的内部体系结构图，图中显示了各主要模块之间可以进行的操 作关系。 图1 2 ：i x p l 2 0 0 的外部体系结构图 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 1 2 3 i x p l 2 0 0 的功能组成单元 i x p l 2 0 0 将流行的s t r o n g a r m 微处理器和6 个独立的3 2 位r i s c 数据 引擎以及硬件多线程支持结合在起，提供每秒1 g 次以上的操作。 i x p l 2 0 0 的主要功能部件包括s t r o n g a r m 核心微处理器、微引擎、f b i 单元和i x 总线、s r a m 和s d r a m 单元以及p c i 单元。 i n l e jj x p f 2 0 0n 龇w o r kp ，_ o c 口s s 。r 图1 3 ：i x p l 2 0 0 内部结构图 s t r o n g a r m 处理器：( 工作频率为1 6 6 m h z ) 能完成控制和管理任务， 例如地址识别、构建及维护转发表和网络管理等。 微引擎：( 6 个，每个工作频率都为1 6 6 m h z ) 实现预留给高速a s i c 的任务的处理能力。在l a n 交换应用中，6 个微引擎能够在第3 层实 现超过3 0 0 万个以太网包的转发。 f b i 单元和i x 总线：f b i 设备包括传送和接收f i f o 的元件，控制 和状态寄存器( c s r ) ，4 千字节的标记r a m 和用来产生4 8 和6 4 比特 的h a s h 索引的h a s h 设备，还包括i x 总线的驱动和接收机。 s r a m 和s d r a m 单元：用于支持两种高性能的存储设备。s r a m 设备提供快速存储器，能用来存储索引表。s d r a m 设备为信息转发和 队列传送提供更低成本的存储器。两种设备都具有改善存储器带宽利用 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 效率的特性。 p c i 单元：p c i 设各提供了一个工业标准的3 2 位p c i 总线，用于插 接外围设备，如外部c p u 和m a c 器件等。 6 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 第二章i p v 6 技术 2 1i p v 6 导入的背景 2 1 1i p v 4 潜伏的三大危机 1 9 6 9 年美国国防部为适应核战争的通信需要建立了a r p a n e t 实验 网，1 9 7 3 年开发出基于t c p i p 协议的i p v 4 原型，其后经三次修订，于 1 9 8 】年9 月i e t f 公布了i p v 4 标准规范r f c 7 9 1 文件。i p v 4 取得了巨 大的成功，但早在1 9 9 0 年t c p i p 专家们就已察觉出它潜伏着下列三大 危机。 1 地址枯竭 在i p 包头中能够处理的地址数由i p 地址域的长度决定。i p v 4 的地 址域为3 2 比特，可提供2 3 2 ( 约4 0 弘) 个i p 地址。但因i p 地址按网络 规模划分成a 、b 、c 三类后，用户可用地址总数显著减少。根据预测， 到2 0 0 3 年2 0 0 5 年i p v 4 地址将被用尽。 2 网络号码匮乏 在i p v 4 中，a 类网络只有1 2 6 个每个能容纳1 亿多个主机；b 类 网络也仅有1 6 3 8 2 个，每个能容纳6 万多个主机；c 类网络虽多达2 0 9 万余个，但每个只能容纳2 5 4 个主机。随着i s p 的激增，这三类地址很 快被占满，新出现的网络难以加入i n t e r n e t 。 3 路由表急剧膨胀 随着i s p 数目的增长，路由表已经占满了路由器的所有内存，导致 网络异常的恶性故障。如不采取措施，i n t e r n e t 可能在地址枯竭之前就 会瘫痪。这是由于 p v 4 的地址体系结构是非层次化的，每增加一个子 网路由器就增加一个表项，使路由器不堪重负。 2 , 1 2 暂时缓解三大危机的措旌 北京邮电大学硕士论文：基q - n 络处理器的i p v 6 路由 l 的设计与实现 图2 1 ：延长i p v 4 寿命的对策 i p v 6 就是为了解决这三个根本缺陷而设计的，然而，未及等到i p v 6 正式推出，就已找到解决上述危机的暂时性对策。换句话说，暂时不用 p v 6 ，采用内部地址( p r i v a t ea d d r e s s ) 、无类别域间路由( c i d r ：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 ) 可延长i p v 4 的使用寿命( 参阅图2 一1 ) 。 1 利用内部地址弥补i p 地址的不足 1 9 9 4 年i e t f 以r f c l5 9 7 文件发布了面向内部网( i n t r a n e t ) 的i p 地址用法。具体地说，内部地址不作连接i n t e r n e t 的地址使用，因此， 即使一个地址被多个组织重复使用也不会发生问题。 使用内部地址的组织和i n t e r n e t 相连时，只需在i n t r a n e t 和i n t e r n e t 的连接点上进行地址变换即可。这样一来，一个组织只要得到几个 i n t e r n e t 用的i p 地址就能将成千上万的内部网终端连到i n t e r n e t 上。另 一方面，由于使用内部地址的l a n 大量增加，使地址重复的危险增大。 2 用c i d r 扩大网络号码 1 9 9 3 年推出了c i d r 技术。它可以用比c 类网络更小的地址块来划 分i p 地址。虽然这样一来分配给一个组织的i p 地址减少了，但能获得 i p 地址的组织却增加了。 3 地址层次化可抑制路径数 c i d r 也具有抑制路由表增长的作用。 c i d r 将地址块作父、子、孙的分层。用户使用的i p 地址必然包含 在其所属的i s p 地址块中。因此，用i s p 的地址块可代表其下属的网络 及用户，减少了路由表项。 2 1 3 彻底消除三大危机的措施一导入i p v 6 为了克服i p v 4 的三大缺陷，i e t f 于1 9 9 2 年开始开发i p v 6 协议， 1 9 9 5 年1 2 月以r f c l8 8 3 文件公布了建议标准( p r o p o s a ls t a n d a r d ) ，1 9 9 6 年7 月和1 9 9 7 年1 1 月先后发布了版本2 和2 1 的草案标准( d r a f t s t a n d a r d ) ，1 9 9 8 年7 月以r f c 2 3 7 4 进一步定义了可聚类的全局单目地 址。i p v 6 继承了i p v 4 的优点，并根据i p v 41 0 年来运用的经验进行了大 幅度的修改和功能扩充。i p 协议的变化对t c p i p 协议栈的许多协议发 生影响。事实上，在现行的t c p i p 标准中至少有5 8 个标准为适应i p v 6 而必须修订。i p v 6 比i p v 4 处理性能更加强大、高效。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 1 i p v 6 提供巨大的地址空间 i p v 6 的i p 地址域为1 2 8 比特，拥有2 ”8 巨大的地址空间。理论上这 一规模能够对地球表面的每一平方米提供6 、6 5 x 1 0 2 3 个网络地址。和 i p v 4 相同，因地址分层运用，实际可用的总数要小得多。但保守的估计 每平方米也有1 6 0 0 个i p 地址。i p v 6 的目标是：通过1 0 ”个网络连接1 0 ” 台计算机。 i e t f 认为采用内部地址和c i d r 缓解i p v 4 地址空间的不足是暂时 的，到2 0 0 8 年左右地址将被分光用尽，估计到2 0 1 0 年i p v 4 将停止使 用。在人口众多的中国和印度等i n t e r n e t 尚不普及的国家中，这一日程 还会提前。 采用i p v 6 地址后，不仅每个人拥有一个i p 地址，就连未来的电话、 冰箱等每一台信息家电设备都能分到一个i p 地址。一个人拥有1 0 0 个 i p 地址也并非梦想。 2 i p v 6 具有与网络适配的层次地址 和i p v 4 一样，i p v 6 的i p 地址分成表示特定网络的网络前缀和表示 主机或服务器的主机地址二部分。如图2 2 所示，在1 2 8 位中高6 4 比 特表示网络前缀，低6 4 比特表示主机。 为将网络前缀分成多个层次的网络，又将其分成13 比特的顶级聚类 标识符t l a ( t o p l e v e la g g r e g a t i o n ) 一i d ，2 4 比特的次级聚类标识符 n l a ( n e x t l e v e la g g r e g a t i o n ) 1 d 和1 6 比特的网点级聚类标识符 s l a ( s i t e l e v e la g g r e g a t i o n ) i d 。首先，由管理l p v 6 的组织将某一确定的 t l a 值分配给某个骨干网的i s p 。它拥有1 0 4 比特这样巨大的地址块。 骨干网的i s p 再将地址块细分，分配给各个地区中小i s p 。用户从地区 中小i s p 分到地址块。 3 i p v 6 寻路效率比c i d r 高 层次化分配1 p 地址可减小路由器中路由表的规模，从而减少了存储 器的容量和c p u 的开销，提高了查表和转发i p 分组的速度。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 图2 2 ：i p v 6 按网络结构层次化地分配地址 2 2i p v 6 协议整体简介 i p v 6 是继i p v 4 r f c 7 9 1 以后，i n t e r n e t 协议的一个新版本。由i p v 4 到 i p v 6 的改变主要集中在以下几个方面： 地址容量的扩展：i p v 6 把i p 地址的大小从3 2 位增至1 2 8 位，可以 支持更多的地址层次，更大数量的节点，以及更简单的地址自动配 置。 包头格式的简化：一些i p v 4 包头字段被删除或者成为可选字段， 减少了一般情况下包的处理开销以及i p v 6 包头占用的带宽。 - 支持扩展和选项的改进：i p 包头选项编码方式的修改导致更加高效 的传输，在选项长度方面更少的限制，以及将来引入新的选项时更 强的适应性。 - 数据流标签的能力：加入一个新的能力，使得那些发送者要求特殊 处理的属于特别的传输“流”的包能够贴上“标签”，比如非缺省 质量的服务或者“实时”服务。 一 认证和保密的能力 具体而言，i p v 6 协议中的重点及相关协议的说明如下： 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 2 2 1i p v 6 的特点 - 源地址和目的地地址间的路由器只处理“h o p b y h o p ”头和路由头； - 头的长度随网络和实际应用的要求而变化； - 管理简单便于大规模部署； 支持q o s ，具有流标记、支持实时通信： - i p 安全性：内置的全球性地址便于端到端的安全性管理，i p v 6 包 含包加密和源地址鉴权； - 鉴权头和安全加载包装头、密钥管理； - i p v 6 为手机上网提供了良好的协议平台和许多增值特性，将成为全 球移动i p 的基础： - 对多点广播和任意点广播的支持； 对实时多媒体和其它方面应用的支持。 2 2 2i p v 6 包头格式 i p v 6 包头格式包含以下内容： - 版本：4 位i n t e r n e t 协议版本号= 6 。 - 传输类别：8 位传输类别字段。 数据流标签：2 0 位数据流标签。 - 有效数据长度：1 6 位无符号整数，i p v 6 有效数据长度。也就是以 八位组为单位，在这个包中i p v 6 包头后面的其余部分的长度。注 意，扩展包头将被认为是有效数据的一部分，计算在长度里。 一 下一个包头：8 位选择器。标识紧接在i p v 6 包头后面的下一个包头 的类型。使用与i p v 4 协议字段相同的数值。 跳数限制：8 位无符号整数。在每个传输此包的节点处递减l 。如 果跳数限制减为零，就抛弃此包。 - 源地址：1 2 8 位包的发送者的地址。 - 目的地址：1 2 8 位包的预期接收者的地址，如果存在路由包头的话 可能不是最终的接收者。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的l p v 6 路由器的设计与实现 图2 3 ：i p v 4 和i p v 6 包头格式的比较 2 2 3l p v 6 扩展包头 在i p v 6 里，可选的网络层信息在个独立的包头编码，放在包中 i p v 6 包头与上层协议包头之间。有这样几个为数不多的扩展包头，每个 包头由不同的“下一个包头”的值来标识。一个i p v 6 包头可以携带零 个、一个或者更多的扩展包头，每个扩展包头由前一个包头中的“下一 个包头”字段标识。 i p v 6h e a d n e x th e a d = t c p t c ph e a d + d a t a i p v 6h e a d l l e x th e a d = r o u tl n gh e a d n e x th e a d = t c p t c ph e a d + d a t a r o u t i n g i p v 6h e a d r o u t i n gh e a d n e x th e a d =n e x th e a d = f r a g e m e n th e a df r a g e m e n to ft c ph e a d n e x th e a d = t c p+ d a t a r o u ti n g f r a g e m e n t 图2 4 i p v 6 扩展包头 扩展包头的顺序：当在同一个包中使用多于一个扩展包头时，建议 以如下顺序排列这些包头：i p v 6 包头、逐跳选项包头、目的地址选项包 头、路由包头、分片包头、认证包头封、安全有效数据包头、目的地址 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 选项包头和上层协议包头 选项：目前已定义的扩展包头有2 个包括：逐跳选项包头和目的地 址选项包头，携带不定数量的以类型一长度一值t l v 格式进行编码的 选项。逐跳选项包头用于传送必须由包的传送路径中的每个节点检测的 可选信息。目的地址选项包头用于携带只需由包的目的节点检测的可选 信息。 路由包头：用于i p v 6 源节点列出到包的目的节点的路径中所访问的 一个或多个中间节点。 分片包头：l p v 6 源节点使用分片包头来发送大于去往目的节点的路 径m t u 的包。 无下一个包头：i p v 6 包头或者扩展包头中“下一个包头”的值为5 9 表示这个包头后面没有其他的包头了。 2 2 4 包的大小 i p v 6 要求互联网上的每条链路具有1 2 8 0 或更多个八位组的m t u 。 2 2 5 相关协议的升级 如果要与i p v 6 互操作，至少要修改u d p 和t c p ，以适应1 2 8 位i p v 6 地址。这意味着u d p 和t c p 需要识别i p v 6 地址，并能正确计算伪报头。 对于t c p ，其实现还必须能够管理基于i p v 6 地址的链路。如果移动i p 在t c p 连接的中间切换网络，它必须在切换之后重新协商连接。某种 意义下，对于支持移动主机的无缝互操作，t c p n g 是很必要的。 诸如以太网和a t m 之类的链路层协议由于i p v 6 的升级而受到的影 响很小。 i p v 6 不再执行地址解析协议( a r p ) 或反向地址解析协议( r a r p ) 。 r f c1 9 7 0 ( i p v 6 的邻居发现) 中描述了邻居发现机制。 2 3 i p v 6 路由器 和i p v 4 路由器相比，在结构上i p v 6 路由器没有什么本质的变化，仍然 包括主控板、各种接口板、交换板和背板等几大单元( 当然，对于低端的 产品，这些单元并不都是必需的) 。主要的区别在硬件和软件的实现方面。 硬件需要支持i p v 6 的网络处理器( n p u ) ，以及更快速和更高容量的c a m ( 根据内容访问的存储器) 存储芯片，而这方面目前还缺乏成熟的产品。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路瘤器的设计与实现 软件方面需要对原有的协议栈进行重新实现，这将涉及大量的程序修改和 编译、调试工作，此外还需要增加一些新的协议和功能，如i d r p ( 域问路 由协议) 、即插即用支持、q o s 的全面支持等。难点主要是： - 大规模路由表的实现：需要与i p v 6 网络处理器密切配合使用，需要 支持线速的查询和维护操作。 - 软件套件的实现：包括路由协议、底层驱动程序、管理软件等。 - q o s 保证：i p v 6 将承担多媒体业务的传输，需要对音频和视频等流 式服务提供内置的支持。 - 互通性保证：开发的i p v 6 路由器必须和其他厂家的产品互通，这需 要大量的实验，所幸的是，国际上已经有了6 b o n e 实验网，我国 的教育科研网也提供了i p v 6 实验床，这为将来的产品提供了大规模 测试环境。 总的来说，i p v 6 路由器更加面向用户( 即插即用) 、面向业务( q o s ) ， 以及更加便于管理( 流量工程) 。并且，随着网络带宽需求的增长，市 场将对i p v 6 路由器的端口速度、密度和软件等参数提出更高的要求。 2 4i p v 4 向i p v 6 的过渡 尽管i p v 6 比i p v 4 具有明显的先进性，但是i e t f 认识到，要想在短时 间内将互联网和各个企业网络中的所有系统全部从i p v 4 升级到i p v 6 是不 可能的，换言之，i p v 6 与i p v 4 系统在互联网中长期共存是不可避免的现实。 i p v 4 到i p v 6 的过渡步骤： 1 i p v 6 孤岛i p v 4 海洋：在i p v 4 隧道中采用自动或手动方式配置i p v 6 ， 通过t p v 4i n t e r 矗t 联接网络中i p v 6 孤岛，给移动用户提供i p v 6 业 务。其他i p v 6 池务，如i p v 6 企业接入网是i p v 4i n t e r n e t 采取自动或 手动配置隧道方式获得的。 2 i p v 6 海洋i p v 4 孤岛：应用i p v 4i n t e m e t 的隧道技术，在i p v 6 平台上 实现众多业务。i p v 6 占据主导位置，所有业务均在i p v 6 平台上。i p v 6 i n t e m e t 具备全球通信连接性能。 3 全部为i p v 6 路由器 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的1 p v 6 路由器的设计与实现 图2 5 ：i p v 6 路由器的过渡阶段 为了与现存的i p v 4 主机和i p v 4 结构共存，i p v 6 的主机和路由器可 以采用下面3 种i p v 6 的转换模式： 双栈技术：网络上的主机和路由器完全支持i p v 4 和i p v 6 协议。 隧道技术：在i p v 6 报文上封装i p v 4 的包头这样i p v 6 的数据包就 司以顺利通过i p v 4 的网络。隧道技术又分约配置隧道和自动隧道。 协议转换技术：把i p v 6 协议转换到i p v 4 协议或者把i p v 4 协议转换 到i p v 6 协议，这样i p v 6 的设各就可以和任何i p v 4 的主机通信。 2 4 1i p v 4 i p v 6 双栈方案 i p v 4ji p v 6 双栈节点与其他类型的多栈节点的工作方式相同。链路 层接收到数据段，拆歼著检查色头。如果i p v 4 i p v 6 头中的第一个字段， 即i p 包的版本号是4 该包就由i p v 4 栈来处理；如果版本号是6 ，则 由i p v 6 栈处理。 最简单的双栈工作是只支持i p v 4 和i p v 6 ，但不支持隧道方式。对于 大多数节点，尤其是如果这些节点的i n t e r n e t | 立用软件都已升级为同时 支持i p v 4 和i p v 6 ，通讯已经足够。因此，如同用于访问i p v 4 网络服务 一样同一应用也能够用于访问本地1 p v 6 网络服务。节点可以与任何 i p v 4 节点或i p v 6 节点互操作，但只限于与其有连接能力的网络。 在图2 6 的示例中，可以与双栈节点d 互操作的节点包括：网络 a 和网络b 中的i p v 4 节点或i p v 6 节点、网络m 中的所有i p v 4 节点， 但d 不能和网络c 中的节点互操作。网络c 是严格的i p v 6 网络，从网 络a 到网络c 没有i p v 6 路径。链接网络a 和网络m 的路由器只支持 i p v 4 ，因此无法通过网络m 向网络c 转发i p v 6 包。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 图2 6 ：双栈方案 支持隧道方式的双栈节点增加了在i p v 4 网络上进行互操作的能力，而 无需额外的i p v 6 路由器。在i p v 4 网络上以隧道方式传送i p v 6 包使图2 6 中的示例得以改变。例如，如果节点d 能在i p v 4 上以隧道方式传送i p v 6 包，则它可使用本地i p v 4 路由器将包转发给网络c 。如果节点同时支持自 动隧道，则可实现无缝操作：否则需要某些链接配置。 2 4 2 隧道方案 隧道方案用于连接处于i p v 4 海洋中的各孤立的i p v 6 岛。此方法要 求隧道两端的i p v 6 节点都是双栈节点，即也能够发送1 p v 4 包。将i p v 6 封装在i p x ，4 中的过程与其他协议封装相似：隧道一端的节点把i p v 6 数 据报作为要发送给隧道另一端节点的i p v 4 包中的净荷数据，这样就产 生了包含i p v 6 数据报的i p v 4 数据报流。 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 图2 7 ：i p x ，4 网络边缘i p v 6 域的配置 在这个方案中： 所有的i p x j 4 和i p v 6 路由器可以进行正常的包的转发。 在i p v 4 一i p 、6 连接的边缘应该采用适当的机制，这样i p v 4 的路由器 只看到i p v 4 的包文。 i p v 4 云不需要任何改变 1 p v 4 云上的i p x ，6 站点的通信都是通过隧道完成的，把i p v 6 数据报 转换成单播的i p v 4 的数据包。如图2 7 ，r 1 和r 2 为2 个1 p v 6 路由器， 都具备隧道的功能。r 1 完成所有的通过i p v 4 接口的i p v 6 数据报的封装， r 2 必须解封装这些数据包。设想有一个的1 p v 6 数据报从i p v 6 云1 发送 出来，到i p v 6 云2 ，当r l 转发这样的数据报的时候，要把它封装到i p v 4 数据包里，目的i p 的地址应该是隧道的终端b 的i p v 4 地址。源i p 的 地址应该是隧道的起点i p v 4 a 地址。 在图2 8 中，节点a 和节点b 都是只支持i p x ，6 的节点。如果节点 a 要向b 发送包，a 只是简单地把i p v 6 头的目的地址设为b 的i p v 6 地 址，然后传递给路由器x ：x 对i p v 6 包进行封装，然后将i p v 4 头的目 的地址设为路由器y 的i p v 4 地址；若路由器y 收到此i p v 4 包，则首先 拆包，如果发现被封装的i p v 6 包是发给节点b 的，y 就将此包正确地 转发给b 。 北京邮电大学硕士论文：一基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 图2 8 隧道方案 i p v 6o v e ri p v 4 上的隧道主要有2 类：配置隧道和自动隧道。 配置隧道 i p v 4 隧道的终点的地址由封装节点的配置信息决定，隧道可阱是单 向的也可以是双向的，双向的配置隧道起到虚拟的点对点链接的作用。 配置隧道是通过检查隧道的终点i p v 4 地址来确认的。一般来说，i p v 6 路由表中，下一一跳地址为i p v 6 地址，但是在配置隧道中，下一跳信息 为i p v 4 地址。查询过程中隧道被看成一跳，i p v 6 数据报的下一跳i p v 4 地址是隧道的终点。 自动隧道 自动隧道：隧道的终点取决于在i p v 6 数据包中的兼容i p v 4 的i p v 6 目的地址中。自动隧道允许i p v 6 i p v 4 节点在预先没有配置通道的i p v 4 框架下通信。 执行自动隧道的i p v 6 i p v 4 节点被分配了兼容i p v 4 的i p v 6 地址。 r f c 2 8 9 3 提出，兼容i p v 4 地址的前9 6 b i t 为0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ，后3 2 b i t 为i p v 4 地址。 一 6 t 0 4 隧道 6 t 0 4 自动隧道：r f c 3 0 5 6 提出的在没有确切的隧道的时候，i p v 6 域 通过i p v 4 隧道的模型。i p v 6 路由的时候，隧道自动检测和建立。6 t 0 4 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 的i p v 6 地址是以0 x 2 0 0 2 ：i p v 4 a d d r ：4 8 为前缀。 l h 4 畦畦 ；嚣黜晶。 ；o r a l ：4 ”1 7 。 图2 9 ：6 t 0 4 隧道 1 9 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器韵l p v 6 路由器的设计与实现 第三章基于i x p l 2 0 0 的网络处理器的三层转发的调测 i n t e l 公司提供了基于i x p l 2 0 0 的3 层转发的参考设计，我们的许多应 用都是在此上，添加了不同的应用，从而完成了安全路由器、m p l s 路 由器、i p v 6 路由器的设计但这个参考设计的性能如何，是否达到线速 昵，所以我们开展了三层转发的调试的工作。 3 1 三层转发的原理 层名称 7 应用层 6表示层 f 5 ， 会话层 1 4传输层 3网络层 2数据链路层 1物理层 表3 1 ：开放系统互连( o s i ) 参考模型 物理层：是o s i 的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的 基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传 输提供可靠的环境。 数据链路层：负责在两个结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位 的数据。数据链路的建立、拆除，对数据的检错、纠错是数据链路层的基 本任务。 网络层：网络层传送的数据是分组或包。它的任务就是要选择合适的 路由和交换结点使发送站的传输层所传下来的分组能够正确无误地按照 地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。 传输层：传输信息的单位是报文。当报文较长时，先分成几个分组，然 后再交给下一层( 网络层) 进行传输。它可根据通信子网的特征最佳地利 用网络资源，并以可靠和经济的方式，在两个端系统( 源站和目的站) 的 会话层之间，建立一条运输连接，以透明地传送报文。或者说，运输层为 北京邮电大学硕士论文：基于网络处理器的i p v 6 路由器的设计与实现 上一层( 会话层) 提供一个可