（通信与信息系统专业论文）校园网过渡方案研究及ipv4_ipv6综合组网实验设计.pdf

哈尔滨：r ：稗大学硕十学位论文 摘要 随着i n t e r n e t 的飞速发展，目前基于i p v 4 的互联网在实际应用中越来越暴 露出其不足之处：如地址空间的日益耗尽、服务质量、网络安全等问题。这 些问题己经成为制约互联网发展的严重障碍，只有通过下一代互联网的建设 才能彻底、有效地解决上述问题，于是基于i p v 6 互联网技术应运而生了。i p v 6 作为i n t e m e t 协议的下一版本，取代i p v 4 己成必然。i p v 4 向i p v 6 的过渡不可能 一蹴而就，在很长一段时间内两者会共存。如何平滑、渐进地过渡至t j i p v 6 是 必须要解决的一个问题。 同样，如今作为院校教学科研的重要网络一校园网，也面临相同的问题， 需要升级改造。但要使整个网络从i p v 4 过渡至t j i p v 6 需要比较长的时间，所以 两种网络将在很长一段时间内长期共存。下一步研究的重点已转向对不同的 网络应用环境有针对性的提出i p v 4 i p v 6 综合组网方案。这也是我们所要讨论 的问题，即如何组建i p v 4 i p v 6 综合校园网。 本文首先介绍了i p v 6 协议，包括i p v 6 新特性、i p v 6 报文结构以及与i p v 4 的对比、i p v 6 址体系结构、i p v 6 路由协议等重要技术：然后详细介绍了从i p v 4 至t j i p v 6 的过渡技术，重点分析了实现i p v 6 网络之间互通的隧道技术以及实现 i p v 4 与i p v 6 互通的协议转换技术。 接着，针对哈尔滨工程大学校园网现状提出了实现从i p v 4 向i p v 6 过渡的 三期综合组网方案。随后，在l i n u x 和w i n d o w s 混合操作系统平台下，设计并 组建了一个基于隧道技术和软路由技术的i p v 4 i p v 6 综合网络实验平台。此外， 还设计并组建了结合d n s 的协议转换实验平台，最后通过隧道实验、n a t - p t 实验验证综合组网方案的技术可行性，并得出一系列结论。 关键词：i p v 6 ；过渡技术；隧道：n a t - p t ；综合组网 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，i n t e r n e tb a s e do ni p v 4h a se x p o s e d m u c hd i s a d v a n t a g ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s u c ha st h ea d d r e s ss p a c ee x h a u s t i n g d a yb yd a y , s e r v i c eq u a l i t y , n e t s e c u r i t y , e t c t h e s eq u e s t i o n s r e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fi n t e m e tb a d l y ，a n d t h e s eq u e s t i o n sa r es o l v e dc o m p l e t e l ya n d e f f e c t i v e l yo n l yt h r o u g ht h ec o n s t r u c t i o no fn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，s oi p v 6h a s a 打s e n a st h en e x te d i t i o no fi n t e m e tp r o t o c o l ，i p v 6r e p l a c i n gi p v 4b e c o m e s t h e i n e v i t a b l yt r e n do ft e c h n o l o g y i p v 4r e p l a c e db y i p v 6c o u l d n tb eb r o u g h tt o s u c c e s si no n en i g h tt h a t ，t h e yw i l lc o e x i s tw i t h i nav e r yl o n gt i m e i tm u s tb e s o l v e dh o wt ot r a n s i tt oi p v 6g r a d u a l l ya n ds m o o t h l y c a m p u sn e t w o r k i si m p o r t a n tn e t w o r kf o ra c t i o nt e a c h i n ga n d s c i e n c e r e s e a r c hi na c a d e m ya n di ti sc o n f r o n t e dw i t ht h es a m eq u e s t i o ns oi tn e e d st ob e u p d a t e da n dr e b u i l t w h e r e a s ，i tw i l ls p e n dm u c ht i m ef o rt h e e n t i r et r a n s i t i o n f 如mi p v 4t oi p v 6 ，s ot h e yw o u l dc o e x i s t e n c ef o rap e r i o do ft i m e t h en e x t r e s e a r c hf o c u so nt h ep r o p o s e ds c h e m eo fs e t t i n gu pi p v 4 i p v 6c o m p o s i t i v e r l e r ki nd i f f e r e n tn e t w o r k sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t t h i si s t h ep r o b l e mw e a r eg o i n gt od i s c u s s ，n a m e l y ，h o ww es e tu pi p v 4 i p v 6c o m p o s i t i v ec a m p u s n e t w o r k t h i s p a p e r f i r s ti n t r o d u c e st h ei p v 6p r o t o c o l s ，i n c l u d i n g t h en e w c h a r a c t e r i s t i c so fi p v 6 ，t h ei p v 6 sm e s s a g es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r a s tw i t hi p v 4 ， t h ei p v 6a d d r e s s i n ga r c h i t e c t u r e ，t h ei p v 6r o u t ep r o t o c o l ，e t c t h e nw e i n t r o d u c e d t h et r a n s i t i o n st e c h n i q u ef r o mi p v 4t oi p v 6i nd e t a i l ，a n df o c u s e so na n a l y z i n g t u n n e lt e c h n i q u eo fs o l v i n gt h ei p v 6n e t w o r kc o r r e s p o n d e n c e ，a n dp r o t o c o l t r a n s l a t i o nt e c h n i q u eo fs o l v i n gt h ec o r r e s p o n d e n c eo f i p v 4a n di p v 6 t h e n a i m e da tt h ea c t u a ln e t w o r ks t a t eo fh a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y , w e p r o p o s ec o m p o s i t i v en e t w o r ks c h e m eb yt h r e ep h a s e so fs o l v i n gt h e t r a n s i t i o n s f 如mi p v 4t oi p v 6 n e x t ，w ed e s i g n e da n db u i l t t h ei p v 4 i p v 6c o m p o s i t i v e n e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nt u n n e l i n ga n ds o f tr o u t eu n d e rl i n u xa n d 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 w i n d o w sm i x e do p e r a t i o ns y s t e m w i t h a lw ed e s i g n e da n db u i l tt h ep r o t o c o l t r a n s l a t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc o m b i n et h ed n s a tl a s ta c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so ft u n n e la n dn a t - p te x p e r i m e n tw ec a nc e r t i f yt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo f t h ec o m p o s i t i v en e t w o r ks c h e m e ，a n dg i v e sas e r i e so fc o n c l u s i o n s k e y w o r d s ：i p v 6 ；t r a n s i t i o nt e c h n i q u e ；t u n n e l ；n a t - p t ；c o m p o s i t i v en e t w o r k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：铲 日期：弘哆罗年夕月2 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1jp v 6 的诞生背景 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代后期，互联网的发展超乎常人想象，人们对信息资源开 发和利用进入了一个全新的阶段。基于i p v 4 协议的互联网在产生了巨大的经 济效益和社会效益的同时也暴露出一些严重制约互联网发展的问题，如口地 址空间将在不远的将来消耗殆尽、路由表庞大造成路由效率不高、缺乏q o s 和可靠的安全性等，其中地址空间有限问题尤其显得突出和紧迫，据地址生 命期预测工作组预言，因特网的公有口v 4 地址将在2 0 1 2 年前用完。d v 4 采 用3 2 位的地址长度，理论上可以提供大约4 3 亿个p 地址，但i p v 4 的地址 分配策略使得事实上可用的地址数量远远低于理论值，如果再考虑到未来信 息家电和传感器网络对i p 地址的巨大需求，即使4 3 亿d 地址都可以用，也 远远不够! 虽然各方面都在研究一些补救的方法，如用地址翻译( n a t ) 来 缓解口地址的紧张，用无类域间路由选择( c d r ) 来改善路由性能等，但 这些方法只能给p v 4 部分缓解，并不能完全解决其先天的不足u 1 。 为了解决以上这些问题。1 9 9 0 年i e t f 开始着手开发口的新版本。i e t f 口1 于1 9 9 3 年下半年成立了i p n g 工作组，专门负责下一代i p 协议的制定与研究 工作；1 9 9 2 1 9 9 4 年，i p n g 工作组收到了若干提案；1 9 9 4 年夏，i p n g 工作组 提出了下一代p 网络协议( i p v 6 ) 的推荐版本：i p n g 工作组在1 9 9 4 年9 月 提出了一个正式的草案“t h er e c o m m e n d a t i o nf o rt h ei pn e x tg e n e r a t i o np r o t o c o l r f c l 7 5 2 】，1 9 9 5 年底确定了i p n g 的协议规范，并由i a n a 分配了 版本号6 ，称为“i pv e r s i o n6 ( i p v 6 ) ；1 9 9 6 年，i e t f 发起成立了全球i p 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 与网络中现行的i p v 4 协议 兼容；1 9 9 8 年，启动面向实用的i p v 6 教育科研网6 r e n ；1 9 9 9 年，i p v 6 协 议基本确定，成立了i p v 6 论坛，开始正式分配i p v 6 地址，i p v 6 的协议文本 成为标准草案：同年，成立了i p v 6 论坛，开始正式分配i p v 6 地址，i p v 6 的 协议文本成为标准草剽3 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国际ip v 6 发展进程 国际上目前主要由因特网工程任务组织i e t f 负责i p v 6 协议制订工作。 在t f 中，有两个工作组与制订i p v 6 协议工作有关：一个是i p n g ( 下一代 因特网协议) 工作组，或者口v 6 工作组，成立于1 9 9 3 年，主要负责i p v 6 有 关的基础协议的制订；另一个是v 6 0 p s ，即原来的n g t r a n s ( - f 一代网络演进) 工作组，主要负责与下一代网络演进有关的标准制订，该工作组在网络演进 方面提出了不少互联网标准，被有效地用于i p v 6 商用网的建设嗍。 目前，鉴于l p v 6 的重要性以及矾6 协议对下一代网络( n g n ) 的巨大 影响，越来越多的国际标准化组织加入i p v 6 标准的制订行列。尤其是随着 3 g 全口解决方案的提出，i p v 6 已成为互联网和移动通信网的公用基本协议。 尽管i p v 6 标准发源于互联网行业，但是从商业意义上来说，移动通信行业可 能是最早和最大的受益方之一。因此，除了t f 外，3 g p p 和i t u t 也成立 了相应的工作组来制订与i p v 6 相关的标准。2 0 0 1 年5 月，3 g 标准化组织3 g p p 采纳i p v 6 为多媒体服务的必选协议，这意味着3 g p p 移动网络中m 多媒体 领域将全部基于i p v 6 。此外，i e t f 和3 g p p 最近联合组成了一个工作组，以 便协调i p v 6 标准在第三代通信系统中的应用。 在全球范围内的基于i p v 6 的研究主要通过6 b o n e 【5 1 ，这是i e t f 在1 9 9 6 年建立的全球范围的i p v 6 实验床，一个重要的设计目标是实现l p v 6 与网络 中现行的v 4 协议兼容。到1 9 9 8 年年初，i p v 6 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。1 9 9 8 年，面向实用的全球性i p v 6 研 究和教育网( 6 砌狲) 启动，建立了物理的以a t m 为中心的i p v 6 洲际网。1 9 9 9 年以后，i p v 6 协议基本确定。当前，i p v 6 研究的热点集中在i p v 4 到i p v 6 的 过渡策略等问题上。 1 2 2ip v 6 的区域发展现状 从区域上看，目前美国和欧洲国家对i p v 6 的发展以研究和实验为主体， 日本和韩国等亚洲国家则在i p v 6 的商用及业务开展方面处于领先地位，中国 哈尔滨r 稗大学硕十学忙论文 起步晚于同本和韩国等国，但是中国互联网和通信市场的巨大空间和自i 景， 都使中国有机会、有潜力成为未来i p v 6 产业化进程中举足轻重的一部分。以 下部分将扼要介绍i p v 6 在全球各主要区域与国家的发展状况。 1 在美国，美国是i p v 4 的发源地，地址资源和商业应用占据了先天的 优势，因此目前既没有地址短缺的忧虑，也不愿意改动花费巨资构建的i p v 4 商业网络体系，所以美国主要以世界i p v 6 研究、协调中心的面目出现。比较 典型的i p v 6 网络有美国能源网络6 b o n e ，6 r e n ，e s n e t 和i n t e n e t 2 ( a b l e n e ) 等。 2 在欧洲，欧洲国家政府在推广i p v 6 方面发挥着重要的作用，欧洲的移 动通信事业相当发达，因此它们在i p v 6 的研究和商业化应用方面更注重移动 通信领域的扩展，在第三代移动网中率先引入了i p v 6 。目前，欧洲各国均已 建设了国内的i p v 6 骨干网络，并且在此基础上丌展了商用服务以及技术研究， 各大公司，如诺基亚、爱立信、法国电信、英国b t - w i r e l e s s 等欧洲公司一直 是i p v 6 研究方向的主要引导者。 3 在r 本，同本是后起之秀，但由于电子设备和信息家电产业高度发达， 因此产生了对i p 地址的迫切需求，所以她在i p v 6 研究和应用方面，步伐大、 速度快，可以说，在全球i p v 6 商用服务、产品及应用丌发方面，同本目前处 于领先的地位。 2 0 0 1 年3 月，同本明确规定在2 0 0 5 年完成互联网i 向i p v 6 的过渡，投巨资支 持i p v 6 ，全面部署实施i p v 6 的网络坏境，将所有家庭与光纤网连接，让所有 家电产品都能上网，使同本的网络普及率提高到全球最高水平。为实现五年 内使日本成为全球最先进的i t 国家的目标，同本政府专门成立了“官产学研 组织”，致力于i p v 6 的产业化的各项工作，其中以同立公司的i p v 6 路由产品为 代表。2 0 0 0 年1 2 月，由同立推出的支持i p v 4 i p v 6 的干兆位路由器g r 2 0 0 0 接入 g b e o c 4 8 p o s 的高速大型同本本国i p v 6 网络丁f 式启动。2 0 0 0 年l o 月，同本i i t 公司和n t t 通讯、n e c 、k d 2 0 1 、和j e n s 等公司都宣布丌始提供i p v 6 服务。 2 0 0 2 年n t t 公司在全球第一家推出i p v 6 商用服务。至今，同本已经有1 0 多家 运营商及i s p 提供i p v 6 商用服务。此外，w i d e 项目将在东京建立超过2 0 个i s p 直接互连在一起的试验性i p v 6 i x 网( i n t e r n e te x c h a n g e ) ，这也是世界上最大 i 勺i p v 6 1 x 之州。 4 在中国，从2 0 世纪9 0 年代术起，在相关部委科技计划的支持下，一批 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i p v 6 关键技术研究课题作为国家重大专项立项，并陆续取得了突破性成果， 为中国开展以i p v 6 为基础核心协议的下一代互联网的研究奠定了较好的基 础。与此同时，在i p v 6 实验床及实验网络方面，相关研究机构、高校、厂商 及运营商也已陆续开始跟踪与关注，相继建成了中国高速互联研究实验网络 n s f c n e t 、下一代i p 电信实验网6 t n e t 、湖南i p v 6 实验网、中国电信集团i p v 6 实验网、中国高性能宽带信息网、中国教育与科研c e r n e ti p v 6 试验网和中 科院i p v 6 城域网等，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与经验。 1 9 9 8 年6 月，c e r n e t 加入了6 b o n e ，并于同年1 2 月成为其骨干成员p 1 。 2 0 0 3 年，国务院批准的国家级战略项目中国下一代互联网示范工程 c n g i 正式启动，其目标是成为产、学、研、用相结合的平台及中外合作开发 的开放平台。c n g i 建成后将成为全球最大的纯i p v 6 商用网络。c n g i 项目的 启动标志着我国i p v 6 进入了实质性发展阶段。 2 0 0 4 年1 2 月2 5 日，c n g i 核心网c e r n e t 2 正式开通，其用户网主要是全 国高校或科研单位的研究实验网。c e r n e t 2 是目前世界上规模最大的采用纯 i p v 6 技术的下一代互联网主干网。 同时，国内网络通讯设备商也在积极研究i p v 6 及其相关技术，并推出了 一些支持i p v 6 的产品。但总体上讲，目前国内从事i p v 6 协议研究的单位和人 员并不是太多，我国对i p v 6 的研究相比较于日本、瑞典等国家还有很大差距。 在高校里面，清华，北大，北邮，华南理工大，上海交大，西安交大， 科技大学等都建立了自己的i p v 6 实验室，希望在i p v 6 领域能有所建树，并且 也取得了一些小成就p 1 。 1 3 课题的研究背景和意义 基于i p v 4 协议互联网的成功发展产生了巨大的经济效益和社会效益，给 人民的生活带来了重大的变化，但同时也暴露出一些问题，而i p v 4 地址空间 有限是制约互联网发展的最大障碍。d v 4 地址不足的问题对于中国以及亚洲 尤为严重，因为i p v 4 地址资源在全球的分布是不均衡的，美国是口v 4 的发 源地和核心技术的掌握者，也是拥有i p v 4 地址资源最多的国家，以全球4 5 哈尔滨l ：科人学硕十学何论文 人口却j 爿j 有超过一半的i p v 4 地址，平均每个美国人享有6 个地址，而截至 2 0 0 7 年6 月底，占世界人口2 0 的中国所拥有的i p v 4 地址数量刚达到1 1 8 亿个。近年来，我国的计算机网络发展尤为迅速。2 0 0 7 年7 月1 8 同，中国 互联网络信息中心c n n i c 发布了第二十次“中国互联网络发展状况统计报 剖明”。报告中指出，截至到0 7 年6 月3 0r ，我国网民总人数达1 6 2 亿，仅 次于美国2 1 l 亿的网民规模，位居世界第二，0 7 年上半年增长量接近2 0 0 6 年全年增长量，每1 分钟就新增接近1 0 0 个网民。可见，中国未来需求的地 址空间将越来越大，形势越来越紧迫。只有大力发展以i p v 6 技术为核心的下 一代网络爿能从根本上解决问题。 i p v 6 替代i p v 4 己经是必然的趋势。但是，一方面，i p v 6 作为一种新的 协议，还有许多需要完善的地方，从诞生于实验室和研究所到实际应用于 i n t e m e t 是有着很大距离的，不可能要求立即将所有节点都演进到新的协议版 本。另一方面，i p v 4 已经成功地在i n t e r n e t 的平台上实施了2 0 多年，具有成 熟的软硬件环境，不可能在短时间内迅速被替代，所以这两种协议不可避免 地要有一个相当长的共存时期。如何解决i p v 4 到i p v 6 的平稳过渡和迁移， 是将来一段时间内摆在我们面前的严峻课题。这对于网络技术研究人员而言 是一个机遇，更是一个挑战。 校园网作为i p 网络形念之一，一直是i p 网络中最具有革新精神的。很 多i p 技术来源于校园网并走向成功，也有很多在此走向终结。i p v 6 发展将是 全方位的网络技术升级，结合校园网对i p v 6 各种技术进行研究与验证，对今 后大规模i p v 6 商业网络部署实施具有积极的参考价值。 中国教育科研网是由全国各大院校及科研机构组成的互联网组织，它的 发展，极大地促进了学校校园网的建设和资源信息共享。作为下一代教育科 研网的c e r n e t 2 是一个纯i p v 6 的骨干网”o 川，它是i p v 6 校园网的骨架，也 是i p v 6 校园网的一个日，j 提，随着c e r n e t 2 的建成，i p v 6 协议的相关实验 在各院校的校园网内也蓬勃开展起来。目前很多高校已经或丌始建设校园内 的i p v 6 网络，如清华大学、北京邮电大学、华南理工大学已经先后建成了i p v 6 实验网点并接入了c e r n e t 2 哈尔滨工程大学虽然也接入了c e r n e t 2 ，但 由于i p v 6 研究工作丌始的较晚，i p v 6 实验网正在建设当中。 c e r n e t 2 主干网采用纯i p v 6 协议，c e r n e t 2 从试验走向运营的第一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 道坎就是高校网络从i p v 4 到i p v 6 的过渡问题。因此，高校如何部署口v 6 、 如何实现校园网的过渡将成为大家始终非常关注的课题，这既是一大机遇也 是一大挑战。在校园网今后全面从i p v 4 升级到i p v 6 的过程中所面临的困难 也是可想而知的，所以，如何实现i p v 4 与i p v 6 的互操作及平滑过渡是目前 面临的重要问题，甚至是i p v 6 成败的关键技术。 1 4 论文主要工作及内容组织结构 1 4 1 论文的主要工作 本文研究的主要内容及主要工作包括以下方面： 1 对i p v 6 基本协议的熟悉和掌握，比较口v 4 和i p v 6 两种协议的异同、结 构特点及工作机理。 2 对m v 4 到口v 6 的过渡技术进行分析，特别是针对于当前使用得极为普 遍的几种过渡技术进行研究，探讨其机理。 3 立足于哈尔滨工程大学现有i p v 4 网络的基础之上，根据校园网现状以 及考虑网络的扩展需求，提出口v 4 到i p v 6 的三期过渡组网方案策略。 4 在缺少i p v 6 硬件路由设备的条件下，设法采用软件路由技术实现了 l i n u x 主机模拟i p v 4 f i p v 6 双栈路由实验平台。 5 在l i n u x 和w i n d o w s 双操作系统下，搭建了基于隧道及软路由技术的 i p v 4 i p v 6 混合组网实验平台。在平台上对过渡组网方案中采用的各种过渡技 术以及各种情况进行模拟实验，对组网方案进行可行性验证。 6 为模拟过渡组网中可能会出现的各种情况，在实验平台上设计并建立 了路由器一主机型、路由器一路由器型手工配置隧道和6 t 0 4 隧道，此外还搭 建了i p v 4 和i p v 6 的d n s j 艮务器，结合n a t - p t 进行协议转换实验。 1 4 2 论文的组织结构 本文分为六章，具体安排如下： 第一章：绪论，主要介绍了i p v 6 的国内外发展现状，论文的研究背景、 目的和意义，给出了本文的研究内容及论文的组织结构。 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 第二章：与i p v 4 进行比较，分析了i p v 6 的寻址、报文结构、i c m p v 6 、路 由和安全性等问题。 第三章：介绍目自订主要的一些i p v 4 向i p v 6 过渡的技术，就其中的隧道和 协议翻译技术进行了较详细的叙述分析。 第四章：分析校园网组网的必要性，深入探讨过渡组网原则及策略，结 合i p v 6 过渡技术，针对我校校园网现状提出可行的i p v 4 p v 6 校园网过渡组网 方案。 第五章：介绍分析了不同操作系统以及路由器对i p v 6 的支持情况，选取 并实现了实验用的操作系统平台以及软路由平台，并在此基础上搭建 i p v 4 i p v 6 混合组网实验平台，进行相关的i p v 6 过渡技术实验。 第六章：总结与展望，总结全文同时讨论了作者认为将来需要进一步解 决的一些问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章i p v 6 网络协议理论分析 2 1ip v 6 的技术新特性 2 1 1ip v 4 局限性 1 有限的地址空间 i p v 4 地址长度只有3 2 位，不足4 3 亿的地址己用掉了3 4 ，专家预计至u 2 0 1 0 年之前i p v 4 地址就会耗尽。 2 配置繁杂 i p v 4 节点配置比较复杂，普通用户一般需要在专业人员的指导下才能将 自己的计算机接入互联网。这中间可能需要设置i p 地址或者使用d h c p 、网关 地址、d n s 地址、甚至路由信息掣1 2 1 。 3 路由爆炸 由于历史原因，i p v 4 地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数 口地址空间的拓扑结构只有两层或者三层，这使得路由表项不能有效聚合， 导致路由表的迅速膨胀，路由器的转发效率和吞吐量随之下降。最终的结果 使得路由器不堪重负，i n t e m e t 的路由选择机制可能因此而崩溃。 4 服务质量 一方面，由于路由效率低而导致i p v 4 难以从根本上提供好的服务质量。 另一方面，i p v 4 尽最大努力传送数据包，它为上层协议提供的服务是不可靠 的，没有q o s ( 服务质量) 的概念。 5 安全性 尽管当前已经存在i p s e c 标准，但对i p v 4 来说是可选的，并且，现在的i p v 4 互联网中的绝大多数节点并不支持i p s e c ，所以i p v 4 的安全性是不可靠的。 2 1 1ip v 6 的新特性和优势 1 全新的报文结构 哈尔滨l ：稃人学硕十学何论文 i p v 6 数据包有全新的报文头，可最大程度地减少协议头的丌销。 2 巨大的地址空i 日j 近乎无限的i p 地址空阳j 是部署i p v 6 网络最大的优势。和i p v 4 相比，i p v 6 的地址比特数是i p v 4 的4 倍( 从3 2 位扩充到1 2 8 位) 。夸张地说，1 2 8 位地址可 以做到地球上的每一粒沙子都有一个i p 地址， 3 全新的地址配置方式 i p v 6 除了支持手工地址配置和有状态自动地址配置( 利用专用的地址分 配服务器动态分配地址) 外，还支持无状念地址配置，这使得主机能自动给 自己配詈i p v 6 地址。在同一链路上，所有主机不用人工干预就可以通信。 4 有效的、分级的寻址和路由结构 i p v 6 地址长度为1 2 8 位，可提供远大于i p v 4 的地址空间和网络前缀，因此 可以方便地进行网络的层次化部署。对于i s p ，则可获得更大的地址空间。这 样i s p 可以把所有客户聚合形成一个6 订缀并发布出去。分层聚合使全局路由表 项数量很少，转发效率更高。 5 内置的安全性 i p v 6 协议本身支持i p s e c ，这就为网络安全性提供了一种基于标准的解决 方案，提高了不同i p v 6 实现方案之间的互操作性。 6 更好的q o s 支持 i p v 6 在报头中新定义了一个叫做流标签的特殊字段，这使得网络中的路 由器可以对属于一个流的数据包进行识别，并提供特殊处理。用这个标签， 路由器无需打丌传送的内层数据包就可以识别流，这样即使数据包有效载荷 已经进行了加密，仍然可以实现对q o s 的支持。 7 内置的移动性 由于采用t r o u t i n gh e a d e r 和d e s t i n a t i o no p t i o nh e a d e r 等扩展报头，使得 i p v 6 提供了内置的移动性。 8 良好的扩展性 因为i p v 6 包头之后添加了扩展包头，i p v 6 可以很方便地实现功能扩展。 i p v 4 报头的选项最多可支持4 0 个字节的选项，而i p v 6 扩展报头的长度只受到 i p v 6 数据包的长度制约4 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 ip v 6 寻址 2 2 1 ip v 6 地址语法 在i p v 6 中，其1 2 8 位地址按每1 6 位划分为一个位段，每个位段转换为一个 4 位的十六进制数，并用冒号隔开，这种表示法称为冒号十六进制表示法。1 6 比特的十六进制数对大小写不敏感。如：f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：3 2 1 0 ：f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：3 2 1 0 。 另外，对于中间比特连续为0 的情况，还提供了零压缩方法。例如： 1 0 8 0 ：0 ：o ：0 ：8 ：8 0 0 ：2 0 0 c ：4 1 7 a等价于1 0 8 0 ：8 ：8 0 0 ：2 0 0 c ：4 1 7 a f f 0 1 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 0 1等价于f f 0 1 ：1 0 1 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：o ：0 ：1等价于：1 o ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：o ：0 等价于： 不过，在使用零压缩法时，不能把一个位段内部的有效o 也压缩掉，例 如，不能把f f 0 1 ：5 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 简写为f f 0 1 ：5 ：i ，而应该简写为f f 0 1 ：5 0 ：1 。 i p v 6 地址前缀是地址的一部分，这部分或者是有固定的值，或者是路由 或子网的标识。在i p v 6 中，用作子网或路由标识的前缀，其表示方法与d v 4 中的无类域间路由( c l d r ) 表示法类似，i p v 6 的子网前缀和一条链路关联。多 个子网前缀可分配给同一链路。i p v 6 地址前缀表示如下： i p v 6 - a d d r e s s | p r e f i x - l e n g t h 其中： i p v 6 a d d r e s s 为1 6 进制表示的1 2 8 比特地址 p r e f i x l e n g t h 为1 0 进制表示的地址前缀长度 例如，3 2 d a ：f 3 ：4 8 是一个路由前缀，而3 2 d a ：f 3 ：0 ：2 f 3 b ：6 4 是一个子 网前缀。在i p v 6 中，6 4 位前缀是用来表示节点所在的单个子网，所有的子网 都有相应的6 4 位前缀对于那些少于6 4 位的前缀，有可能是一个路由前缀或是 包含了部分i p v 6 地址空间的一个地址范围。 在i p v 4 中，通常我们使用子网掩码，也就是用十进制点号表示法表示的 网络前缀。但是在i p v 6 q b ，它只支持前缀长度表示法，而不再支持子网掩码。 在i p v 4 中，存在可变长度的子网标识，但是在i p v 6 中，已经不复存在了。在 哈尔滨i i 稃人学硕十学位论文 己经定义的i p v 6 单播地址中，用于标识子网的位数总是6 4 ，而用于标识子网 内主机的位数也是6 4 m q 。 2 2 2lp v 6 地址类型 i p v 6 地址分为单播地址、任播地址、组播地址。和i p v 4 相比，取消了广 播地址类型，以更丰富的组播地址代替，同时增加了任播地址类型。 1 i p v 6 单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) i p v 6 单播地址标识了一个接口，由于每个接口属于一个节点，因此每个 节点的任何接口上的单播地址都可以标识这个节点。发往单播地址的报文， 由此地址标识的接口接收。每个接口上至少要有一个链路本地单播地址，另 外还可分配任何类型( 单播、任播和组播) 或范围的i p v 6 地址。 单播地址有以下几种形式：可聚合全球单播地址、本地使用的单播地址、 内嵌i p v 4 地址的i p v 6 地址和其它特殊的单播地址。目前广泛使用的是可聚合 全球单播地址、链路本地地址和站点本地地址。 ( 1 ) 可聚合全球单播地址 可聚类全球单播地址，是可聚合的并可以在全球范围内进行路由转发的 地址7 1 ，格式前缀为0 0 1 ，相当于i p v 4 公共地址。地址结构如图2 1 所示。 图2 。1 司聚合全球单播地址的结构 “0 0 1 ”字段：3 位长格式前缀，用来标识地址类型。 t l ai d 字段：顶级集聚标识符，包含最高级地址选路信息。这指的是网 络互连中最大的选路信息。目日，j ，该字段为1 3 位，可得到最大8 1 9 2 个不同的 顶级路由。 r e s 字段：该字段为8 位，保留为将束用。最终可能会用于扩展顶级或下 一级集聚标识符字段。 n l ai d 字段：下一级集聚标识符，24 4 r 长。该标识符被一些机构( 1 2 1 i s p ) 哈尔滨f ：科人学硕十学位论文 用于控制顶级集聚以安排地址空间。 s l a i d 字段：站点级集聚标识符，被一些机构用来安排内部的网络结构。 每个机构可以用与i p v 4 同样的方法来创建自己内部的分级网络结构。 接口i d ：6 4 位长，标识特定子网上的接口。 ( 2 ) 本地使用的单播地址 本地使用的单播地址有两种：链路本地地址和站点本地地址。 链路本地地址( l i n k l o c a la d d r e s s ) ：其格式前缀为l l1 l 11 101 0 ，用于 同一链路的相邻节点问通信，如单条链路上没有路由器时主机间的通信。其 有效域仅限于本地链路。链路本地地址可用于邻居发现，且总是自动配置的， 包含链路本地地址的数据报永远也不会被i p v 6 路由器转发。 站点本地地址( s i t e l o c a la d d r e s s ) ：其格式前缀为l l1 1 l1 1 011 ，用于建 立内部站点。意味着站点本地地址能用在内联网中传送数据，但不允许从站 点直接选路到全球i n t e r n e t 。站点内的路由器只能在站内转发数据报，而不能 把数据报转发到站外。站点本地地址必须使用无状态或全状态地址配置服务j ( 3 ) 内嵌i p v 4 地址的i p v 6 地址” 为支持i p v 4 向i p v 6 过渡，在i p n g 中定义了两种内嵌i p v 4 地址的i p v 6 地址： 兼容i p v 4 的i p v 6 地址( i p v 4 c o m p a t i b l ei p v 6a d d r e s s ) ：这种地址可表示 为0 ：0 ：o ：0 ：0 ：0 ：w x y z 或：w x y z ( w x y z 是以点分十进制表示的i p v 4 地址) 用 于具有i p v 4 $ 口i p v 6 两种协议的节点使用i p v 6 进行通信。 映射i p v 4 的i p v 6 地址( i p v 4 m a p p e di p v 6a d d r e s s ) ：这种地址可表示为 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：f f f f ：w x y z 或：f f f f ：w x y z 。被用来表示仅支持i p v 4 地址的节点。 2 i p v 6 任播地址( a n y c a s ta d d r e s s ) i p v 6 任播地址格式和i p v 6 单播地址相同，用来标识一组接口的地址。一 般这些接口属于不同的节点。发往任播地址的报文被送到这组接口中与其最 近的接口( 由使用的路由协议判断哪个是最近的) 。 i p v 6 任播地址的用途之一是用柬标识属于同一提供因特网服务的组织的 一组路由器。这些地址可在i p v 6 路由头中作为中间地址，以使报文能够通过 特定聚合或聚合顺序发送。另一个用途就是标识特定子网的一组路由器。 3 i p v 6 组播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) i p v 6 组播地址用来标识一组接口，一般这些接口属于不同的节点。一个 哈尔滨工程大学硕士学位论文 节点可能属于o n 多个组播组。发往组播地址的报文被组播地址标识的所有接 口接收。组播地址格式如图2 2 所示。 1 l l l1 1 1 l f l a g ss c o p eg r o u p i d 图2 2i p v 6 组播地址结构 1 1 1 1 1 1 1 1 ：8 比特前缀，标识此地址为组播地址 f l a g s ( 标志) ：4 比特。f l a g s 域中定义为：0 0 0 t 。目前只使用了最后一位： t = o 表示是i n t e m e t 地址分配机构永久分配的“熟知”组播地址，t = 1 表示是 临时使用的组播地址，该字段的前3 比特标记为保留域，必须被初始化为0 。 s c o p e ：4 比特。用来标记此组播组的应用范围。 g r o u pi d ：标识组播组( 可能是永久的，也可能是临时的，范围由s c o p e 定义) i p v 6 永久分配的组播地址。 2 3ip v 6 报文结构 首先分析一下口v 4 数据包的结构。 成。在i p v 4 中，d 报头包含很多字段， 它是由d 报头和有效载荷两个部分组 路由器用这些信息从网络到网络转发 数据包，直到最终目的地。d 报头中的字段标识发送方、接收方、和传输协 议，并定义了许多其它参数。而有效载荷表示发送方传给接收方的信息n 9 1 。 i p v 6 网络模型主要包括两个角色：主机和路由器。路由器利用报头中的 信息将数据包从发送方逐一的转发到接收方。i p v 6 数据包由一个i p v 6 报头、 多个扩展报头和一个上层协议数据单元组成，其结构如图2 3 所示。 图2 3i p v 6 数据包的结构 i p v 6 报头：每一个i p v 6 数据包都必须包括报头，其长度固定为4 0 字节。 哈尔滨：稃大学硕十学1