（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的下一代校园网的过渡研究.pdf

分类号： udc ： 密级： 编号： 工学硕士学位论文 基于i p v 6 的下一代校园网的过渡研究 硕士研究生：张光妲 指导教师：张听副教授 学位级别：工学硕士 学科、专业：通信与信息系统 所在单位：齐齐哈尔大学 论文提交日期：2 0 0 7 年5 月 论文答辩日期：2 0 0 7 年6 月 学位授予单位：哈尔滨工程大学 哈尔滨t 稃大学硕十学侍论文 摘要 i p v 6 校园网的建设是中国下一代互联网( c n g i ) 的重要组成部分。它是在 i p v 4 校园网络的基础上进行的新的建设。因此，i p v 6 校园网的规划、配置和 建设方案就需要依据不同高校的网络状况和不同的实现技术进行设计。 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 报文格式以及与i p v 4 的对比、i p v 6 地址体系结构等重要技术；然后详细介绍了针对过渡期不同问 题的具体策略和方案，包括双协议栈、隧道技术和协议翻译机制。过渡的关 键问题就是实现i p v 4 到i p v 6 的互联互通，对校园网四种情况的实现方式分 别用各种核心的技术进行了详细的讲解。对如何规划校园网，实现口v 6 网络 的平稳过渡方案及设备选定提出相应见解。 最后，针对校园网由i p v 4 向i p v 6 实现平滑过渡的关键技术：双栈技术 和隧道技术，构建了一个模拟的校园局域网络，通过实验环境的测试，能正 确发现本地链路内的节点和其相关的配置信息，能够识别出本地链路内的双 栈节点，能够发现i p v 6 的拓扑结构，发现路由器之间的连接关系。测试环境 之间通过信息处理能够正常通信，能对信息进行整合。通过大量的实验工作， 为构建安全可信的i p v 6 校园网奠定了基础，推动了i p v 6 校园网的发展。 关键词：i p v 6 , 校园网；双协议栈；隧道技术 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fc h i n a sn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ( c n g i ) p r o j e e lt h e c o n s t r u c t i o no fi p v 6 c a m p u s n e t w o r ki sb a s e do ni p v 4c a m p u sn e t w o r k t h e r e f o r e ，t h el a y o u t ，d e p l o y m e n ta n dc o n s t r u c t i o np l a no fi p v 6c a m p u sn e t w o r k s h o u l db ep r o p o s e da c c o r d i n gt oc a m p u sn e t w o r k 。ss t a t u sa n di m p l e m e n t e d t e c h n o l o g y ni si n t r o d u c e dt h a ti p v 6p r o t o c o la tf i r s t ，i n c l u d i n gi p v 6n e wc h a r a c t e r i s t i c ， t h ed a t af o r mo fi p v 6a n dc o m p a r i s o n 、v i t i ii p v 4 ，m v 6a d d r e s ss y s t e ms t r u c t u r e ， i c m p v 6p r o t o c 0 1 e t e t h e nt h e i d i o g r a p h i cs c h e m e a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a g a i n s td i f f e r e n tp r o b l e m si nt r a n s i t i o np e r i o d ，i n c l u d i n gd u a lp r o t o c o ls t a c k , t h e t u n n e lt e c h n o l o g y , t r a n s l a t i n gm e c h a n i s m t h ep i v o t a lp r o b l e mo ft r a n s i t i o nf r o m i p v 4t oi p v 6i st h ei n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m t h i sp a p e rf o c u s e so nf o u r c a s e so fc a m p u sn e t w o r k ，a n da n a l y s e st h e i rc o r et e c h n o l o g i e si nd e t a i l i nv i e w o fh o wt op r o g r a m m i n gn e t w o r ka d d r e s s e si nc a m p u sn e t w o r k , an e ws c h e m ei s a b o u ti p v 4i sr e p l a c e db yi p v 6s u c c e s s f u l l ya n dc h o i c eo f d e v i c e a tl a s t , i t a d o p t s d u a ls t a c ka n dt u n n e l i n gt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c ta s i m u l a t i v ec a m p u sn e t w o r k i nt h el a be n v i r o n m e n t ，i tc a l ld e t e c tt h en o d eo fl o c a i l i n ka n di t sc o n f i g u r a t i o n , i d e n t i f yt h ed u a ls t a c kn o d ei nl o c a ll i n k , d i s c o v e rt h e t o p o l o g yo fi p v 6n e t w o r ka n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h er o u t e r t h r o u g ht h e l a r g en u m b e r so f t e s tw o r k , i te s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no fi p v 6c a m p u sn e t w o r k a n dp r o m o t e st h ei m p l e m e n t a t i o no f i t k e y w o r d s ：i p v 6 ；c a m p u sn e t w o r k ；d u a lp r o t o c o ls t a c k ；t u n n e lt e c h n o l o g y 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) ：邀丝 日期：o - 7 年t 月引日 哈尔滨t 稃大学硕+ 学付论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 现有i n t e r n e t 的基础是i p v 4 ，到目前为止有近3 0 年的历史了。由 于i n t e m e t 的迅猛发展，据统计平均每年i n t e r n e t 的规模就扩大一倍。 i p v 4 的局限性就越来越明显。起初因特网的使用者主要是大学、高技 术工业以及政府部门，随着9 0 年代中期对因特网的不断膨胀，它已被 更多的人使用，尤其是有着不同需求的人们。首先，上千万拥有无线 便携机的人可以用它来与其企业网保持联系；其次，随着计算机、通 信、娱乐业的不断交叉融合，可能不久的将来世界上的每一台电视机 都会成为因特网的一个节点，从而导致上亿台机器用于视频点播；还 有，计算机将不断地微型化，计算机无处不在，如被安装在胸章、标 签、选票、电灯开关高安全性恒温箱等内。在这些环境下，系统必须 支持即插即用、实时通信、低功耗、容易管理等，很明显i p 必须进一 步发展且更具灵活性。按照目前网络的发展趋势，到2 0 0 5 和2 0 1 5 年 之间i p v 4 的地址就会耗尽，必须用另一种地址方案来替代它。 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i p 的新版本。 它的主要目标有f 1 】： ( 1 ) 地址空间无限大，永不会用尽地址。 ( 2 ) 减小路由表的长度。 ( 3 ) 简化协议，使路由器处理分组的速度更快。 ( 4 ) 提供更好的i p 层安全。 ( 5 ) 增加对服务质量的支持，特别要支持实时通信。 ( 6 ) 通过定义范围来实现多点播送。 ( 7 ) 支持即插即用，主机可以不改变地址即可实现漫游。 ( 8 ) 协议具有良好的可扩展性。 ( 9 ) 允许新旧协议共同存在一些年。 为了找到符合所有这些需求的协议，i e t f 在r f c1 5 5 0 中发表了 一个寻求提议和讨论的声明。到1 9 9 2 年1 2 月止，i n t e r n e t 为下一代i p 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 提出了共7 个重要提议。它们从对i p 作较小的修改到完全舍弃旧i p 而用新协议取而代之的都有。这其中有三个提议通过多次讨论和修改 一起合并成为增强的简单因特网协议s i p p ( s i m p l ei n t e m e tp r o t o c o l p l u s ) 。s i p p 即采用6 4 位的i p 地址，在高性能网如a t m 和低带宽网 如无线网中都运行良好。到1 9 9 3 年9 月，增强的简单因特网协议s i p p 被选中作为下一代i p i p n g 开发的基础并将之命名为i p v 6 。i e t f 组成 一个特定的工作组讲n g w g 来对其进行研究和标准化。到1 9 9 4 年1 1 月，由i e t f 提出并由i e s g 审核通过了“对下一代i p 协议的建议”。这 个建议是i p v 6 开发的纲领口1 。 基于互联网协议第6 版( 即i p v 6 ) 的下一代互联网成为信息领域各 国竞争的焦点。采用长度为1 2 8 b l p 地址的i p v 6 协议，彻底解决了i p v 4 地址不足的难题，并且在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及 服务质量等方面有明显的改进，是下一代互联网络协议采用的核心标 准之一。i p v 6 与i p v 4 不兼容，但它同所有其他的t c p i p 协议族中的 协议兼容，即i p v 6 完全可以取代i p v 4 。i p v 6 具有从口v 4 的3 2 b i t 地 址扩展到1 2 8 b i t 的足够宽广的地址空间。i p v 6 能满足下一代语音、 数据、视频融合的通信网络对网络的安全、质量和移动性的要求。同 时，i p v 6 应用使每个人、每个终端都成为内容提供者。并且，i p v 6 能 达到永远在线，使网民之间实现真正的交互。 对中国来说，2 0 0 8 年将召开奥运会，各种新的技术和新的应用将 得到大规模的应用，那时将是i p v 6 发展的一个最佳时机。综合考虑， 2 0 0 6 至2 0 0 8 年将是大规模部署和升级i p v 6 的阶段。 虽然总体功能上i p v 6 全面超越了i p v 4 ，但是，目前的网络都是运 行在口v 4 上，网络将逐步升级到i p v 6 ，同时需要更新软件和硬件，而 这种更新是一个渐进的过程。i p v 6 的部署不会在一夜之间完成。相对 来说，骨干网升级比较容易实现，网络边缘的升级相对困难一些，因 为越到网络边缘，路由基础设施越有可能不支持i p v 6 ，有些校园网的升 级和演进可能需要3 - 4 年【3 】。因此，我们应该从实际出发，考虑如何更 好的支持坤v 4 和i p v 6 的共存，i p v 4 如何向i p v 6 过渡。 由于i p v 6 和i p v 4 在协议头格式上不兼容，i e t f 成立了专门的工 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 作组n 咖n s 研究从现有的i p v 4 网络向i p v 6 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i p v 6 试 验网6 b o n e 在1 9 9 6 年成立了。现在，6 b o n e 已经扩展到全球5 0 多个 国家和地区，成为i p v 6 研究者、开发者和实践者的主要平台。c e r n e t 国家网络中心于1 9 9 8 年6 月加入6 b o n e ，并成为其骨干网成员。 1 2 国际和国内研究的现状 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m v 6 的商用及业务开展方面处于领 先地位，中国起步晚于日本和韩国等国，但是中国互联网和通信市场 的巨大空间和前景，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。 由i p 地址危机产生和发展起来的i p v 6 作为下一代互联网协议已 经得到了各方的公认，未来互联网的发展离不开i p v 6 的支持和应用， 甚至被认为是后起发展网络的国家追赶“发达”国家的一个良好机遇。 正因为如此，目前各方面都在加紧对i p v 6 的研究和应用开发。 许多国家对i p v 6 技术都已经引起足够的重视，并且都采取了一些 切实可行的措施，尤其是一些欧洲国家。作为互联网络的发源地，美 国也在积极地进行i p v 6 的研究和建设。中国对于i p v 6 技术的态度是 “积极跟踪、把握机遇、稳妥推进”，并且在部分地区实行了网上实验。 目前中国高校和科研机构已经与国外一些运营商合作，对i p v 6 进行研 究实验。该协议在中国的大规模应用还要有一段时间。 i p v 6 作为下一代互联网协议已经引起了各地区、各运营商的足够 重视，在众多的设备提供商和运营商的努力下，i p v 6 协议已经从实验 室走向了应用阶段。已有5 0 多个国家和地区加入有关i p v 6 的研究。 法、日、美等国的研究机构，i b m 、s u n 、日立等公司，分别研制开发 了不同平台上的i p v 6 系统软件和应用软件；美国思科、加拿大北电网 络、n o k i a 等路由器厂商已经开发出了面向i p v 6 网络的路由器产品。 操作系统方面，基于开放源码的l i n u x 对i p v 6 提供了比较强的支持， 哈尔溟t 稃大学硕十学位论文 s u n 、i b m 、康柏、惠普和微软的最新操作系统都提供了i p v 6 支持【4 1 。 从整体上来讲，i p v 6 的技术已经成熟，标准也基本完善，一些网 络基础设施和核心设备都己陆续开始支持其使用，但是在具体实施的 问题上，由于经济利益上的关系，在目前还没有普遍推广，而是处于 与i p v 4 相互并存和过渡的阶段。 1 2 1i p v 6 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，也不愿意改动花费亿万美金构建的 口v 4 商业网络体系，所以美国主要以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 砌烈，e s n e t 和 i n t e m e t 2 ( a b l e n e ) 等。 i ) 6 b o n e 6 b o n e 于1 9 9 6 年8 月由i e t f 创建，是世界上成立最早，也是迄 今规模最大的全球范围的i p v 6 示范网。到2 0 0 2 年，6 b o n e 的规模已 经扩展到包括中国在内的5 7 个国家和地区，连接了近千个结点，成为 i p v 6 研究者、开发者和实践者的主要平台。 2 ) 6 r e n 为了加速i p v 6 向实用化的方向迈进，1 9 9 8 年1 2 月，i e t f 的i p n g 和n g t r a n s 工作组提出建立全球性的i p v 6 研究与教育网6 r e n ( i p v 6 r e s e a r c ha n de d u c a t i o i ln e t w o r ki n i t i a t i v e ) 。6 r e n 的主要目标是提供高 质量的i p v 6 分组传输服务，增加运营i p v 6 网络的经验，促进i p v 6 网 络的部署以及测试早起的i p v 6 应用。 在6 r e n 不断发展期间，为了更好地支持6 r e n 参与者之间的纯 i p v 6 对等互连，c a n a d e 和e s n e t 在1 9 9 9 年初共同发起了一个称为i p v 6 交换的计划6 t a p ，它以s t a r t a p 为依托，由e s n e t 提供路由服务和运 营管理，c a n a d e 提供路由服务器和注册服务，建立了一个以a t m 交 换机为中心的i p v 6 洲际网络。 目前，美国i n t e m e t 2 正联合欧洲、亚洲各国发起“全球太比特学术 研究网络g t r n ”计划，积极推动下一代互联网研究和建设的升华和全 4 哈尔滨丁稃大学硕十学付论文 球化。 美国不仅是第一代互联网全球化进程的推动者和受益者，而且在 下一代互联网的发展中仍然扮演着领跑角色。1 9 9 6 年，美国政府发起 下一代互联网n g i 行动计划，建立了下一代互联网主干网v b n s ：1 9 9 8 年，美国下一代互联网研究的大学联盟u c a i d 成立，启动i n t e r n e t 2 计划。而继n g i 计划结束之后，美国政府立即启动了旨在推动下一代 互联网产业化进程的l s n 计划。如今，美国在国际下一代互联网的各 个科学研究领域和技术标准制定中都占据着主导地位。作为美国的重 要战略盟友，加拿大政府也支持了c a n e t 发展计划，目前已经历4 次大规模的升级。由于政府的高度重视和大力支持，目前以美加为主 的北美地区代表了全球下一代互联网的最高水平。 美国在下一代互联网发展中日渐彰显的垄断趋势已经引起许多发 达国家的关注。2 0 0 1 年，欧共体正式启动下一代互联网研究计划，建 立了横跨3 1 个国家的主干网g a n t ，并以此为基础全面进行下一代互 联网各项核心技术的研究和开发。 2 0 0 3 年1 0 月，作为世界互联网最早的驱动者，美国军方正式公 布了他们3 0 0 亿美元的i p v 6 计划，计划在2 0 1 0 年前后，完成从i p v 4 到i p v 6 的迁移。2 0 0 4 年1 月，在布鲁塞尔欧盟总部，包括c e r n e t 在内的全球8 大下一代互联网学术组织共同宣布，正式向社会各界提 供口v 6 服务。 美国曾一度对该技术持保守态度，但在2 0 0 3 年重新加入进来。当 年6 月，美国国防部发表了一份i p v 6 备忘录，提出在美国军方“全球 信息网格”中全面部署i p v 6 的重要决策，并作出了3 0 0 亿美元以上的 预算。 美国国防部i p v 6 进度时间表显示：2 0 0 2 年至2 0 0 4 年形成标准的 i p v 6 协议；2 0 0 5 年至2 0 0 7 年，i p v 6 和i p v 4 协议共同运行；2 0 0 8 年 实现美国本土全面的i p v 6 计划，i p v 4 协议同时退出。 1 2 2i p v 6 在欧洲 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 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 应用方面更注重移动通信领域的扩展，采取的是“先移动，后固定”的 基本战略，在第三代移动网中率先引入i p v 6 。 ( 1 ) 欧洲6 i n i t 6 i n i t 项目开始于2 0 0 0 年1 月，该项目由欧盟第5 框架创建，其 创建的目标是促进欧洲i p v 6 网的多媒体和安全服务。6 i n i t 的外部 i p v 6 网络通过t e l e b i tt b c 2 0 0 0 连接，内部的单播和组播路由在 f r e e b s d 3 5 p c 路由器上实现，而主机采用了基于l i n u x ，w i n d o w 2 0 0 0 ， s o l a r i s 8 和f r e e b s d 3 5 的i p v 6 客户端。 ( 2 ) 欧洲6 n e t 和e u r 0 6 i x 2 0 0 2 年1 月，欧洲同时启动了两个为期3 年的i p v 6 研究与实施计 划：6 n e t 和e u r 0 6 i x 试验网。在6 n e t 计划中，将至少有1 1 个国家 级的研究和教育网络在速率高达2 5 0 b s 的链路上建立纯i p v 6 网络。 在e u r 0 6 i x 试验网计划中，欧洲主要的电信运营商将携手建立一定数 量的i p v 6 交换节点，以支持i p v 6 在欧洲范围内的快速引入，e u r 0 6 i x 项目由西班牙的t e l e f o n i c a 领导。 ( 3 ) 欧洲a n d r o i d 该项目由英国电信领导，项目的目的是：验证在基于i p v 4 i p v 6 的基础设施上提供可以管理的、易于扩展的，可以支持按需i p 服务的 网络结构。a n d r o i d 网络使用了r e n a t e r ，6 b o n e 和6 n e t 作为骨 干网。 ( 4 ) 法国r e n a t e r 2 r e n a t e r 2 是法国的i p v 6 科学网，骨干网使用a t m 交换机连接， 同时连接到6 b o n e ，捷克研究网络t e n 1 5 5 ，美国、加拿大和日本的 试验网。 另外还有法国的a i r s + + ，北约i n s c 试验网和g e a n t ，欧洲第一 个i p v 6 商用网一瑞典s k a n o v a 于2 0 0 1 年1 1 月启动。 1 2 3i p v 6 在日本 日本虽然是互联网的后起国家，但由于电子设备和信息家电产业 高度发达，对i p 地址迫切需要，因此在i p v 6 研究和应用方面，步伐 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 大、速度快，而且在i p v 6 商业化推广方面一直走在世界前列。2 0 0 0 年9 月，日本政府把i p v 6 技术的确立、普及与国际贡献作为政府的基 本政策公布；1 1 月将现有网络推进、过渡到i p v 6 网络作为“i t 基本战 略”中的重点政策，“超高速网络建设和竞争政策”的具体目标。2 0 0 1 年3 月，在( e - j a p a n 重点计划中，明确设定在2 0 0 5 年完成互联网向 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 的网络环境，让 所有家庭与光纤网连接，让所有家电产品都能上网，使日本的网络普 及率提高到全球最高水平。 日本政府为了发挥产学研组织的作用，早在1 9 8 8 年就成立了互联 网及广域网的产学研联合研究开发组织w i d e ，而且该组织正发展成 一个国际性i p v 6 研究组织。2 0 0 1 年，在日本政府的支持下，又成立了 另一个产学研组织一m v 6 普及及推进协会，旨在推动口v 6 的产业化形 成。日本政府还专款投入，重点支持了一些项目，包括下一代网络标 准i p v 6 的制定，互联网信息家电的研究开发，建立日本千兆位网o g n ) 等。 在全球i p v 6 商用服务、产品及应用开发方面，日本目前处于领先 地位。2 0 0 1 年日本就已推出了纯i p v 6 实验业务，同年n t t 在全球第 一个推出了1 p v 6 商用服务。其他各大运营商及i s p 也纷纷搭建i p v 6 网络，目前，日本已经有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 m e te x c h a n g e ) ，这也是世界上最大的i p v 6 l x 之一。 日本、韩国和新加坡三国在1 9 9 8 年发起建立“亚太地区先进网络 a p a n ”，加入下一代互联网的国际性研究。日本目前在国际i p v 6 的科 学研究乃至产业化方面占据国际领先地位。 1 2 4i p v 6 在韩国 韩国政府引导i p v 6 技术的发展，特别是m i c 从2 0 0 0 年开始对 i p v 4 i p v 6 过渡技术进行投资，使韩国的i p v 6 实验床非常活跃。韩国 信息通信部声称正加紧创造环境引入i p v 6 ，并提出“下一代互联网基础 计划”。该部门计划投资4 6 8 亿韩元政府预算和3 6 8 亿韩元私人投资 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 来开发支持i p v 6 的产品，包括高端路由器、i m t - 2 0 0 0 终端以及相关 应用。 目前，韩国已制定了i p v 6 的演进过程，共分四个阶段。第一阶段 ( 至2 0 0 1 年) 建立i p v 6 试验网，开展验证、运行和宣传工作；第二阶段 ( 2 0 0 2 - 2 0 0 5 年) 建立了i p v 6 岛，与现有i p v 4 网络互通，在i m t - 2 0 0 0 上提供i p v 6 服务；第三阶段( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 建立m v 6 大网，原i p v 4 大 网退化为i p v 4 岛，与i p v 6 大网互通，提供有线和无线的i p v 6 商用服 务；第四阶段( 2 0 1 1 年以后) 演进成一个单纯完整的i p v 6 网。 目前，韩国e t r i 已经开发了i p v 6 多播视频会议和视频流业务， n c a 已经开发了v o l p v 6 ，另外开展了一些宽带i n t e m e t 业务，如在线 网络游戏、网络银行、网络教学和实时v o d 等。6 t a l k 目前正在开 发v 4 i p v 6 过渡技术，6 a n t s 在开发网络自动配置技术，6 n e a t 在 开发i p v 6 应用。 韩国的i p v 6 网络有6 b o n e k r ( 1 9 9 8 ) ( e t r i ) 、k o r e n i p v 6 ( 1 9 9 9 ) ( k t ) 和t e i n ( t r a n se u r a s i ai n f o r m a t i o nn e t w o r k ) ( 2 0 0 1 ) ，i x 有 6 n g i x ( 2 0 0 1 ) ( n c a ) 。 1 2 5i p v 6 国内现状 从2 0 世纪9 0 年代末起，在相关部委科技计划的支持下，一批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， 为我国开展以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，我国相关研究机构、高校、厂商及运营商也已陆 续开始跟踪与关注i p v 6 技术发展，投入i p v 6 技术研发，并相继建成 i p v 6 试验床及实验网络，如6 t n e t ( i p v 6t e l e c o mt r i a ln e t w o r k ) 下一代 i p 电信实验网、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、应用师范和商业模式探讨等方面积累了宝贵的知识与经验 【5 l 。 c e r n e t 国家网络中心于1 9 9 8 年6 月加入6 b o n e ，同年1 1 月成 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 为其骨干网成员。试验床从6 b o n e 获得p t l a ( p s e u d o t o pl e v e l a g g r e g a t i o n ，顶级聚类) 3 f f e ：3 2 0 0 ：2 4 的地址空间，并且建立了5 条 以t u n n e l 为基础的国际1 p v 6 虚拟链路，直接通达美国、英国和德国的 i p v 6 网络，几乎与所有现有的6 b o n e 成员间接地互连。试验床按地区 分配n l a n d li d ( n e x tl e v e la g g r e g a t i o n ，l e v e l1i d e n t i f i e r ，次级聚类) 。 我国第一个i p v 6 主干网c e r n e t 2 试验网己开通并提供服务，它 是“中国下一代互联网示范工程( c n g i ) ”中最大的核心网和惟一学术 网。c e r n e t 2 是中国下一代互联网示范工程核心网的重要组成部分， 建成以后，将是世界上规模最大的纯i p v 6 国家主干网【6 l 。c e r n e t 2 主干网连接分布在我国2 0 个主要城市的c e i e t 2 核心节点，传输速 率为2 5 1 0 g b p s ，将实现全国2 0 0 余所著名高校的高速接入，同时为 全国其他科研院所和研发机构就近接入提供条件。并通过下一代互联 网交换中心与国内其他下一代互联网、国际下一代互联网实现高速互 联，从而形成我国开展下一代互联网及其应用研究的重要实验环境。 c e i e 砣还将部分采用具有我国自主知识产权的核心网络技术及产 品，成为我国研究下一代互联网技术、开发基于下一代互联网的重大 应用、推动下一代互联网产业发展的关键性基础设施。 当然，i p v 6 的最终实现还需要很长时间。i p v 6 网络进入大规模实 施阶段之后i p v 4 和i p v 6 将保持长时间共存，并最终过渡到坤v 6 。如 何实现i p v 4 向i p v 6 的平稳过渡是i p v 6 首先必须解决的问题，也是成 功的关键1 7 】。 1 3 研究目标及研究内容 本课题在目前国内外i p v 6 技术发展的基础上，对现有的i p v 4 网 络向i p h v 6 网络的主流过渡方案，包括双栈技术、采用i p 数据包封装 的隧道技术和n a t - p t 技术，进行分析，提出相应校园网过渡的实现 方案，给出实现i p v 4 向i p v 6 网络的过渡的具体步骤，并建立试验系 统对网络过渡的各种技术方案进行实践论证。 在此之上，对与校园网类似的中小型规模的教育网提出具有适用 意义的过渡技术方案等建议，并对具体实施步骤提交一个立体的过渡 9 哈尔滨丁稃大学硕十学 市论文 方案。 1 4 课题研究的方法 本课题主要采用了理论与试验相结合的方式完成，通过理论研究， 确定技术方案，通过试验对技术方案进行论证和调整。 1 5 章节安排 本论文共分为5 章。第1 章绪论，介绍了课题研究的背景，国内 外现状及主要任务和实施的方法；第2 章i p v 6 网络协议的研究，主要 分析了m v 6 产生的动机和i p v 6 相关技术的介绍；第3 章i p v 4 向i p v 6 过渡方案研究，阐述了当前主要过渡方案及它们的优缺点；第4 章校 园网i p v 6 的过渡策略，主要讲述校园网在四种情况下建网的原则和具 体实施方法。第5 章校园网i p v 6 的过渡实验，主要通过模拟环境来验 证所提出结论。最后给出本课题研究结论。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 第2 章i p v 6 网络协议的研究 i p v 6 是“i n t e m e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写，也被称作下一代互 联网协议，它是由i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 设计的用 来替代现行的i p v 4 协议的一种新的i p 协议【8 1 。 2 1 i p v 4 的不足之处 2 1 1 地址空间的局限性 目前的全球因特网所采用的协议族是t c p 【p 协议族。口是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 ) ，发展至今已经使用了3 0 多年。口v 4 的地 址位数为3 2 位，也就是最多有2 3 2 次方的电脑可以联到1 1 1 t e m e t 上。 近十年来由于互联网的蓬勃发展，i p 位址的需求量愈来愈大，使 得口位址的发放愈趋严格，各项资料显示全球i p v 4 位址可能在2 0 0 5 至2 0 0 8 年间全部发完。 2 1 2 对路由的支持不够 主要包括对路由表大小的考虑、l 3 交换技术的考虑和对移动性路 由的考虑等。对路由表大小的考虑在c i d r 出来之后有了很大的改观， 它提出的增强型路由聚合是对i n t e m e t 来说是一个突破，人们曾经有的 对由于路由表过于庞大而导致i n t e m e t 瘫痪的担心，可以说基本上已经 消失了；对l 3 交换技术的考虑似乎还没有上升到国际标准的高度，而 大部分都是厂家在自己实践( 如c i s c o 的n e t f l o w 等) ，其实，从本质 上来说，l 3 交换实际上是将虚电路的概念引入到了分组交换网上。此 外，目前的i p 分组的分段重组在路由时是由路由器来完成的，这一 点影响了路由器的路由效率。 2 1 3 无法支持多种q o s 由于在口v 4 中没有“流”这个概念，因而使得它也就很难考虑对 q o s 的支持，所谓“流”，就是具备某些同样特性的一组数据分组，这 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 样的特性可能是同样性质的数据( 如视频流) 、同样的目标地址和端口 或者是由同一个应用程序发出的数据，还可以是对路由有同样的要求。 比较迫切q o s 的需求有：安全性、移动性、时间透明性( 即实时传送) 。 为了解决这些需求，开发了一些的协议来支持，如s s l 、r s v p 等。 类似的应用有电子商务、移动计算和移动m 、多媒体网络实时数据流 的传送等。 2 2i p v 6 协议的产生 2 2 1 改变i p v 4 的动机 i p v 6 是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议， 它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，i p v 4 定义的有限地址空 间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩 大地址空间，拟通过i p v 6 重新定义地址空间。i p v 6 采用1 2 8 位地址长 度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算i p v 6 实际可分配 的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1 0 0 0 多个地址。在i p v 6 的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在 i p v 4 中解决不好的其它问题，主要有端到端i p 连接、服务质量( q o s ) 、 安全性、多播、移动性、即插即用等 9 1 。 与口v 4 提供的3 2 位地址空间相比，i p v 6 是一个能提供1 2 8 位地 址的协议，它最明显的优势是拥有巨大的地址容量，几乎可以无限制 地提供新的i p 地址。i p v 6 更本质的目的是继承并最终取代i p v 4 ，以 满足互联网设备的不断增多、“永远在线”的互联网接入服务和其他一 些新兴的互联网应用服务。它能够支持规模更大的网络结构，改进数 据传输的安全性和完整性，具有自动配置、移动计算、数据组播和更 有效的网络路由聚合等功能。 从1 9 9 5 年开始，全球的i p 地址正以平均每年6 0 0 0 万8 0 0 0 万的 速度被消耗。互联网发展到今天，i p v 4 提供的4 0 亿个地址已用去了一 半。目前全球上网的人数已经超过4 亿，到2 0 0 5 年将达到1 0 亿，2 0 1 0 年达到3 0 亿；而目前4 8 亿移动电话用户到2 0 0 3 年将猛增到1 0 亿； 有网络专家预测，2 0 0 5 年全球地址将全部用光。 1 2 哈尔滨丁稗大学硕十学付论文 当然，在地址资源充沛的北美网络运营商看来，i p v 6 显得无关紧 要，毕竟单单美国一个麻省理工大学就能够拥有和中国一样多的i p 地 址；但对于饱受地址分配不公之苦的亚太和欧洲地区、以及需要掌握 大量地址资源以推动移动信息社会到来的移动通信厂商来说，i p v 6 的 意义可想而知。而要在网络中应用这一新的协议，势必要对网络进行 重新调整、升级、乃至改造。这就意味着所有与网络有关的设备、操 作系统、应用软件都要支持i p v 6 协议，并要保证与现有的i p v 4 协议 相兼容 2 2 2i p v 6 的诞生 i p v 6 的出现源于i p v 4 地址空间耗尽的潜在威胁。i p v 6 就是能够 无限制地增加i p 网址数量、拥有巨大网址空间和卓越网络安全性能等 特点的新一代互联网协议更大的地址空间。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 具有更小的路由表。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【l l 】。 i p v 6 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 ) ，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( q o s ) 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 o c o n f i g u r a t i o n ) 的支持，是对d h c p 协议的改进和扩展，使得网络( 尤其是局域l q ) 的管理更加方便和快捷。 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，这极大的增强了网络安全。 2 3i p v 6 介绍 2 3 1i p v 6 的技术特点 基于对效率、功能、灵活性和应用性等多个方面因素的综合考虑 哈尔滨丁稃大学硕十学f ) ：论文 比较，i e t f 决定在i p v 6 中采用1 2 8 位固定长度的地址方案。 i p v 6 地址的表示形式： 用文本方式表示的i p v 6 地址有三种规范的形式】： 1 优先选用的形式是x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ，其中x 是1 个1 6 位 地址段的十六进制值。例如： f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：4 2 l o ：f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：3 2 1 0 2 0 0 l ：0 ：o ：o ：o ：8 ：8 0 0 ：2 0 1 c ：4 1 7 a 每一组数值前面的0 可以省略。如0 0 0 8 写成8 。 2 在分配某种形式的i p v 6 地址时，会发生包含长串0 位的地址。 为了简化包含0 位地址的书写，可以使用“： 符号简化多个0 位的1 6 位组。“：”符号在一个地址中只能出现一次。该符号也可以用来压缩地 址中前部和尾部的0 。举例如下： f f 0 1 ：0 ：o ：o ：0 ：0 ：o ：1 0 1 多点传送地址 0 ：o ：o ：o ：0 ：0 ：o ：l 回送地址 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 未指定地址 可用下面的压缩形式表示： f f 0 l ：1 0 1 多点传送地址 ：l 回送地址 ：未指定地址 3 在涉及i p v 4 和i p v 6 节点混合的这样一个节点环境的时候，有 时需要采用另一种表达方式，即x ：x ：x ：x ：x ：x ：d d d d ，其中x 是地 址中1 个高阶1 6 位段的十六进制值，d 是地址中低阶8 位字段的十进 制值( 按照i p v 4 标准表示) 。例如：下面两种嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地 址。 o ：0 ：o ：o ：0 ：0 ：2 0 2 2 0 1 3 2 2 9 嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址 o ：o ：o ：0 ：o ：f f f f ：2 0 2 2 0 1 3 2 3 0 嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址 写成压缩形式为： ：2 0 2 2 0 1 3 2 2 9 ：f f f e 2 0 2 2 0 1 3 2 3 0 同时，在i p v 6 地址格式中，任何全0 和“1 ”的字段都是合法值。 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 特别是前缀可以包含0 值字段或以“0 ”为终结。其中“：1 ”回返地址， 具有一个目的地址为回返地址的包不应发送出单节点之外，m v 6 路由 器也不会转发这样的包；“：( 即全o ) ”为未指定地址。当移动节点返回 家乡链路时，用这个未指定地址作为源地址来发送邻居请求获得家乡 代理的链路层地址。 所有类型的i p v 6 地址都被分配到接口，而不是节点。一个i p