（计算机应用技术专业论文）ipv4ipv6的互联关键技术研究与应用开发.pdf

摘要 摘要 由于i t 行业的迅速发展，计算机使用的普及，以及各种设备的联网，i p v 4 协议提供的 i p 地址已经面临枯竭，按照现今的网络发展速度，在未来的1 0 年左右i p 地址将使用耗尽。 虽然人们想出了各种缓解这个严厉问题的一些方法，但是都不能从根本上解决这个问题，这 就使得对新一代协议i p v 6 的开发交得迫不及待。ip 、r 4 向i p v 6 的过渡是否能取得成功，直 接影响到了i p v 6 互联网的发展。但是从i p v 4 向i p v 6 过渡的研究中存在极大的困难。在不 同情况下，使用不同的方案也有着不同的效果，我们要考虑的不光是i p 、，4 向i p v 6 过渡的可 行性问题，还应该兼顾到i p v 4 向i p v 6 过渡所使用的方案尽可能的减小对各个方面的影响。 1 。 本论文首先根据目前计算机网络中使用的i p v 4 与i p v 6 两种协议分布情况及其特性来说 明两种协议长期共存的必然性，以及i p v 4 与i p v 6 互联过渡的必要性，重点通过对目前已存 在的各种过渡技术做具体分析，提出新的想法和观念。并通过一系列试验证明其可行性。论 文研究的主要工作为： - 对两种协议的地址进行详细分析，并验证其可通性： 组建实验环境，验证论文提出的新型封装策略的可行性； - 深入研究基于s o c k e t 接口的网络编程，在双栈节点上实现协议无关的w e b 服 务器； 基于t r t a l g 技术，开发网络地址处理程序，实现纯i p v 4 主机与纯i p v 6 主 机信息的互通。 本文的实验基于w i n d o w sx p 操作系统，v c 斗6 0 集成开发环境和3 台中兴z x r l 0g a r 路 由器实现。 关键词：i p v 4l p v 6 过渡技术s o c k e t1 r i 玎a l g 4 a b s t r a d a b s t r a c t w i t ht h ei td e v e l o p i n gr a p i d l y , t h ec o m p u t e ru s i n gg e n e r a l l y , a n de a c hk i n do ft h ee q u i p m e n t c o n n e c t i n g ，t h ei pa d d r e s st h a tt h ei p v 4p r o t o c o lp r o v i d e sh a sa l r e a d yf a c e dt h ed e p l e t i o n a c c o r d i n gt on o w a d a y s n e t w o r kd e v e l o p i n gs p e e d ，t h ei pa d d r e s sw i l lb ee x h a u s t e di nf u t u r e1 0 y e a r s a l t h o u g hp e o p l ef o u n do u ts o m em e t h o d st oa l l e v i a t et h i ss e v e r eq u e s t i o n ，i tc a nn o tb e s o l v e df u n d a m e n t a l i y t h a tc a u s e st ot h en e wg e n e r a t i o np r o t o c o li p v 6d e v e l o p m e n tb e c o m i n g i m p a t i e n t w h e t h e ri p v 4t oi p v 6t r a n s i t i o nc a no b t a i nt h i ss u c c e s so rn o td i r e c t l yi n f l u e n c e si p v 6 i n t e r n e t sd e v e l o p m e n t b u tt h e r ei sal o to fd i f f i c u l t i e si nt h er e s e a r c ho ft r a n s i t i o nf r o mi p v 4t o i p v 6 t h eu s i n go fd i f f e r e n tp l a ni nd i f f e r e n ts i t u a t i o nh a v et h ed i f f e r e n te f f e c t w em u s tn o to n l y c o n s i d e rt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei p v 4t oi p v 6t r a n s i t i o n ，b u ta l s og i v ed u a la t t e n t i o nt or e d u c ee a c h a s p e c t si n f l u e n c ep r o d u c e db ys o m es o l u t i o n sa sp o s s i b l ei nt h et r a n s i t i o n t h i sp a p e rf l r s t e x p l a i n st h ei n e v i t a b i l i t yo fl o n g t e r mc o - e x i s t e n c e sa n dt h en e c e s s i t yo f i n t e r c o n n e c t i o nt r a n s i t i o ni nt h ei p v 4a n dt h ei p v 6p r o t o c o l sa c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o n s a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et w ok i n d so fp r o t o c o li np r e s e n tc o m p u t e rn e t w o r k t h ek e yi st o m a k eac o n c r e t ea n a l y s i so ne a c hk i n do fe x i s t i n gt r a n s i t i o nt e c h n o l o g y , t op r o p o s en e wt h o u g h t a n di d e a , t h e nt op r o v e si t sf e a s i b i l i t yt h r o u g has e d e so fe x p e r i m e n t s t h ep r i m et a s ko ft h i sp a p e r i s ： c a r r yo nt h em u l t ia n a l y s i st o a d d r e s s e so ft w ok i n d so fp r o t o c o l s ，a n dc o n f i r mt h e i r c h a r a c t e r i s t i co fp a s sa b i l i t y s e tu pt h ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n t a n dc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo ft h en e ws e a ls t r a t e g y p r o p o s e di np a p e r m a k ead e e ps t u d yo fn e t w o r kp r o g r a m m i n go ns o c k e tc o n n e c t i o n ，r e a l i z et h e p r o t o c o l i r r e l e v a n tw e bs g l v e ri nt h ed o u b l es t a c kn o d e d e v e l o pn e t w o r ka d d r e s sd i s p o s a lp r o c e d u r eb a s e do nt h et r t a l gt e c h n o l o g y , r e a l i z et h e p u r ei p v 4h o s ta n dt h ep u r ei p v 6h o s ti n f o r m a t i o ni n t e r c o m m u n i c a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，e x p e r i m e n t sa l er e a l i z e db a s e do nw i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m , v c + + 6 0 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n d3r e s u r g e n c ez x r l 0g a rr o u t e r k e yw o r d ：i p v 4i p v 6t r a n s i t i o nt e c h n o l o g ys o c k e tt r ta l c t 5 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在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责任由本人承担。 论文作者签名：盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构遥交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 盟导师签名：他日 期型塑兰翌 第一章弓i 论 第一章引论 1 1 过渡技术研究的背景和意义 随着i n t e r n e t 的日益膨胀，现有的i p v 4 地址已经十分紧缺虽然使用分配临时i p v 4 地址或网络地址翻译( n a t ) 等地址使用技术，在一定程度上缓解了i p v 4 地址不足的状况， 但同时也增加了地址解析和处理方面的开销，导致某些高层应用失效，而且仍然无法回避 i p 、，4 地址即将被分配殆尽这个问题。采用长度为1 2 8bi 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，但他同 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 。 在i p v 6 成为主流协议之前首先使用i p v 6 协议栈的网络希望能与当前仍被i p v 4 支撑 着的i n t e r n e t 进行正常通信，因此必须开发出i p v 4 i p v 6 互通技术以保证i p v 4 能够平稳 过渡到i p v 6 。此外，互通技术应该对信息传递做到高效无缝。国际上i e t f 组建了专门的 n g t p m s 工作组开展对于i p v 4 i p v 6 过渡问题和高效无缝互通问题的研究。目前已经出现 了多种过渡技术和互通方案，这些技术各有特点，用于解决不同过渡时期、不同环境的通信 问题，有些已经相当成熟并形成了r f c ，有些还只是作为i n t e r n e td r a f t 有待完善。 然而i p v 4 向i p v 6 的过渡存在极大困难，要考虑的不光是i p v 4 向i p v 6 过渡的可行性问 题，还应该兼顾到i p v 4 向i p v 6 过渡所使用方案尽可能的减小对各个方面的影响。人们已经 想到了很多过渡的方案，但都有其缺陷，如隧道技术，虽然能实现保护现有设备投资的目的， 但并不能真正从意义上让i p v 4 网络中的主机与i p v 6 网络中的主机相互访问，这些不足影响 了过渡方案更好的实施，因此对这些方案进行一系列的改进就显得非常必要。改变封装的策 略可以实现同一个报文既可以在i p v 4 网络中传输，也可以在i p v 6 网络中传输，从而达到 i p v 4 节点与i p v 6 节点互访的目的 1 。 1 2lp v 6 的发展情况 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 月在r f c l 8 8 3 中公布了建议标准 ( 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 ts t a n d a r d ) ，1 9 9 8 年1 2 月发布了标准r f c 2 4 6 0 。 1 2 1i p v 6 的产生背景 i p v 6 是为了解决现行i n t e r n e t 出现的问题而诞生的。现存的i p v 4 网络潜伏着两大危 机：地址枯竭和路由表急剧膨胀。i p v 6 的出现将从根本上解决这些问题。i p v 6 继承了i p v 4 的优点，并根据i p v 4 多年来运行的经验进行了大幅度的修改和功能扩充，比i p v 4 处理性 6 第一章 弓l 论 能更加强大、高效。与互联网发展过程中涌现的其它技术概念相比，i p v 6 可以说是引起争 议最少的一个人们已形成共识，认为i p v 6 取代i p v 4 是必然发展趋势，其主要原因归功 于i p v 6 几乎无限的地址空间。 1 1 2 2i p v 6 网络发展现状 2 【3 】 美国在i p v 6 的i 乳文件发表6 年之后思科于2 0 0 1 年7 月1 0 日宣布与微软、i 阴、惠 普、s u n 和摩托罗拉结成伙伴关系，共同推进i p v 6 硬件和软件的开发，这标志着美国对待 新标准的态度有所转变。美国国防部己具体提出了i p v 6 的进度安捧： 2 0 0 2 年至2 0 0 4 年形成标准的i p 、，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 、，4 协议退出。 欧盟专门成立了一个i p v 6 任务小组，欧洲许多知名电信制造商、运营商及相关组织都 是该小组的成员。小组的第一个任务是制定一项计划，在固定和移动通信网实现从i p v 4 向 i p v 6 的过渡，目标是在2 0 0 5 年使欧洲在下一代互联网协议方面具备相当竞争力。负责该小 组的拉地夫拉迪德原是爱立信的高级雇员，他说：。i p v 4 必须向i p v 6 过渡，这进程启 动越晚，代价越大，所以我们必须要正视这一点。” 日本和韩国政府也都宣布将积极推动i p v 4 向i p v 6 的过渡，争取到2 0 0 5 年时在i p v 6 方面。具备相当竞争力”。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 l 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 基本战略一中的重点政策“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。 韩国在战略、政策、立法、项目资助、国际合作等方面都有相应措施。韩国制订了i p v 6 的演进进程，共分四个阶段。第一阶段( 2 0 0 1 年以前) 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 年2 0 0 5 年) 建立i p v 6 岛，与现有i p v 4 大网互通，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 年- 2 0 1 0 年) 建立i p v 6 大网，原i p v 4 大网退化为i p 、r 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) 演变 成一个单一的i p v 6 网。 我国对i p v 6 的研究始于1 9 9 8 年，中国教育科研网( c e r n e t ) 是我国研究i p v 6 最 早的网络。1 9 9 9 年，北京英纳特网络研究所( b i i ) 开始进行i p v 6 的研究，加入6 b o n e ， 最早建成了商业i p v 6 实验床。1 9 9 9 年1 2 月c e r n e t 与n o k i a 合作，启动i n t e r n e t 计划。另外。中科院进行i p v 6 协议栈的科研与试验、北京交大开发i p v f i 边缘路由器、 7 第一章引论 n o k i a 中国研究院开发m o b i l ei p v 6 、中国科技大学进行n a t - p t 和i p v 6 0 0 s 方面的研 发。2 0 0 2 年，信息产业部电信研究院与b i i 共同建立中国第一个电信i p v 6 实验网，目 前已经建设了3 个骨干网络节点并与国际i p v 6 实验网6 b o n e 连接，通过2 5 g 光纤运 行n a t i v ei p v 6 协议，提供i p v 6 嗍，i p v 6 等多种应用服务。2 0 0 2 年5 月，湖南i p v 6 电信级试验网项目启动，至2 0 0 3 年3 月实验网络的工程建设工作已经基本完成，并已设 置了一些相关的i p v 6 应用。整个网络采用i p v 6o v e ri p v 4 的方式接入全球最大的i p v 6 实验网6 b o n e ，向终端用户提供透明的v 4 v 6 的接入。2 0 0 3 年，国家发展改革委会同有 关部门组织进行中国下一代互联网战略研究，并准备安摔。中国下一代互联网示范工程 c n g i ”大型项目。2 0 0 3 年4 月，中兴通讯推出其最新开发出的i p v 4 v 6 双栈路由器以 及i p v 6 网络解决方案，并在2 0 0 3 年底推出支持i p v 6 的高端路由器。2 0 0 3 年4 月， 华为公司宣布了。i p v 6 产品体系计划”，年底推出了支持i p v 6 的数字通信产品、3 g 产品和n g n 产品，并在2 0 0 4 年完成商用化阶段。2 0 0 3 年4 月，天地互连公司正式发布 了中国首个i p v 6 整体解决方案，并在6 月份建立国内首个i p v 6 应用演示中心。这标志 着我国在i p v 6 产业化方面所取得的实质性进展，在产业界引起了极大反响。2 0 0 4 年3 月， 在中国国际教育科技博览会暨中国教育信息化论坛开幕仪式上，中国第一个下一代互联网主 干网c e r n e t 2 试验网正式宣布开通并提供服务。2 0 0 4 年。由清华大学大等2 5 所高校 承担建设的我国第一个下一代互联网c n g i - c e r n e t 2 建成。经过2 年的运行，在参与的2 5 所高校的数百名科研人员的共同努力下，下一代互联网研究获得了多项重大成就，由汪成为、 邬贺铨等l o 个院士领衔的项目鉴定委员会一致认为，鉴定委员会一致认为，c n g i c e r n e t 2 6 i x 是目前世界上规模最大的纯i p v 6 大型互联网主干网。该项目立足于国产关键 网络设备和自行研发的网络技术，设计和建设了以国产设备为主的大型下一代互联网主干 网。该项目技术起点高，实现难度很大，己在国内外产生了重要影响。该项目有多项重大创 新，特别是“建设纯i p v 6 大型互联网主干网”、“基于真实i p v 6 源地址的网络寻址体系结 构”和“i p v 4o v e ri p v 6 网状体系结构过渡技术”属国际首创，总体上达到世界领先水平。 2 0 0 6 年9 月9 日国内首个基于i p v 6 无线路由器的下一代校园无线网在北京交通大学正 式开通，该无线网首次运用i p v 6 无线路由器组成3 0 0 多个无线覆盖点，解决了学校信息点 流动和难以布线的问题。据介绍，这个基于i p v 6 无线路由器的下代校园无线网，由北京 交大自主开发研究，攻克了关键的新一代网络的路由技术和安全技术，填补了国内外在这一 领域的空白。 1 2 3 全球i p v 6 地址分配管理情况4 1 7 3 r f c l 8 8 1 规定，i p v 6 地址空间的管理必须符合i n t e r n e t 团体的利益，必须是通过一个 中心权威机构来分配。目前这个权威机构就是i a n a ( i n t e r n e ta s i g n e dn u m b e r sa u t h o r i t y ， 8 第一章引论 i n t e r n e t 分配号码权威机构) 。i a j 、a 会根据i a b ( i n t e r n e ta r c h it e c t u r eb o a r d ) 和i e g s 的建议来进行i p 、，6 地址的分配。 目前i a n a 已经委派以下三个地方组织来执行i p v 6 地址分配的任务： 4 9 车欧洲的r i p e - n c c ( 聊飘r i p e n e t ) 掌北美的i n t e r n i c ( m i n t e r n i c n e t ) 宰亚太平洋地区的a p n i c ( w w w a p n i c n e t ) 1 2 4 过渡技术的目标和意义 对于中国来说，积极发展i p v 6 重要的战略意义在于：它将提供一个从引进技术转变到 引导技术发展的机会，业内专家所指出的：。建设基于i p v 6 的下一代网络是重要的战略发 展方向。从全局观点看，i p v 6 也许是比3 g 更为重要的一次机遇。”全世界的运营商( 除 了美国) 都面临着可分配的i p 地址即将枯竭的问题。电信级i p 网络必须具备丰富的业务应 用才谈得上运营性，网络中必须提供大量的接入业务，接入业务的开拓就需要i p 地址支持。 据北京英纳特网络研究所所长刘东介绍：目前中国申请到的i p 地址有2 6 0 0 万个，相当于两 个a 类地址。这些i p 地址对中国来说是远远不够的。由于历史原因。中国对于i p v 4 地址分 配也不具备发言权。截止2 0 0 2 年1 2 月底，拥有1 3 亿人口的中国只有大约2 9 0 0 万个i p 地 址( 数据来源：a p n i c 一亚太地区互联网地址分配与登记组织) ，中国是全球最需要i p 地址 的国家之一。c 5 在未来的一段时间里，i p v 4 与i p v 6 将同时并存，相互作用。首先，虽然i p v 6 是一项 最终定型的协议，但仍然存在一些需要解决的技术问题，因此运营商对于在一夜之间将网络 转入新协议存在一定的犹豫；其次，目前还存在数量巨大的采用i p v 4 协议的网络设备和装 置，它们仍然需要得到i p v 4 协议支持；第三，虽然i p v 4 被看作是老化的协议，性能上受到 限制，但在许多工作环境里性能良好。 因此，从i p v 4 到i p v 6 的演进必然是一个渐进的过程。引入i p v 6 技术并实现全球i p v 6 网络互联，仍然需要一段时间，才能使所有服务都实现对i p v 6 的支持。在过渡的第一个阶 段，只要将小规模的i p v 6 网络连入i p v 4 互联网，就可以通过现有网络访问i p v 6 服务。但 是基于i p v 4 的服务已经很成熟，它们不会立即消失。重要的是，在实现过渡的过程中，一 方面要继续维护这些服务，同时还要支持i p v 4 和i p v 6 之问的互通性。 1 0 1 3 本文的主要工作和内容 用软件插件来完成的薪型封装技术是在隧道技术和双协议栈两种技术的基础上提出 的一种新的封装策略。论文中所作的主要工作如下： 1 ) 论文首先引入了各种过渡技术，分析各种过渡技术的过渡方式，来介绍新的封装策略 9 第一章 引论 的意义所在。 2 ) 详细地叙述新型封装策略的具体实现过程。 3 ) 介绍新型封装策略所需的技术支持。 4 ) 介绍新型封装策略中所需的插件设计。 5 ) 最后，作者采用了一系列的实验测试数据来说明新型封装策略的可行性以及所能达到 的效果 本论文一共分6 章，+ 其内容如下： 第1 章， 主要引入了i p v 4 i p v 6 过渡技术的概念，简单介绍了过渡技术的设计目 标：同时介绍了本论文研究的意义。 第2 章， 详细的介绍了i p v 4 与i p 、，6 协议的特点与区别。 第3 章， 深入的介绍传统过渡技术的各个基本特点和实现方式。 第4 章， 提出新型封装策略的思想，并详细说明了这种封装策略的优势所在。 第5 章， 新型封装策略的插件设计和核心技术。 第6 章，测试和总结新型封装策略的应用效果。 1 0 第二章i p v 4 协议与m v 6 协议简介 第二章i p v 4 协议与i p v 6 协议简介 互联网协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 是规范计算机网络中数据传送的一套协议目前使 用的是i p v 4 ，i p v 6 在试验阶段。 2 1ip v 4 协议m 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 ) ，发展至今已经 使用了3 0 多年。i p v 4 。的地址位数为3 2 位，也就是最多有2 的3 2 次方的计算机可以联到 i n t e r n 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i p 位址 的发放愈趋严格，各项资科显示全球i p v 4 位址可能在2 0 0 5 至2 0 0 8 年问全部发完。 i p v 4 是互联网协议( i n t e r n e tp r o t o c o l ，i p ) 的第四版，也是第一个被广泛使用，构 成现今互联网技术的基石的协议。1 9 8 1 年j o np o s t e l 在r f c 7 9 1 中定义了i p o ( 按t c p i p 参考模型划分) 2 1 1 地址格式 虢用层聪震 每输层隧黧 燕曩 链路层以太网令牌环f d d i 图2 1t c p i p 协议栈示意图 i p v 4 使用3 2 位地址，因此最多可能有4 ，2 9 4 ，9 6 7 ，2 9 6 ( = 2 3 2 ) 个地址。一般的书写法为 4 个用小数点分开的十进制数。也有人把4 个字节的数字化成一个巨型整数，但这种标示法 并不常见。另一方面，目前还并非很流行的i p v 6 使用的1 2 8 位地址所采用的位址记数法， 在i p v 4 也有人用，但使用范围更少。 过去i a i q m p 地址分为a ，b ，c ，d4 类，把3 2 位的地址分为两个部分：前面的部分代表网络地 址，由i a n a 分配，后面部分代表局域网地址。如在c 类网络中，前2 4 位为网络地址，后8 位为局域网地址，可提供2 5 4 个设备地址( 因为有两个地址不能为网络设备使用：2 5 5 为广 第二章i p v 4 协议与i p v 6 协议简介 播地址0 代表此网络本身) 。网络掩码( n e t m a s k ) 限制了网络的范围，l 代表网络部分，0 代表设备地址部分，例如c 类地址常用的网络掩码为2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 。 一些特别的i p 地址段： 1 2 7 x x x 给本机地址使用。 2 2 4 x x x 为多播地址段。 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 为通用的广播地址。 1 0 x x x ，1 7 2 1 6 x x 和1 9 2 1 6 8 x x 供本地网使用，这些网络连到互连网上需要对这些 本地网地址进行转换。 但由于这种分类法会大量浪费网络上的可用空间，所以新的方法不再作这种区分，而是 把用者需要用的位址空间，以2 的乘幂方式来拨与。例如，某一网络只要1 3 个i p 位址，就 会把一个1 6 位址的区段给他。假设批核了6 1 1 3 5 1 3 6 1 2 8 1 6 的话，就表示从 6 1 1 3 5 1 3 6 。1 2 9 到6 1 1 3 5 1 3 6 1 4 2 的网址他都可以使用。 2 1 2l p 包长 i p 包由首部( h e a d e r ) 和实际的数据部分组成。数据部分一般用来传送其它的协议，如 t c p ，u d p ，i c m p 等。数据部分最长可为6 5 5 1 5 字节( b y t e ) ( = 2 x x l 6 一l 一最短首部长度2 0 字节) 。一般而言，低层( 链路层) 的特性会限制能支持的i p 包长。例如以太网( e t h e r n e t ) 协议，有一个协议参数，即所谓的最大传输单元( m a x i m u mt r a n s f e ru n i t ，m t u ) ，为1 5 1 8 字节，以太网的帧首部使用1 8 字节，剩给整个i p 包( 首部+ 数据部分) 的只有1 5 0 0 字节。 还有一些底层网络只能支持更短的包长。这种情况下，i p 协议提供一个分割( f r a g m e n t ) 的可选功能。长的i p 包会被分割成许多短的i p 包，每一个包中携带一个标志( f r a g m e n t i d ) 。 发送方( 比如一个路由器) 将长i p 包分割，一个一个发送，接送方( 如另一个路由器) 按照相 应的i p 地址和分割标志将这些短i p 包再组装还原成原来的长i p 包。 2 1 3l p 路由 i p v 4 并不区分作为网络终端的主机( h o s t ) 和网络中的中间设备如路由器中间的差别。 每台电脑可以即做主机又做路由器。路由器用来联结不同的网络。所有用路由器联系起来的 这些网络的总和就是互联网。 1 2 第二章口v 4 协议与i p v 6 协议简介 i p 、r 4 技术即适用于局域网( l a n ) 也适用于广域网。个i p 包从发送方出发，到接送方 收到往往要穿过通过路由器连接的许许多多不同的网络。每个路由器都拥有如何传递i p 包的知识，这些知识记录在路由表中。路由表中记录了到不同网络的路径，在这儿每个网络 都被看成一个目标网络。路由表中记录由路由协议管理，可能是静态的记录比如由网络管理 员写入的，也有可能是由路由协议动态的获取的有的路由协议可以直接在i p 协议上运行。 2 1 4 常用的路由协议 路由信息协议( r o u t i n gi n f o r m a ti o np r o t o c 0 1 r i p ) ， 开放式最短路径优先协议，o p e ns h o r t e s tp a t hf a s t ，o s p f ) ， 中介系统对中介系统协议( i n t e r m e d i a t es y s t e m i n t e r m e d i a t es y s t e m ，i s - i s ) ， 边界网关协议( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l 。b g p ) 在网络负荷很重或者出错的情况下，路由器可以将收到的i p 包丢弃。在网络负荷重的 时候，同样一个i p 包有可能由路由器决定走了不同的路径。路由器对每一个i p 包都是单独 选择路由的。这也提高了i p 通信的可靠性。但单是i p 层上的包传输，并不能保证完全可靠。 i p 包可能会丢失：可能会有重复的i p 包被接受方收到：i p 包可能会走不同的路径，不能保 证先发的先到：接受方收到的可能是被分割了的i p 包。在i p 之上再运行t c p 协议则解决这 些缺点提供了一个可靠的数据通路。 2 1 5i c l 4 p 互联网控制消息协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l ，i o i p ) 用于查错和控 制( 如) ，是i p 协议不可能缺少的帮手。几乎任何的i p 协议的实施( i m p l e m e n t a t i o n ) 都伴随 一个i c m p 协议的实施。i c m p 协议实现在i p 之上，即i c m p 包是作为i p 的数据部分来传送 的。 i c m p 的一个重要的应用是网络拥塞控制：路由器丢弃一个i p 包时，一般会用i c m p 发 一个消息给这个i p 包的原发送者，原发送者可以相应的降低i p 包的发送频率，以降低或避 免i p 包再被丢弃的可能性。 i c m p 的另一个重要的应用在于，将传送i c m p 消息的i p 包禁止分割位( d o n t f r a g m e n t - b i t ) 设置上，就可以利用i c m p 的来测量一段网络的最大传输单元( m t u ) 1 3 第二章i p v 4 协议与i p v 6 协议简介 2 1 6i p o e ， i p v 4 可以运行在各种各样的底层网络上，比如端对端的串行数据链路( p p p 协议和s l i p 协议) ，卫星链路等等。局域网中最常用的是以太网。 一个用于i p 包的以太网数据帧，在i p 包首部前有一个1 4 字节的以太网帧首部，在i p 数据部分后添加了一个3 2 位“字节) 的c r c 校验。 除了1 5 1 8 字节的最大传输单元( m t u ) 限制外，以太网还有最小传输单元的限制：总帧 长不能小于6 4 字节。如果i p 包太短比如i p 数据部分短于2 6 字节，那么后面会添 0 ( p a d d i n g ) ，这时i p 首部中的包长度指示了真正的包长。 以太网使用4 8 位的地址。每个以太网网卡都有一个独一无二的4 8 位的硬件地址。所有 的位均为l 的地址是以太网广播地址。发送数据的以太网网卡必须知道数据接送方的以太网 地址才能把数据发给它。 地址解析协议a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 用于将i p 地址转换成以太网地址。 每台计算机上都有一个a r p 列表，里面存储了以太网中不同的i p 地址与以太网地址的对应 关系。如果一台计算机发现某个目标i p 地址没有对应的以太网地址，它会发一个a r p 请求 ( r e q u e s t ) 到以太网中询问，拥有该i p 地址的计算机就会发一个a r p 应答( r e p l y ) 来通知它 自己的以太网地址。 2 2ip v 6 协议阿 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 0 s ) 、安全性、多播、移动性、即插即用等。 i p v 6 是互联网协议的第六版；最初它在i e t f si p n g 选取过程中胜出时称为互联网下 一代协议( i p n g ) 。i p v 6 准备取代现有标准，i p v 4 。i p v 4 只支持大概4 0 亿( 4 1 0 9 ) 个网 络地址，而i p v 6 支持3 4 1 0 3 8 个。预计在2 0 2 5 年以前i p v 4 都会被支持，以便给新协 议的修正留下足够的时间。促使i p v 6 形成的主要原因是网络空间的匮乏，尤其是在高速 发展的亚洲国家例如印度和中国。参考i p v 4a d d r e s se x h a u s t i o n 这篇文章了解更多这方面 1 4 第二章i p v 4 协议与i p v 6 协议简介 的内容。但随着n a t 的引入这已经不是很大的问题。现在推动i p v 6 发展的主要动力是新的 用途，像移动性，服务质量，机密性的扩展等。i p v 6 是被正式广泛使用的第二版互联网协 议。( i p 、，5 不是i p v 4 的继承，而是实验性的面向流的数据流协议，用来对声音，图像等提 供支持。) i p v 6 的计划是建立未来互联网扩充的基础。虽然i p v 6 十年前就已被i e t f 指定 作为i p v 4 的下一代( 在1 9 9 4 年) ，在世界范围内使用i p v 6 部署的公众网与i p v 4 相比还非 常的少。 2 2 1i p v 6 编址 从i p v 4 到i p v 6 最显著的变化就是网络地址的长度。r f c2 3 7 3 和r f c2 3 7 4 定义的i p v 6 地址，就像下面章节所描述的，有1 2 8 位长：i p v 6 地址的表达形式一般采用3 2 个十六进制 数。 i p v 6 中可能的地址有2 1 2 8 3 4 1 0 3 8 个也可以想象为1 6 3 2 个因为3 2 位地址每 位可以取1 6 个不同的值( 参考组合数学) 。在很多场合，i p v 6 地址由两个逻辑部分组成： 一个6 4 位的网络前缀和一个6 4 位的主机地址，主机地址通常根据物理地址自动生成，叫做 即i 6 4 ( 或者6 4 一位扩展唯一标识) 。 2 2 2i p v 6 地址表示 i p v 6 地址为1 2 8 位长但通常写作8 组每组四个十六进制数的形式。例如： 2 0 0 1 ：o d b 8 ：8 5 a 3 ：0 8 d 3 ：1 3 1 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 是一个合法的i p v 6 地址。如果四个数字都是 零，可以被省略。例如：2 0 0 1 ：o d b 8 ：8 5 a 3 ：0 0 0 0 ：1 3 1 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 等价于 2 0 0 1 ：o d b 8 ：8 5 a 3 ：1 3 1 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 遵从这些规则，如果因为省略而出现了两个以上的 分号的话，可以压缩为一个，但这种零压缩在地址中只能出现一次。因此： 2 0 0 1 ：o d b 8 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：1 4 2 8 ：5 7 a b2 0 0 l ：o d b 8 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：1 4 2 8 ：5 7 a b 2 0 0 1 ：o d b 8 ：0 ：0 ：0 ：o ：1 4 2 8 ：5 7 a b2 0 0 1 ：o d b 8 ：0 ：0 ：1 4 2 8 ：5 7 a b2 0 0 1 ：o d b 8 ：1 4 2 8 ：5 7 a b 都使合 法的地址，并且他们是等价的。但2 0 0 1 ：2 5 d e ：c a d e 是非法的。( 因为这样会使得搞不清 楚每个压缩中有几个全零的分组) 同时前导的零可以省略，因此： 2 0 0 1 ：0 d b 8 ：0 2 d e ：o e l 3 等价于2 0 0 1 ：d b 8 ：2 d e ：e 1 3 如果这个地址实际上是i p v 4 的地址，后3 2 位可以用1 0 进制数 表示；因此：f f f f ：1 9 2 1 6 8 8 9 9 等价于：f f f f ：c o a 8 ：5 9 0 9 ，但不等价于：1 9 2 1 6 8 8 9 9 和：c o a 8 ：5 9 0 9 。f f f f ：1 2 3 4 格式叫做i p v 4 映射地址，是不建议使用的。而：1 2 3 4 格式叫做i p v 4 一致地址。 i p v 4 地址可以很容易的转化为i p v 6 格式。举例来说，如果i p v 4 的一个地址为 1 3 5 7 5 4 3 5 2 ( 十六进制为o x 8 7 4 8 2 8 3 4 ) 。它可以被转化为 o 0 0 0 ：o 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：o 0 0 0 ：8 7 4 b ：2 8 3 4 或者：8 7 4 b ：2 8 3 4 。同时，还可以使用混合符 号( i p v 4 一c o m p a t i b l ea d d r e s s ) ，则地址可以