（计算机应用技术专业论文）基于linux的ipv4和ipv6的互连研究.pdf

基于l i n u x 的i p v 4 和i p v 6 的互连研究 摘要 当前i n t e r n e t 的大发展及用户的迅速增加，导致传统的i p v 4 网络地址严 重不足，由i p v 4 向i p v 6 的过渡己成必然。但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。 l i n u x 作为当前流行且源码开放的操作系统，未来将可能成为主流的p c 操 作系统，所以也将是i p v 6 最主要的运行环境。 论文主要探讨基于l i n u x 操作系统下未来相当长一段时间之内i p v 4 和i p v 6 平稳过渡的方案，并就最基本的互连问题提出观点，进而通过实验验证，得出 结论。文章首先概述了i p v 6 的引入原因，i p v 6 的发展历史，i p v 6 的特点等一系 列基本问题，并对其他几种解决地址问题的过渡方案进行比较；然后对比分析了 i p v 4 和i p v 6 的包头和编址特点。这些都是互连实验的基础。接着论文阐述了 i p v 4 和i p v 6 的整合共存策略，介绍了几种作者认为现阶段行之有效的新技术， 探讨了网络设备和运营商的过渡方案：最后重点介绍了基于l i n u x ，如何针对各 种园区网环境进行i p v 4 和i p v 6 的互连，以及通过隧道技术如何实现i p v 6 园区 网络闯的互连，并进行了实验设计和验证，最后得出一系列可行的结论。 关键词：i p v 4 i p v 6 互连双栈隧道 r e s e a r c ho nm u t u a l c o n n e c t i o nb e t 、v e e n i p v 4a n di p v 6b a s e do nl i n u x a b s t r a c t d u et om er a p i dp r o 铲e s so fi n t e r n e ta n dt h eg r o w t ho fi t su s e r s ，t h e r ei sa s e r i o u sl a c k0 fo l dp v 4a d d r e s s e s w h i c hn e c e s s i t a t e st h et r a n s i t i o no fi p v 4t o 口v 6 b u tp v 4h a sb e e ni m p l e m e m c ds u c c e s s f u l l ya t t e i 斟e tf o ro v e r2 0y e a r s a 1 1 dh a sas e to fm a n 删e n v i r o n m 锄o fs o 矗w a r ea n dh a r d w a r e i tc o u l dn o tb e r e p l a c e db y 邛v 6m p i d l y i nas h o nt h e s ot l l e r eh 嬲t ob eal o n gt i m ef o rt 1 1 e 似o p r o t o c o l s c o e x i s t e n c e h o wt os e c u r eas t d b l e 岫s i t i o nw 订lb eas e r i o u sp r o b l e m f b r u s t os o l v e l i n u x ，a sap o p u l a ra i l do p e n i n g s o u r c e c o d eo p e r a t i n gs y s t e m ，w i l lp m b a b l y b e c o m eap r i n c i p l eo p e m t i n gs y s t e ma n dam a i nm n n 血ge n 、哇m n r n e mo f i p v 6i nt h e f i l t i l r e t h et l l e s i sm a i l l l yp r o b e si n t oa 打a i l s i t i o np l a n 舶m v 4t op v 6 ，w i l has p e c i a l f o c u so nm eb a s i cm u t i l a l - c o 衄e c t i o np r o b l 锄t h et h e s i sp r o v i d e ss o m ec o n c l u s i o n s l r o u 曲廿l et e s t sa i l dv 丽e c a t i o nw l l i c ha r eb a s e do ns o m en e wv i e w p o i n t s t h e t h e s i sf i r s t l yg i v e st h er e a s o nf o rt h ei n 咖d u c t i o no f 口v 6 t h eh i s t o r yo f i p v 6a n dt h e p e c u l i a r i t yo f 口v 6 na l s oc o m p a r e ss o m eo t l l e rt r a n s m o nt e c m q u e so fs o i v i n gt 量1 e a d d r e s sp r o b l e m t h e ni tc o n t r a s t sa n d a n a l y s i z e s 也ep a c k e th e a da n da d d r c s so fm v 4 a n d v 6 ，a l lo f w h i c ha r et h eb a s eo f t l em u t u a l c o 衄e c t i o ne x p e r i m e n t a n e rt h a tm e t h c s i si n t r o d u c e st h ec o - e x i s t i n gt a c t i c so f v 4a n d v 6 ，a n ds o m en e wt e c h n 0 1 0 9 i e s m a ta r ee f r e c t j y en o w t h e ni m - o b e sj n t ot h et r a n s i t j o ns c h e m e so fn e t w o r k e q u i p m e n t sa n di s pl a s t l yt h et h e s i si 1 1 t m d u c e sh o wt oi m p l e m e n tl h em u t u a l c o n n e c t i o no fp v 4a 1 1 d 口v 6b a s e do nl i n u xi nd i 矗b r c n tl ( i n d so fl a ne n v i m 姗e n t s a n dh o wt oi m p l e m e n tm em u t u a l - c o n n e c t i o nb e t w e e n 6l i nt h m u g ht u n n e l t e c h n i q u e s t h em e s i s 西v e sas e r i e so ff c 觞i b l ec o c l i l s i o n sw h i c hh a v eb e e nv e r i f i c d b ye x p e r i m e n t si nm ee n d k e yw o r d s ：i p v 4 ，i p v 6 ，m u t u a l 一c o n n e c t i o n ，d u a l 一s t a c k ，f u n n e l 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名 丝炀 雠谢欠次 、， 合蛇以 万f 觚 l l 冽极根 1 扛售 箍貉 插图清单 图3 1i p v 4 包头格式1 9 图3 2i p v 6 包头格式2 l 图3 ，3i p v 6 扩展包头结构2 2 图3 4 i p v 6 扩展包头示意图一- 2 2 图3 5 路由包头格式”2 3 图3 6 分片包头格式- - 2 3 图3 7 单播i p v 6 地址结构一2 7 图3 8 带子网前缀的单播i p v 6 地址结构2 7 图3 9 i e e ee u i 一6 4 接口标识符起始二进制位的表示图2 8 图3 1 0 全球单播地址格式2 8 图3 1 l 与i p v 4 兼容的i p v 6 地址格式2 9 图3 1 2 与i p v 4 映射的i p v 6 地址格式2 9 图3 1 3 本地链路地址格式3 0 图3 1 4 本地站点地址格式3 0 图3 1 5i p v 6 任意播地址格式3 1 图3 1 6i p v 6 组播地址格式3 l 图3 1 7i p v 6 组播地址标志格式3 l 图4 1 支持i p v 6 和i p v 4 双协议栈路由器的协议结构3 5 图5 1 实验拓扑图4 5 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表格清单 r f c 地区i p 地址分配表 首选格式的i p v 6 地址格式化为压缩格式的例子 i p v 6 地址分类表 组播地址范围字段含义表 双栈实验数据表 实验一结果 实验二结果 实验三结果一 实验四结果“ 隧道实验数据表一 实验五结果 6 - 2 5 “2 6 一3 2 4 6 4 7 4 8 4 8 4 9 5 0 “5 1 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 金筵王丝丕堂 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 并表示谢意。 学位论文作糍：嚆 期：砧了月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王些态堂有关保留、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。本人授权金 毽王些盍堂可以祷学位论文的全部或韶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适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：力投降3 月知日 工作单位：j 受抽叩苑舀偿计 通讯地址：尝t 抽廊花研薹、1 导师签名：殇 ，沙巳 签字日期乒阳蛑7 月声日 电话：口州一删1 形 邮编：z 毕6 。j 致谢 至此论文完成之际，我要向我的导师周健老师致以最衷心的感谢，从论文的 选题，到搜集资料、实验准备、论文成稿、修改直到最终的定稿，都得到了 周老师悉心的指导。他广博的学识、严谨的治学态度和平易近人的师长风范都给 我留下了深刻的印象。是他不断的鼓励与耐心细致的指导给了我信心并帮我确立 了研究方向。进而顺利完成了这篇论文，并在此过程中受益非浅。 同时，合肥工业大学计算机学院的许多老师，给予了我很多的培养与帮助， 我十分感激与敬佩他们! 我还应当感谢合肥工业大学理学院的苏本跃博士，在我 论文准备期间，给予的大力支持与帮助。 感谢评阅、评议硕士论文和出席硕士论文答辩会的各位专家学者，感谢他们 在百忙中给予的批评指正和宝贵意见。 当然，我所在单位暨安庆师范学院计算机与信息学院的领导和老师对我的支 持也是至关重要的，我感谢他们。 最后，我要感谢我的家人特别是我的妻子这段时间在生活、工作、学习等方 方面面对我的关心与支持，谨以此文献给她。 作者：江伟 2 0 0 5 年3 月1 0 日 1 1 论文的研究背景： 第一章绪论 当前i n t e r n e t 的大发展及用户的迅速增加，导致传统的i p v 4 网络地址严 重不足，由i p v 4 向i p v 6 的过渡已成必然。但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。而l i n u x 作 为当前流行且源码开放的操作系统，未来将可能成为主流的p c 操作系统，本课 题主要探讨基于l i n u x 操作系统下未来相当长一段时间之内i p v 4 和i p v 6 的互 连及平稳过渡的方案。 1 2 国内外研究现状： 互联网工程小组正t f ( i n t e r n e te n 百n e e 咖g 亿kf o r c e ) 专门有一个工作 组n g 竹a i l s 负责邛v 4 向邛v 6 过渡的设计工作，包括过渡的机制和程序。 日本r 政府计划2 0 0 5 年实现全面过渡，以日立公司为首的众多公司正不遗 余力地研发支持口v 6 的网络设备，是目前全球p v 6 应用发展最快的国家) 。 美国( 美国的下一代互联网( i n t e r n e t 2 ) 已经连接全国，计划2 0 0 8 年实现全 面过渡) 。 欧洲( 众多通信设备厂商正在积极研发口v 6 支持的网络和通信设备，希望在 移动碑v 6 方向掌握先机1 。 国内( 众多实验网正在运行，如湖南邛v 6 实验网，下一代m 电信实验网等， 中国教育和科研计算机网c e 鼢忸t 已于1 9 9 8 年接入全球最大的邛v 6 实验网 6 b o n e ，比较知名的公司如天地互连信息技术有限公司等正致力于m v 6 软硬件 环境的研究。2 0 0 4 年1 2 月2 5 日，是一个值得纪念的日子，中国第一个下一代 互联网暨中国下一代互联网示范工程核心网( c e r n e t 2 ) 正式珏通，这是世界上规 模最大的纯i p v 6 互联网，标志着我国下一代互联网建设全面拉开序幕，并在世 界下一代互联网发展上取得先机) 。 1 3 目的和意义： 目的：为我国大多数规模小，资金不充裕，完全改造难度大的局域网( 含校 园网) 提供一个较佳的i p v 4 和v 6 的互连和过渡方案，为网络应用、教学、科 研提供条件。 意义：显而易见，本课题具有较高的经济和社会意义，特别是对于发展中 国家( 如我国) 的网络过渡和改造，具有一定的现实意义。 1 4 本文的研究内容： 当前i p v 6 的发展阶段可以形象地比喻为i p v 4 海洋中零星的i p v 6 小岛，在 局域网( 含校园网) 中，同样是这样，即主导地位仍在i p v 4 手中。所以现阶段主 要解决的是i p v 6 小岛之间的通信以及i p v 4 和i p v 6 的互访问题，由于目前对于 这两种通信最主要的技术是双协议栈技术和隧道技术。所以本课题拟通过实验 测试并解决在不同的网络拓扑和设备下，采用l i n u x 的节点如何利用这两种技 术实现i p v 4 和i p v 6 的共存和通信，以及两个i p v 6 园区网( 小岛) 如何通过隧道 技术实现互连和互访。 1 5 论文的组织结构： 各章内容安排如下i 第一章绪论：简要介绍了本论文的研究背景，国内外研究现状，目的和 意义，以及论文的主要内容。 第二章i p v 6 的历史和特点：介绍了i p v 6 的发展历史，i p v 6 的主要特点， 并就其他几种解决地址问题的过渡方案和局限性做了阐述。 第三章i p v 6 的包头与编址：对比分析了i p v 4 和i p v 6 的包头，并就i p v 6 的编址结构详细进行了叙述。 第四章i p v 4 和i p v 6 的整合共存策路：介绍了目前主要的一些过渡技术和 过渡方案，并就运营商的过渡策略进行了阐述。 第五章基于l i n u x 的互连研究与实现：介绍了l i n u x 及其发展历史，选 择l i n u x 的原因，l i n u x 的i p v 6 支持和管理；然后尝试通过互连实验，给出不 同园区网环境下i p v 4 和i p v 6 互连的方案和两个i p v 6 园区网之间互连的方案。 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。 1 6 本章小结： 综上所述，我们可以知道，现在我国在i p v 6 的研究领域已经走在了世界的前 列，但是要实现从i p v 4 到i p v 6 的完全过渡，对于我们这样一个发展中国家，并不 是件容易，能很快完成的任务。立足于现有的设备和条件，先实现“互连互访”， 然后逐步过渡到完全的转换，则更加现实，本文即探讨这问题在现阶段的有 效解决方案。 第二章 i p v 6 的历史和特点 2 1i p v 4 的地址问题( i p v 6 的引入原因，理论依据) i p 地址枯竭( 2 0 0 5 2 0 l o 年左右使用完毕) 骨干网络上路由表过于庞大，路由选择效率不高 其他一些原因( 如安全性) 由于历史的原因，1 9 7 3 年提出的i p v 4 协议使用的是3 2 b i t 地址域( 因为当 时的a r p a n e t 网络只需支持2 5 0 个站点和7 5 0 个计算机的互联，3 2 位即2 ”个 i p 地址，可分配超过4 0 亿台主机，对于当时来说，已经是个天文数字了) 。时 过境迁，当时提出i p v 4 的人肯定无法想到，这样庞大的地址体系，地址如今正 面临枯竭，发展陷入困境。据i n t e r n e t 网络地址分配的管理机构i n t e r n i c 预 测i p v 4 协议地址空间将到2 0 0 5 2 0 1 0 年左右使用怠尽。 究其原因主要有三方面，一是由于需要地址的设备和用户的快速增长。现 在不仅仅i n t e r n e t 上的每一台主机都要求分配一个( 或多个) i p 地址，越来越多 的移动通信设备，娱乐设备也开始有了i p 地址的需求，如手机，电视机等，所 以导致地址紧张；同时i n t e r n e t 的用户数也在呈指数增长。 第二个原因是因为i p v 4 地址在分配的初期就很不合理，地址严重浪费。互 联网起源于美国，美国是第一代互联网研究与建设的领袖，其在第一代互联网 占尽先机，先行分配资源，使之成为世界上i p 地址资源最多的国家，据统计， 美国掌握了全球7 4 的i p v 4 地址资源( 包括众多的a 类，b 类地址) ，反过来象 我国这样网络起步较晚的发展中国家则i p 地址严重不足，目前我国没有a 类地 址，b 类加上c 类地址也不到三千万，还不如美国一所大学的i p 地址资源多。 据统计数字表明，目前我国有近8 0 0 0 万上网用户，几乎相当于平均每三个上网 用户共用1 个i p 地址。同时，我国的2 亿多移动电话用户也正在或即将成为移 动上网的潜在用户，他们同样需要自己的i p 地址。飞速增长的i p 地址需求， 与现有地址不足的问题正逐渐成为制约国内互联网发展的瓶颐。 第三，现行i p v 4 的层次地址空间浪费了大量地址，目前使用的i p v 4 将地 址分为五类，即a ，b ，c ，d ，e 。对于大多数因特网用户而言，a 类网络提供的 1 6 0 0 万个地址太多，而c 类网络提供的2 5 6 个地址又太少，因此主要申请b 类 网络地址，但实际上b 类地址浪费也比较严重。此外d 类和e 类地址为组播和 试验目的保留，也耗费了一部分地址空间。 i p v 4 的另一局限性是骨干网络上路由表过于庞大。对路由器而言，i p v 4 地 址为两级层次结构，包含网络地址和主机地址两部分。如果有一百万个c 类网 络在因特网上使用，主干网路由器上就必须有一百万条目录存储这些路由地址。 正是因为i p v 4 采用与网络拓扑结构和地域无关的形式来分配地址，所以随着连 入的网络数目增加，路由器数目也飞速增加。相应地，决定数据传输路由的路 由表也就不断加大。路由表是存放在内存中的，内存的大小一般是不会因路由 表的增长而动念增长的。已经出现路由表占满内存，导致网络异常的恶性故障。 即使内存足够大，随着路由表的不断增大，路出器的路由性能也会不断下降， - 使路由器不堪重负，乃至瘫痪。与此同时路由算法也越来越复杂，而且路由算 法一般需要路由器之间定期交换路由信息，路由表越大，网络开销也越大，并 由此带来网络稳定性的下降。基于以上原因，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。例如1 9 9 6 年到1 9 9 9 年，上网的高峰时刻路由表一般 达到5 万6 万条；到了2 0 0 0 年，则达到了1 2 万条，并且仍将保持6 0 1 0 0 的速度增长。很多网络设备被淘汰，不是因为容纳不了大量的路由表，而是因 为在高峰时刻处理速度太慢。同时，i p v 4 数据包的包头长度不固定，难以用硬 件提取、分析路由信息，对进一步提高路由器的数据吞吐率也是不利的。 为解决以上这些问题，需要对i p v 4 地址结构进行改革，增加层次。例如， 可在一个i p 地址内包含国家域、地区域、城市域、网络域及主机域，这样既减 少了地址浪费，又使得路由器也可相应分层，缩小了路由表空1 1 日j 。但显而易见， 目前的3 2 位i p v 4 地址空间肯定是无法满足该要求的。 除了地址空间方面的局限外，i p v 4 在提供满足新应用的性能和安全性方面 也存在着些局限性。i p v 4 的数据包最大只能是6 4 k 字节，这对一些需要高速、 实时传输的应用，如多媒体应用是不够的。另外i p v 4 不提供路由器级的安全性， 这对诸如电子商务等对安全性要求很高的应用也是不够的。 基于以上几个主要原因，并为彻底解决地址问题，i e t f 从1 9 9 3 年开始， 就着手研究开发下一代i p 协议，并在1 9 9 4 年提出i p v 6 协议( 草案) ，它具有长 达1 2 8 位的地址空间，几乎可以不受限制地提供i p 地址，能够彻底解决i p v 4 地 址不足的问题。按保守方法估算，i p v 6 实际可以分配的地址数量，整个地球的 每平方米面积上，可以达到6 6 掌1 0 “个i p v 6 地址：有人形容说：世界上每一粒 沙子都可以分配一个地址。除了海量地址以外，i p v 6 在安全控制、服务质量、 传输效率等方面都有很大改进，有关i p v 6 体系结构的详细内容主要发表在 r f c l 8 8 3 至r f c l 8 8 7 文档上。 2 2 几种解决地址问题的过渡方案及其局限性 在从i p v 4 协议向i p v 6 协议的转换过程中，网络运营商和网络用户都不约 而同地期望延长他们熟悉的i p v 4 协议的使用，并且从i p v 4 到i p v 6 的转换也不 可能是一蹴而就的，它需要有一个漫长的过程。所以i p v 6 在目前还只是一种中 长期的地址短缺解决方案，现阶段有一些短期的解决方案，主要目的是尽量提 4 高对现有i p v 4 地址资源的利用率。如地址回收，更严格的地址分配策略，子网， c i d r ，n a t ，d h c p 等。相对于i p v 6 的“开源”思想，这些方法更多的是考虑如 何“节流”。下面要对这些方案作一简要分析，从中我们可得出结论，从长远看， 由于这些方法自身固有的缺陷，生命周期都不会太长： ( 1 ) 地址回收： i p 标准化组织i e t f 已发出号召，希望那些早年分配得到了“过量”地址的 组织和机构，能够归还他们不大可能用得上的地址资源，但目前看来收效甚微。 ( 2 ) 更严格的地址分配策略： 过去，因特网地址名字分配机构i a n a ( i n t e r n e ta s si g n e d n u m b e r sa u t h o r i t y ) 的地址分配策略是按照“预期最大规模”分配地址空间，而现在为了降 低i p 地址的分配速率，已经将策略改成了“目前需要规模”。此种方案虽然在 一定程度上对未来地址的分配会有所节约，但对已分配出去的大量地址无能为 力。 ( 3 ) 划分子网： 是将一段连续地址，在本局域网中继续分成几个子网，这就可以保护地址 资源免遭浪费。 ( 4 ) c i d r ( c l a s s l e s si n t e r _ d o 瞰i nr o u t i n g ) 无类别域闯路由选择： 1 9 9 0 年，人们预计，按照当时的地址分配速率到1 9 9 4 年3 月b 类地址将会 用尽，1 9 9 3 年在r f c l 5 1 9 中提出了最简单的补救方法：即采用多个连续c 类地 址做聚合作为b 类地址分配。它与划分子网原理正好相反，其主要目的是为那 些拥有数千个主机的局域网络分配一个由一系列连续的c 类地址组成的地址块。 采用这种分配多个i p 地址的方式，使其能够将路由表中的许多表项归并成更少 的数目。 c i d r 的基本思想是取消地址的分类结构，取而代之的是允许以可变长分界 的方式分配网络数。它意味着在路由表层次的网络一类”的概念已经被取消， 代之以“网络前缀”的概念。它支持路由聚合，可限制i n t e r n e t 主干路由器中 必要路由信息的增长。 “无类别”的意思是现在的选路决策是基于整个3 2 位i e 地址的掩码操作。 而不管其i p 地址是a 类、b 类或是c 类，都没有什么区别。 但要使用这种归并，必须满足以下三种特性。 1 ) 为进行选路要对多个i p 地址进行归并时，这些i p 地址必须具有相同的 高位地址比特。 2 ) 路由表和选路算法必须扩展成根据3 2 位i p 地址和3 2 位掩码做出选路决 策的算法。 3 ) 必须扩展选路协议使其除了3 2 位地址外，还要有3 2 位掩码。o s p f 和r i p 一2 都能够携带第4 版b g p 所提出的3 2 位掩码。 根掘r f c l 4 6 6 建议，整个世界被分为四个地区，每个地区分配一段连续的c 类地址，如表2 1 所示： 欧洲： 1 9 4 0 o o “1 9 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 北美：1 9 8 0 o 0 1 9 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 中南美：2 0 0 o o 0 2 0 1 2 5 5 2 5 5 2 5 5 亚太地区：2 0 2 0 0 o 2 0 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 表2 1r f c 地区i p 地址分配表 通过这种方式，每个地区拥有约3 2 0 0 万的地址，另有约3 2 0 0 万的地址 2 0 4 ，0 o o 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 保留备用。这种分配方式的优点是很明显的：即 1 地址的分配是连续的2 使路由表的设置更容易脚。 因此，我们在做i p 规划的时候，刻意将子网作成2 “模式，目的便是为了尽 量支持路由归并，以减少路由表规模。此外，2 。子网规划模式也是为了保证i p 地址划分的规范性。1 。 但是归根结底( 3 ) ( 4 ) 两种技术都不能从根本上解决地址资源问题。 ( 5 ) n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t o r ) 网络地址转换： n a t 技术是将无法在i n t e r n e t 上使用的一组保留i p 地址( i e t f 规定的私有 地址范围是：1 0 8 ，1 7 2 1 6 1 2 ，1 9 2 1 6 8 1 6 三段，r f c l 9 1 8 ) 翻译成可以在 i n t e r n e t 上使用的i p 地址。这样，只需为这些内部网络主机分配这些保留i p 地址，然后在内部网络和i n t e r n e t 交接点设置n a t 和少量合法i p 地址，就可 解决大量内部主机访问i n t e r n e t 的需求了。这是目前使用最多的，也是效率最 高的一种地址短缺解决方案，甚至被一部分人视为地址空间短缺的永久解决方 案。但是n a t 自身的固有缺点，注定了它仅仅是延长i p v 4 使用寿命的权宜之计， 并不是一个彻底的解决方案，主要原因有以下几点： n a t 破坏了i p 的端到端模型。i p 最初被设计为只有端点( 主机和服务器) 才能处理连接。n a t 的应用对对等通信有着极大的影响。在对等通信模型中，对 等的双方既可作为客户端，又可作为服务器来使用，它们通过直接将数据包发 送给对方才能通信。如果一方处于n a t 后方，就需要额外的处理来解决这种问 题，所以会使网络吞吐量降低。 n a t 提出了保持连接状态的需求。n a t 技术要求n a t 设备保持连接的状态， 所以n a t 必须记住转换的地址和端口。而且地址和端口的转换都需要额外的处 理，影响网络的性能。对出于安全需要而记录其最终用户行为的组织来说，还 面临记录n a t 状态表的问题。 使得内外网之间的访问变得异常复杂，很多高层的网络应用程序将很难或 6 根本无法使用。例如：由于n a t 必须对所有去往和来自i n t e r n e t 的i p 数据包 进行地址转换，而大多数n a t 无法将转换后的地址信息传递给i p 数据包负载，由 此带来的缺陷将导致某些必须将地址信息嵌在i p 数据包负载中的高层应用如 f t p ，w i n s 注册等的失败。 阻止了端到端的网络安全。为了通过一些加密方法来保护i p 包头的完整 性，包头不能在源和目的之间被改变。源点保护包头的完整性，最终目的地检 查数据包的完整性，任何在路途中对包头部分的转换都会破坏完整性检查。 ( 6 ) d 眦p ( d y n 锄i ch o s tc o n f i g u r 8 t i o np r o t o c a l ) 动态主机配置协议： 这是目前比较成熟的一种技术，它需要d h c p 服务器的参与，服务器有一个 i p 地址池，主机从服务器租借i p 地址并获得有关的配置信息，如网关，d n s 等。 此种技术虽可一定程度上节约一部分地址资源，并方便用户，但也不能从根本 上解决地址资源枯竭问题。另外d h c p 是不安全的，d h c p 是直接构筑在u d p 和 i p 之上的，它们均没有内置的安全措施。一个未授权的d h c p 服务器和一个恶意 的d h c p 客户机都会极大地影响系统的安全4 3 。 综上所述，目前过渡时期的短期解决方案或者存在局限性。或者不能从根 本上解决地址短缺问题，未来必定要被i p v 6 方案替代。换句话说，i p v 4 向i p v 6 的转换是必然的趋势。 2 3i p v 6 的发展史及特点 2 3 1发展过程及重要事件 自八十年代后期，研究人员开始注意到了i p 地址将会耗尽这个严峻问题， 并提出了研究下一代i p 协议的设想。 1 9 9 0 年，人们预计，按照当时的地址分 配速率到1 9 9 4 年3 月b 类地址将会用尽，并提出了最简单的补救方法：分配多 个c 类地址以代替b 类地址( c i d r ) 。但这样做也带来新的问题，即进一步增大 了已经以惊人的速度增长的主干网路由器上的路由表。因此，i n t e r n e t 网络界 面临着困难的选择，或者限制i n t e r n e t 的增长率及其最终规模，或者采用新的 技术。 1 9 9 0 年后期，i e t f 开始了一项长期的工作，选择接替现行i p v 4 的协议。 此后，人们开展了许多工作，以解决i p v 4 地址的局限性，同时提供额外的功能。 1 9 9 1 年11 月，i e t f 组织了路由选择和地址工作组( r o a d ) ，以指导解决以上问 题。 1 9 9 2 年9 月，r o a d 工作组提出了关于过渡性的和长期的解决方案建议。 包括采用c i d r 路由聚集方案，以及建议成立专门工作组以探索采用较大 i n t e r n e t 地址的不同方案。 1 9 9 3 年，i e t f 发布了提案征求 r f c1 5 5 0 ，进行了征求新i p 协议的呼吁并 公布了新协议需要实现的主要目标。同年末，i e t f 成立了i p n g 工作部，以研究 各种方案，并建议如何刀：展工作。浚工作部制订了j p n g 技术准则，并根据此准 则来评价已经提出的各种方案。其中以下3 个提案被详细研究，即因特网公共结 构( c a t n i p ，提议用网络业务接入点n s a p 地址融合c l n p ，i p 和i p x 协议 r ? c 1 7 0 7 ) ，增强的简单网络协议( s i p p ，提议将i p 地址长度增加到6 4 比特，改进 i p 包头 r f c1 7 l o ) ，c l n p 编址网络上的t c p u d p ( t u b a ，提议用无连接网络协 议( c l n p ) 代替i p ，t c p u d p 和其他上层协议运行在c l n p 之上 r f c1 3 4 7 ) 。在 经过深入讨论之后，s i p p ( s i m p l ei n t e r n e tp r o t o c o lp l u s ) 工作组提供了个 经过修改的方案。i p n g 工作部建议i e t f 将这个方案作为i p n g 的基础，并集中 精力制定有关的文档。i a n a 为这个协议分配的版本号是6 ，所以称为i p v 6 。随后 i p n g 于1 9 9 4 年提出i p v 6 草案 r f c1 7 5 2 ：1 9 9 5 年，i p n g 工作组完成i p v 6 的 协议文本，自1 9 9 5 年末起，陆续发表了i p v 6 规范等一批技术文档。1 9 9 6 年， i e t f 发起建立了因特网上第一个i p v 6 试验床，叫傲i p v 6 骨干( 6 b o n e ) 。它主要 混合使用了具有i p v 6b e t a 版实现的c i s c o1 0 s 软件的路由器和其他基于u n i x 平台的路由器软件，其目的是测试兼容性和发现运行中遇至0 的问题，i p v 6 地址空 间中前缀3 f f e ：1 6 被分配给了6 b o n e 的参与者。1 9 9 8 年，第一个i p v 6 交换 局在芝加哥部署，同年，面向实用的全球性i p v 6 研究和教育网( 6 r e n ) 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 8 年6 月，中国国家教育科研网 c e r n e t 加入6 b o n e ，并建立i p v 6 实验床，成为其骨干成员：1 9 9 9 年，区域因特 网注册机构积i r ) 开始用i p v 6 地址空间2 0 0 l ：1 6 分配运营的i p v 6 前缀。同 年，一个由主要的因特网提供商和研究与教育网络组成的世界范围内的联盟 一i p v 6 论坛成立，目的是推进i p v 6 市场，促进提供商之间合作。1 9 9 9 年以后， i p v 6 协议基本确定。2 0 0 0 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。最近，在c i s c o 举办的“i p v 6 回顾与现状”小型媒体见面会上， c i s c o 发言人说道，“对于i p v 6 ，你可以夸夸其谈，也可以杞人忧天，甚至危言 耸听，现在，没问题”。这句听起来有点含糊的话，其实是对全球互联网现状的 一个很好的描述，也是众多公司对i p v 6 的态度和反应的写实。2 0 0 1 年，多数主 机操作系统支持i p v 6 ，例如w i n d 0 w sx p ，l i n u x ，s o l a r i s 等。2 0 0 3 年，各主流 硬件厂家基本已推出i p v 6 网络产品。 2 3 ，2 全球目前发展状况 美国是i n t e r n e t 的发源地，目前拥有全球7 4 的i p v 4 地址，虽然美国对过 渡到i p v 6 的迫切性要求不大，但是由于全球i n t e r n e t 迅速发展的势头，以及 出于商业利益的考虑，美国也积极进行i p v 6 的硬件、软件及有关技术的开发研 究。1 9 9 6 年美国克林顿政府出台n g i 计划，美国开始进行下一代高速互联网络 及其关键技术研究。美国国家科学基金会设立了“下一代i n t e r n e t ”研究计划， 支持大学和科研单位开始建立了高速网络试验床v b n s ( v e r y g hs p e e d b a c k b o n en e t w o r ks e r v i c e ) ，进行高速计算机网络及其应用的研究。1 9 9 8 年 美国1 0 0 多所大学联合成立u c a i d ( u n i v e r s i t yc o r p o r a t i o nf o ra d v a n c e d i n t e r n e td e v e l o p m e n t ) ，从事i n t e r n e t 2 研究计划。u c a i d 建设了另一个独立 的高速网络试验床a b i l e n e ，并于1 9 9 9 年1 月开始提供服务。2 0 0 1 年1 2 月， 美国启动了一个旨在建立北美i p v 6 特派组的产业行动。2 0 0 3 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。 美国的几大世界级i t 巨头都宣布将把对i p v 6 的支持作为今后的战略重点。微 软从桌面操作系统w i n d o w s2 0 0 0 开始支持i p v 6 协议，其后又在2 0 0 1 年在其新 推出的w i n d 0 骼x p 操作系统中提供了对i p 稍的全面支持，标志着i p v 6 在终端 设备上已经开始进入应用成熟期。 目前，美国的下一代互联网已经连接全国。它为美国的教育和科研提供世界 最先进的信息基础设施，并保持美国在高速计算机网络及其应用领域的技术优 势，从而保证2 1 世纪美国在科学和经济领域的竞争力。 欧洲在i n t e r n e t 方面落后于美国，但是在移动通信方面领先于美国。因此 欧洲力求在i p v 6 方面先走一步，尤其是打算通过3 g 的部署来实现未来i n t e r n e t 上的优势。2 0 0 1 年初，欧盟启动了i p v 6 移动互联网项目( 6 w i n i t ) ，欧洲的通信 厂商和各大运营商( 如爱立信，诺基亚，英国电信等) 都积极参加。爱立信公司 已经进行了全球首次基于3 gu m t s w c d 姐网络以及无线局域网( w l a n ) 的i p v 6 演 示。该演示在一辆救护车上，用i p v 6 技术在2 g 和3 g 系统网络，以及w l a n 之 间无缝漫游，成功地实现了关键的医疗数据，图像，语音和视频的传输。诺基 亚公司2 0 0 3 年宣称其在i p v 6 研发方面的最新进展，突出其产品端到端的概念， 强调无线领域的环境，重视核心网的大容量传输，以及智能边缘( 提供一种无线 管理的环境) 等特点。新一代网络研发较快的丹麦，已于1 9 9 8 年1 月，率先采 用i p v 6 建成了全国性的第二代互联网d e n e t 。 i p v 6 在亚洲地区，以日本和韩国的发展步伐较快。尤其是日本，由于政府 重视，企业积极，目前在i p v 6 的研究与应用方面已经走在了世界的前列。除进 行了i p v 6 协议栈及i p v 6 路由器的产品研发外，在i p v 6 骨干路由器产品化的基 础上，一些运营商已开始用n e c 的路由器提供相关业务。日本于1 9 9 9 年1 2 月 开始提供i p v 6 试验服务，2 0 0 1 年4 月开始提供商用服务。2 0 0 0 年，日本正式 提出了“e j a p a n ”构想：并在2 0 0 2 年财政预算中，专门拨出一笔可观