（计算机软件与理论专业论文）cngi宁夏驻地网建设及部分应用的性能分析研究.pdf

摘要 “c n g i 宁夏驻地网建设”项目是中国下一代互联网示范i ：程c n g i 国家重大建没一l = 程的 子项目，旨在扩展国家f 一代互联网建设范围，攻克多种复杂环境下应用开发的基础性技术和 关键技术，建设覆盖全国的创新能力信息基础设施平台，为区域性基础研究和技术开发提供试 验环境，提高本地区的下一代互联网研究和应用水平。 下一代互联网研究是一项基本的战略国策，是在f 一个时期内赶超发达国家网络基础研究、 应用研究、产业化的一个机遇。通过本项目的研究将完成宁夏下一代互联网驻地网建设，缩小 东西部著距，乃至与国际的差距，积累建设、开发经验，逐步为实现产业化提供基础性研究。 完成i p v 6 的全面部署，促进i p v 6 的研究和实用化进程具有重要的推进作用。 本文系统详细分析、研究i p v 4 i p v 6 的特点，从项目建设的整体要求和设计规范出发结合宁 夏教育网的实际，制定出c n g i 宁夏驻地网建设方案，实现口v 6 环境下的d n s 、w w w 、f t p 、 视频点播等应用，并完成i p v 4 i p v 6 环境下的性能测试t 具的开发。利用c n g i 宁夏驻地网平台 开展i p v 6 相关研究。完成理想网络环境、p v 6 模拟网络环境和c n g i 真实网络环境下t c p 和 u d p 各种网络性能的测试，以及应用i p s e c 安全策略对网络性能的影响。通过该测试获得的数 据可为网络规划、设计网络软件或使用网络软件时获得理想的网络性能提供参考。 关键词：i p v 6 ，双栈，c n g i ，i p s e c ，驻地网 a b s t r a c t t h ep r o j e c tn a m e dt h ec o n s t r u c t i o no fc n g ic p ni nn i n g x i ai st h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t d e m o n s t r a t i o np r o j e c ti nc h i n aa n dt h ec o m p o n e n to fm a j o rn a t i o n a lc o n s t r u c t i o np r o j e c t t h eg o a li s t oe x p a n dt h en a t i o n a lc o n s t r u c t i o ns c o p eo ft h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，t oc a p t u r et h ef o u n c t i o n a l a n dk e ya p p l i c a t i o n - d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e su n d e rav a r i e t yo fc o m p l e xe n v i r o n m e n t ，t ob u i l d i n n o v a t i v ec a p a c i t yi n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ep l a t f o r mw h i c hc o v e r sa 1 1t h ec o u n t r y ，t op r o v i d e t e s t i n ge n v i r o n m e n t sf o r t h er e g i o n a lb a s i cr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，a n dt oi m p r o v et h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nl e v e lo f r e g i o n sn e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t 1 1 1 en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e tr e s e a r c hi sak i n do fb a s i cn a t i o n a lp o l i c ys t r a t e g y i ti sa n o p p o r t u n i t yo fb a s i ca n da p p l i e dr e s e a r c ha b o u tn e t w o r kw h i c hc a nc a t c hu pa n ds u r p a s st h e d e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h en e x tp e r i o d t h r o u g ht h i sr e s e a r c hp r o j e c t ，i tw i l lc o m p l e tt h ec o n s t r u c t i o n o fc n g ic p ni nn i n g x i aa n dn a r r o wt h eg a pb e t w e e nt h ee a s t e r nt o w e s t e m ，e v e nt h ei n t e r n a t i o n a l g a p ，a n di tw i l la c c u m u l a tc o n s t r u c t i o n ，d e v e l o pe x p e r i e n c ea n dp r o v i d eb a s i cr e s e a r c ht or e a l i z et h e i n d u s t r i a l i z a t i o ng r a d u a l l y i tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gf o u n c f i o nt oc o m p l e tt h ef u l l d e p l o p m e n to fi p v 6 a n dp r o m o t ep r a c t i c a lp r o c e s sa n dr e s e a r c ho fi p v 6 t h r o u g ha n a l y s i n gt h es y s t e mc a r e f u l l ya n dr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi p v 4 i p v 6 s t a r t i n g f r o mt h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o na n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n sw i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o no f n i n g x i ae d u c a t i o nn e t w o r k ，ih a v ew o r k e do u tt h ep r o g r a m m eo ft h ep r o j e c tt or e a l i z e t h ea p p l i c a t i o n so fd n s ，w w w ，f 1 p ，v i d e o - o n - d e m a n dw h i c ha r eu n d e ri p v 6e n v i r o n m e n t ，a n d c o m p l i s h e dd e v e l o p m e n to ft h ep e r f o r m a n c et e s 血gt o o lu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fi p v 纠i p v 6 ih a v e c a r r i e do u tr e l e v a n tr e s e a r c ha b o u ti p v 6b yu s i n gt h ep l a t f o r mo fc n g ic p ni nn i n g x i a ih a v e c o m p l e t e dl o t so f t c pa n du d pt e s t i n g sa b o u tn e t w o r kp e r f o r m a n c ew h i c hi su n d e ri d e a ln e t w o r k e n v i r o n m e n t ，i p v 6s i m u l a t i o nn e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dc n g ir e a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t ，a n dt e s t e d t h ei m p a c tb yt h ea p p l i c a t i o no fi p s e cs e c u r i t ys t r a t e g yo nt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e i tc a np r o v i d e r e f e r e n c et ot h en e t w o r kp l a n n i n g ，n e t w o r ks o f t w a r ed e s i g na n da c q u f i n gi d e a ln e t w o r kp e r f o r m a n c e b yu s i n gn e t w o r ks o f t w a r e k e y w o r d s ：i p v 6 ，d u a ls t a c k ，c n g i ，i p s c c ，c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k ( c p n ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得宁夏大学或其它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。 研究生签名：懒圈 时间：易形 年占月尹同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：雀自鲕图 时间：乃皤年乡月f 丫曰 、 厂、 导师签名： 。3 扒蟓时间：籼年，月必日 中夏人学硕 学位论丈绪论 r ii- - ii ：- - mm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣 1 1 研究背景 第一章绪论 i n t e r n e t 经过二十多年的迅猛发展，取得了巨人的成功，它已经成为现代社会最重要的基础 设施之一，它已渗透到社会的各个领域，成为知识经济的基础和载体，将在人类社会的经济、 军事、文化和管理等各个层面上产生日益j 泛和深远的影响。 i n t e m e t 的成功要归功于它的核心协议i p v 4 协议，而实践证明i p v 4 是一个非常成功的协议， 它本身经受住了h t e r n e t 从几台计算机发展到目前儿亿台计算机互联的考验。但该协议是儿十年 前基丁当时的网络规模而设计的。在今天看米，i p v 4 的没计者对y - i n t e f n e t 的估计和预想显得 很不充分。随着i n t e r n e t 的扩张和新应j j 的不断推出，i p v 4 越来越显示出它的局限性，如p 地 址短缺、路由表膨胀、安全问题和服务质量筲等问题【l 】。为了解决1 p v 4 存在的问题，下一代 i n t e m e t 协议i p v 6 经过几年的开发和试验，已经开始全面部署。 i p v 6 在充分继承i p v 4 优点的同时又克服了i p v 4 存在的局限性。为了克服i p v 4 地址短缺、 路由表膨胀等等问题，i p v 6 采用的新的地址格式和报文结构，造成了i p v 6 无法向。f 兼容。为了 解决i p v 4 网络平滑的过渡剑i p v 6 网络，人们提出了很多过渡策略，如双栈协议、隧道技术和 n a t p t 等等。 i p v 6 为i n t e m e t 的发展勾画了美好的未来，为了在新一代互联网抢 制高点，已有5 0 多个 国家和地区开展了对m v 6 的各项研究并建立相应的l p v 6 试验网络和商用网。目前，世界上已 经建立了很多i p v 6 试验网络和商用网，如6 b o n e 、6 r e n 、b n s 、z a l l l an e t w o r k 和6 n e t 等等。 对于中国口v 4 我们没有赶上，我们在技术研究、标准制定、产品开发等诸多方面远远落后丁美 国。而口v 6 给我提供了一个缩小差距的良机【2 】。 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“月成为其骨干网成员。2 0 0 2 年 8 月国家正式启动“中国下一代互联网示范工程c n g i ”。2 0 0 5 年年底c n g i 骨干网的建设完成 标志着世界上最大的i p v 6 网络在我国建成。目前c n g i 驻地网建设正在逐步展开。 面对口v 6 给我们带来的巨大机遇和挑战，我们还需要进行大量的研究和实验，特别是基于 i p v 6 真实网络环境下的研究和实验。利用c n g i 驻地网建设这个契机我们可以在基于i p v 6 真实 网络环境下的研究和实验，将具有较强的示范作用和较好的研究价值，为i p v 4 网络向i p v 6 网 络的平滑过渡提供宝贵的实践经验，更好的发挥i p v 6 网络的优势。 1 2 研究的目的和意义 “c n g i 宁夏驻地网建设项目是中国下一代互联网示范工程c n g i 国家重大建设工程的子 项目，旨在扩展国家下一代互联网建设范围，攻克多种复杂环境下应用开发的基础性技术和关 宁夏人学硕 。学化论文绪论 键技术，建设覆盖全国的创新能力信息基础设施平台，为区域性基础研究和技术开发提供试验 环境，提高本地区的下一代互联网研究和应用水平。 下代互联网研究是一项基本的战略国策，是在下一个时期内赶超发达国家网络基础研究、 应用研究、产业化的一个机遇。通过本项目的研究将完成j 。夏下一代互联网驻地网建设，缩小 东眄部差距，乃至与国际的差距，积累建设、开发经验，逐步为实现产业化提供基础性研究。 完成i p v 6 的全面部署，促进i p v 6 的研究和实用化进程具有重要的推进作用。 i p v 6 已被认为是下一代互联网络协议核心标准之一。但是，一种新的协议从诞生到广泛应 用需要一个过程，尤其是对丁i p v 4 仍然很好的支撑着的i n t e m e t 而言。在i p v 6 的网络流行于全 球之前，总是有一些网络首先使用i p v 6 协议栈并希望能够与当前的i n t e m e t 正常通信。为达到 这一目的，研究者们必须开发出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 ，除此之 外，互通技术应该对普通用户做到“无缝”，对信息传递做到高效【3 】。 通过c n g i 驻地网建设项目，我们可以研究i p v 6 城域网络的拓扑结构、地址和路由机制、 口v 6 和i p v 4 网的互连问题及从i p v 4 向i p v 6 的过渡技术。深入开展用户需求分析和技术可行性 论证，提出实用化的i p v 6 城域网的系统总体设计方案。利用，j 。夏大学现有的校园网设施及网络 设备及网络设备，配合采用相关i p v 6 殴备、软什和技术资源，建设i p v 6 的城域示范网络，并 实现与现有i p v 4 城域网络的互通。建成宁夏第一个基于口v 6 的城域示范网，具有实际的接入 用户和应用的平台。在建成示范网的基础上，进行一些基本应用的测试，探索和总结i p v 4 向i p v 6 过渡的相关技术、应用策略和运营经验，并提出可运营的现有i p v 4 城域网向i p v 6 城域网的过 渡策略和机制。 m v 4 向i p v 6 的过渡是一个k 期的、渐进的过程，如何平稳过渡，其间涉及较多的具体策略 和问题。示范网的建成具有极强的示范作用和极高的显示度。示范网的研究可以总结相关经验， 取得丰富的第一手资料，对于今后i p v 6 的全面部署具有重要意义，对i p v 6 的研究和实用化进 程具有重要的推进作用。 1 3 本文主要研究内容和组织结构 目前，针对i p v 6 的性能研究主要基于局域网或试验环境。本论文结合j 。夏c n g i 驻地网建 设项目，利用真实m v 6 网络环境开展i p v 6 网络传输性能研究；测试各种过渡方式的网络传输 性能；i p s e c 对网络传输性能影响的研究：对比分析i p v 4 和i p v 6 网络传输性能。通过真实环境 的到数据分析其网络性能，为口v 6 的全面部署积累宝贵经验。 本文组织结构安排如下： 第一章主要介绍研究背景、研究目的和意义。 第二章主要介绍口、r 6 协议。介绍口v 6 协议、v 6 的报文格式、地址技术、寻址技术和i p s e e 安全策略。 第三章主要介绍i p v 6 过渡技术。包括双栈协议、隧道技术和n a t - p t 等等。 2 宁夏大学硕i 学f 覆论史 绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii_-ffi i i i i i i i i i i i i i 萱i 宣i i i i i i i i i i 第四章主要介绍c n g i 宁夏驻地网殴计与规划。介绍c n g i 以及c n g i 驻地网相关内容， 并对宁夏c n g i 驻地网进行设计和规划。完成基t - i p v 6 的d n s 、w w w 、f r p 和视频点播服务 器的搭建。 第五章进行基于c n g i 宁夏驻地网的部分应用性能分析与测试。完成理想网络环境、i p v 6 模拟网络环境和真实网络环境卜t c p 和u d p 各种网络性能的测试，以及应用i p s e c 安全策略 对网络性能的影响。 第六章总结与展望。对所做研究进行总结，分析不足，对下一步工作进行展望。 3 宁夏人学硕17 学位论文i p v 6 协议 2 1i p v 4 存在的问题 第二章i p v 6 协议 互联网的经过二十多年的发展，能取得今天的成就要归功于其核心协议i p v 4 的成功。! p v 4 经受住了有过去儿十台主机互联到现在几亿主机互联的考验。但随着网络应用的增加，m v 4 网 络越米越难满足人们对网络性能的需求。i p v 4 网络的存在的问题主要表现为：i p v 4 地址的枯竭 和路由表膨胀等问题。 2 1 1i p v 4 地址枯竭 p v 4 在理论上有4 2 亿多个地址，除去约占1 2 的d 类、e 类地址和2 的不可用地址之 外，可以使用的i p v 4 地址约有3 6 亿多1 4 1 。但由于历史原因i p v 4 地址在分配过程中义造成了人 量的无形的浪费。在i p v 4 地址分配早期很容易就可以申请到a 类或b 类地址，而网络发展较 晚的地区申请c 类地址都很难。这样就造成了有的国家和地区有人量闲置的又很难收同的i p 地址，有的国家和地区却很难申请到i p 地址。随着网络应用的不断扩人，人们对i p 地址的需 求也再不断增长。据专家推算i p v 4 地址将在2 0 1 0 年4 月全部用完。 虽然，有一些技术可以缓解i p v 4 地址的短缺，如n a t 和c i d r 技术。但这些技术没有从 根本上解决v 4 地址短缺的问题。以n a t 技术为例，虽然它可以使用私有地址缓解地址紧缺， 但却存在效率和应用层网关问题，而且n a t 打破了i p 网络端到端的模式，限制了许多新应用 的发展。 2 1 2 路由表膨胀问题 由于口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。随着 i s p 数目的增长，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。 庞大的路由表不仅增加了路由器的：r 作量，而且降低了i n t e r n e t 服务的稳定性，已经出现路由表 占满路由器内存，导致网络异常的恶性故障。如不采取措施，i n t e m e t 可能在地址枯竭之前就会 瘫痪。 除了地址匮乏和路由表膨胀问题，i p v 4 j 丕面临着网络安全性和服务质量控制( q o s ) 的巨大挑 战，这些都是i p v 4 难以解决的。v 6 协议就是为了解决i p v 4 存在的问题提出来的。 4 宁夏人学硕 j 学位论丈i p v 6 协议 2 2i p v 6 的优点 i p v 6 是为了解决i p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提出了改 进，例如路由方面、自动配置方面。对比i p v 4 ，1 p v 6 有如卜的优点：简化的报头和灵活的扩展； 巨大地的址空间和层次化的地址结构；即插即用的连网方式；网络层的认证与加密；服务质 量的满足；对移动通讯更好的支持5 1 。 2 2 1 简化的报头和灵活的扩展 口v 6 对数据报头作了简化，以减少处理器开销并：1 5 省网络带宽。i p v 6 的报头由一个基本报 头和多个扩展报头( e x t e n s i o nh e a d e r ) 构成，基本报头具有同定的k 度( 4 0 字节) ，放置所有路 由器都需要处理的信息1 6 j 。由于i n t e r n e t 上的绝大部分包都只是被路由器简单的转发，因此固定 的报头长度有助于加快路由速度。i p v 4 的报头有1 5 个域，而口v 6 的只有8 个域，i p v 4 的报头 长度是由i h l 域来指定的，而i p v 6 的是圃定4 0 个字节。这就使得路由器在处理i p v 6 报头时显 得更为轻松。与此同时，i p v 6 还定义了多种扩展报头，这使得i p v 6 变得极其灵活，能提供对多 种应用的强力支持，同时又为以后支持新的应用提供了可能。这些报头被放置在p v 6 报头和上 层报头之间，每一个可以通过独特的“下一报头”的值来确认。除了逐个路程段选项报头( 它 携带了在传输路径上每一个爷点都必须进行处理的信息) 外，扩展报头只有在它剑达了在i p v 6 的报头中所指定的目标节点时才会得剑处理( 当多点播送时，则是所规定的每一个目标：符点) 。 在那里，在i p v 6 的下一报头域中所使用的标准的解码方法调用相应的模块去处理第一个扩展报 头( 如果没有扩展报头，则处理上层报头) 。每一个扩展报头的内容和语义决定了是否去处理下 一个报头。因此，扩展报头必须按照它们在包中出现的次序依次处理。一个完整的i p v 6 的实现 包括下面这些扩展报头的实现：逐个路程段选项报头、目的选项报头、路由报头、分段报头，身 份认证报头、有效载荷安全封装报头和最终目的报头。 2 2 2 巨大的地址空间和层次化的地址结构 i p v 6 采用1 2 8 的地址长度，是i p v 43 2 位地址长度的4 倍。这样i p v 6 的地址总数就大约有 3 4 1 0 e 3 8 个。平均剑地球表面上来说，每平方米将获得6 5 1 0 e 2 3 个地：h l ：t g j 。如此巨大的i p v 6 地址空间为未来网络发展提供大量的i p v 6 地址资源。同时m v 6 支持更多级别的地址层次，口、，6 的设计者把i p v 6 的地址空间按照不同的地址前缀来划分，并采用了层次化的地址结构，可以大 大减少骨干网路由器路由表的条目，以利于骨干网路由器对数据包的快速转发。 2 2 3 即插即用的连网方式 i p v 6 地址自动配置功能是i p v 6 的标准功能。m v 6 采用即插即用的连网方式，即主机连入 网络就自动配置口v 6 地址。i p v 6 地址自动配置采用两种方式：有状态自动配置和无状态自动配 置。其中有状态自动配置类似于m v 4 网络中的d h c p 服务。而无状态自动配置则是新的地址配 5 宁夏人学6 f ! f 学位论文i p v 6 协议 i ii i i i i i i i i i i i 置方式，通过无状态自动配置主机可以通过m a c 地址自动获得链路本地地址或获得路由前缀 后可路由的地址。因此连入链路的主机可以不用做任何配置就可以和链路上的其它主机通信。 i p v 6 的即插即用的联网方式有两个优点。一是终端刚户无需进行地址配置方面用户使用， 二是可以人人减轻网络管理者的负担。 2 2 4 更高的安全性 由丁i p 协议是基于二十多年前的网络环境下设计的，冈此设计之初没有考虑它的安全性。 随着网络的发展，安全问题日益突出。为了加强i n t e m e t 的安全性，从1 9 9 5 年开始，i e t f 着手 研究制定了一套用于保护i p 通信的口安全( i p s e c ) 协议。i p s e c 是p v 4 的一个可选扩展协议， 是i p v 6 的一个必须组成部分【7 1 。 i p s e c 的主要功能是在网络层对数据分组提供加密和鉴别等安全服务，它提供了两种安全机 制：认证和加密。认证机制使通信的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份以及数据在 传输过程中是否遭到改动。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数据在传 输过程中被他人截获而失密。i p s e c 的认证报头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，a h ) 协议定义了认证 的应用方法，安全负载封装( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，e s p ) 协议定义了加密和可选认证 的应用方法。在实际进行i p 通信时，可以根据安全需求同时使用这两种协议或选择使用其中的 一种。 2 2 5 更好的服务质量 基于i p v 4 的i n t e r n c t 在设计之初，只有一种简单的服务质量，即采用“尽最大努力”( b e s t e f f o r t ) 传输，从原理上讲服务质量q o s 是无保证的。文本传输，静态图像筲传输对q o s 并无 要求。随着i p 网上多媒体业务增加，如i p 电话、v o d 、电视会议等实时应用，对传输延时和 延时抖动均有严格的要求。 i p v 6 数据包的格式包含一个8 位的业务流类别( c l a s s ) 和一个新的2 0 位的流标签( f l o w l a b e l ) 。最早在r f c l 8 8 3 中定义了4 位的优先级字段，可以区分1 6 个不同的优先级。后来在 r f c 2 4 5 0 里改为8 位的类别字段。其数值及如何使用还没有定义，其目的是允许发送业务流的 源节点和转发业务流的路由器在数据包上加上标记，并进行除默认处理之外的不同处理。一般 来说，在所选择的链路上，可以根据开销、带宽、延时或其他特性对数据包进行特殊的处理。 一个流是以某种方式相关的一系列信息包，口层必须以相关的方式处理它们。决定信息包 属于同一流的参数包括：源地址、目的地址、q o s 、身份认证及安全性。i p v 6 中流的概念的引 入仍然是在无连接协议的基础上的，一个流可以包含几个t c p 连接，一个流的目的地址可以是 单个节点也可以是一组节点。婵v 6 的中间节点接收剑一个信息包时，通过验证他的流标签，就 可以判断它属于哪个流，然后就可以知道信息包的q o s 需求，进行快速的转发。 6 宁夏人学硕 ：学化论文i p v 6 协议 2 2 6 更好的移动性 未来移动通信与互联网的结合将是网络发展的人趋势之一。移动互联网将成为我们日常生 活的一部分，改变我们生活的方方面面。移动互联网不仅仅是移动接入互联网，它还提供一系 列以移动性为核心的多种增值业务：查询本地化设计信息、远程控制：i ：具、无限互动游戏、购物 付款等。 移动i p v 6 的设计汲取了移动i p v 4 的设计经验，并且利用了i p v 6 的许多新的特征，所以提 供了比移动i p v 4 更多的、更好的特点。 2 3i p v 6 的地址方案 2 3 1i p v 6 报头 i p v 6 数据包由一个基本报头加上0 个或多个扩展报头以及上层协议单元构成。其结构如卜 图2 1 所示： 图2 - li p v 6 数据包结构 2 3 1 1m v 6 基本报头 口v 6 基本报头相对与i p v 4 报头要简化很多，只包含8 个字段。v 6 基本报头格式如图2 - 2 所示： 版本( 4 b i t )流量类型( 8 b i t )流标签( 2 0 b i t ) 有敛载荷长度( 1 6 b i t ) 下一个报头( 8 b i t )跳限数( 8 b i t ) 源i p v 6 地址( 1 2 8 b i t ) 目的l p v 6 地址( 1 2 8 b i t ) 图2 - 2i p v 6 基本报头结构 口v 6 基本报头中各个字段的含义如下： 版本：协议的版本。该字段的值为6 ，在v 4 中该字段的值为4 ； 流量类型：该字段及其功能类似于v 4 的业务类型字段，用来标识v 6 数据包的类或 优先级。 流标签：该字段用来标记m v 6 数据包的一个流，用于确定服务质量方面的附加控制的 业务流。 7 宁夏人学硕 j 学住论文i p v 6 协议 有效载荷长度：该字段标识有效载荷的长度。有效载荷是指紧跟i p v 6 报头的数据包其 他部分。m v 6 基本报头支持的最大数据包尺寸是6 5 5 3 5 个8 b i t 字节。如果数据包大小超 过6 5 5 3 5 字1 了，则该字段的值置为o ，用逐跳选项扩展报头中的超人载荷选项来表示。 下一报头：如果存在扩展报头，该字段表示第一个扩展报头的类型；如果不存在扩展报 头，则表示上层协议数据单元中的协议，如t c p 、u d p 、i c m p v 6 等。 跳限数：该字段定义了i p 数据包所能经过的最人跳数( 中间路由器) 。该字段与i p v 4 的1 1 几字段非常相似。 源地址：该字段标识发送方的i p v 6 源地址。 目的地址：该字段标识数据包的i p v 6 目的地址。 2 3 1 2i p v 6 扩展报头 i p v 6 扩展报头是可能跟在基本i p v 6 报头后面的可选报头。在r f c 2 4 6 0 中定义了几种扩展 报头。一个i p v 6 数据包可能包括0 个、1 个或多个扩展报头。i p v 6 将一些i p 层的可选功能实 现在上层封装和基本i p v 6 头部之间的扩展头部中。这使得i p v 6 变得极其灵活，能提供对多种 应用的强力支持，同时又为以后支持新的应川提供了可能。 i p v 6 的主要扩展报头： 逐跳选项报头( h o p b y - h o po p t i o n sh e a d e r ) ( 协议0 ) 该字段由传送路径上的每个节点和路由器读取并处理。逐跳选项报头用于巨型数据包和 路由器警报。应用逐跳选项报头的一个例子是资源预留协议( r s v p ) ，冈为每个路由 器都需要查看资源预留协议。 日的选项报头( d e s t i n a t i o no p t i o n sh e a d e r ) ( 协议6 0 ) 该报头承载特别针对数据包目的地的可选信息 路由报头( r o u t i n gh e a d e r ) ( 协议4 3 ) 在数据包发往目的地的途中，该报头能被i p v 6 源节点用来强制数据包经过特定的路由 器。 分段报头( f r a g m e n th e a d e r ) ( 协议4 4 ) 由源节点使用，以表明数据包已经被分为片段，适合在最大传输但也( m t u ) 内使用。 与i p v 4 不同的是，在i p v 6 内，数据包分段与组装是通过节点完成，而非通过路由器完 成，有效减少路由器负担，提供i p v 6 网络的效率。 认证报头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) ( 协议51 ) 该报头由i p s e e 使用，以提供认证、数据完整性和重放保护。 封装安全有效载荷报头( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a dh e a d e r ) ( 协议5 0 ) 该报头有i p s e e 使用，以提供认证、数据完整性、重放保护和i p v 6 数据包的保密。 在i p v 6 数据包中使用多个扩展报头时，它们的顺序必须如下： 1 m v 6 基本报头 2 逐跳选项报头 3 目的选项报头 4 路由报头 8 中夏人学硕f ，学f t 论文 i p v 6 协议 5 分段报头 6 认证报头 7 封装安全有效载荷报头 8 目的选项报头 9 高层协议( t c p 、u d p 、i c m p v 6 ) 2 3 2i p v 6 寻址 2 3 2 1i p v 6 地址类型 i p v 6 地址有3 种类型分别是：单播地址、多播地址和任意播地址【8 3 。在每种地址中有一种或 多种类型的地址，如图2 3 所示： ( 1 ) i p v 6 链路本地地址 匣靳：二l 。2 0 0 l ：1 6 2 钧：1 6 3 荇2 ：二1 6 尼强：，1 0 图2 - 3 m v 6 地址类型 链路本地地址是一种受限的地址，用于处于同一链路上的节点之间的通讯，当在一个节点 上启用i p v 6 协议栈，启动节点的每个接口自动配置一个链路本地地址。链路本地地址由格式前 缀l ll ll l1 0l o 来标识，即其地址总以f e 8 0 开头，其前缀总是f e 8 0 ：6 4 | 8 1 。i p v 6 链路本地地 址相当于i p v 4 中的自动专用i p 寻址( a p p a ) 的v 4 地址( 1 6 9 2 5 4 0 0 1 6 ) 。其地址结构如 图2 _ 4 所示： 卜一- 。缸卜h 证 一s 生一 图2 - 4 i p v 6 链路本地地址 9 宁夏人学硕f 学化论文i p v 6 协议 ( 2 ) i p v 6 站点本地地址 站点本地地址是另一种单播受限地址，仅在一个站点内使用。本地站点地| = 在节点上不像 本地链路地址一样被默认启刚。站点本地地址由格式前缀1 1 1 1 1 1 1 0 1 l 来标识，总是以f e c 0 ：4 8 开始【8 1 。站点本地地址相当于i p v 4 的私有地址空间( 1 0 0 0 0 8 、1 7 2 1 6 0 0 1 2 、1 9 2 1 6 8 0 0 1 6 ) 。 其地址结构如图2 5 所示： 卜t 。皇卜s 。皇叫一一科证一i 图2 5i p v 6 站点本地地址 ( 3 ) f l a y 6 可聚合全球单播地址 可聚合全球单播地址是用于i p v 6 可用丁冈特网i p v 6 数据流量的i p v 6 地址。可聚合全球单 播地址与i p v 4 公有地址类似。可聚合全球单播地址是i p v 6 寻址结构的最重要部分。可聚合全 球单播地址结构使用严格的路由前缀聚合，以限制全球因特网的路由表的大小。其结构如图2 石 所示： 卜公划甜s 位，_ 卜誉嚣+ 絮暑一 图2 - 6i p v 6 可聚合全球单播地址 1 i ai d ：项级聚集体标识符。i a n a 将t l ai d 分配给地区的i n t e m e t 注册机构，地区 i n t e m e t 注册机构又把每个t l ai d 分配给那些人的、永久的i n t e m e t 服务提供者。 r e s ：为将米扩展t l ai d 或n l ai d 的长度而保留的位。 n l ai d ：下一级聚集体标识符。n l ai d 允许i s p 在自己的网络中建立多级的寻址结构， 以使这些i s p 既可以为其下级i s p 组织寻址和路由，又可以识别其下属机构站点。 s l ai d ：站点聚集标识符。s l ai d 被一个单独的机构用于标识自己站点中的子网。 i n t e r f a c ei d ：标识特常子网卜的接口。接口i d 相当于i p v 4 中的节点i d 或主机i d 。 ( 4 ) 口v 6 多播地址 多播是一种技术，即一个源节点发送的数据包，同时到达多个目的地( 一到多) 。相对而 言，单播是从一个源节点发送单个数据包剑一个目的地( 一对一) 。 多播含有组的概念： 任何节点都够是一个多播组成员 1 0 宁夏人学硕i 。学位论丈i p v 6 协议 一个源节点可以发送数据包到多播组 多播组的所有成员受到发往该组的数据包 i p v 6 多播地址以l lll l l1 l 为格式前缀，总是以f f 开始，其具体地址结构如图2 7 所示： 卜卜一8 位叫卜4 位卜4 位叶卜一，t 2 位叫 图2 - 6 i p v 6 多播地址 标志：目前唯一已定义的是暂时状态( t ) 标志，它使， j 本字段中的最低位。当该位值为o 时，表示当前的多播地址是由i a n a 所分配的一个永久分配的地址：当为1 时，表示当前的多播 地址是一个临时的多播地址。 范围：用于表示多播通信流准备在i p v 6 网络中发送的范围。除多播路由协议所提供的信息 外，路由器使，f j 多播范围来决定多播通信流是否可以被转发。 砌c 2 3 7 3 定义了一些范围字段的值： 0 _ 保留 l 节点本地范围 卜链路本地范围 5 站点本地范围 8 机构本地范围 e 全球范围 f 棵留 组i d ：用丁标识多播组，其在当前范围是唯一的。永久分配的组i d 不受当前范同的限制， 临时组i d 只与特定的范围有关。 多播指定地址，从f f 0 1 ：到f f o f ：的多播地址是保留的专用地址。其中f f 0 1 ：l 用于标识 节点本地范嗣所有节点多播地址；f f 0 2 ：1 用于标识链路本地范围所有二诲点多播地址；f f 0 1 ：2 用于标识节点本地范罔所有路由器多播地址；f f 0 2 ：2 用于标识链路本地范闱所有路由器多播地 址；f f 0 5 ：2 用于标识站点本地范围所有路由器多播地址。在i p v 6 中，多播地址代替了所有形 式的i p v 4 广播地址：口v 4 网络广播、子网，“播、有限广播地址都统一由i p v 6 的链路本地范围 所有节点多播地址( f f 0 2 ：1 ) 取代。 被请求节点多播地址，被请求：1 i 了点多播地址用于对一个己知的p v 6 地址进行数据链路层地 址解析。在i p v 6 中的链路层地址解析时并不把链路本地范嗣所有节点多播地址j j 作邻节点请求 报文的目的地址，而使用请求节点多播地址。请求节点多播地址由前缀f f 0 2 ：i ：f f 0 0 ：0 1 0 4 和 单播口v 6 地址的最后2 4 位构成。当要解析某一个i p v 6 地址的m a c 地址时，发起节点只需用 要解析的i p v 6 地址按上述方式构建一个请求节点多播地址作为目的地址发送请求，链路上的所 有节点只侦听与本节点的请求节点多播地址相同的请求报文，这样就只有使用要解析的i p v 6 地 宁夏人学硕i 学位论文i p v 6 协议 址的节点进行响应，从而避免了其他节点受到干扰，从而提高了查询网络节点的效率。被请求 节点多播地址主要用于n d p ( 邻居发现协议) 。 ( 5 ) i p v 6 任意播地址 单播是一个源1 j 点发送数据包到一个目的地，属于一到的通信，多播是一到多的通信， 任播用于一剑最近点的通信。任意播是一种机制，发送数据包到任意播组最近节点成员的任意 播地址。 ， 任播地址使用可聚合全球单播地址，也能够使用本地站点或本地链路地址。所有要区分单 播地址和任播地址是不可能的。 为了特定用途，保留了一个任播地址：子网一路由器任播地址。其地址结构为子网前缀值和 后续的连续“0 ”组成。所有连接到一个子网的路由器接口，都具有这个子网的子网一路由器任 播地址，用于同连接到特定子网的最近的路由器进行通信。 ( 6 ) 特殊的p v 6 地址 回环地址：每个设备都有一个同环地址，由节点自己使用。其首选格式是：l 。 末指定地址：是没有指定给任何接口的单播地址。其首选格式是：。 ( 7 ) 兼容地址 兼容地址是由过渡机制使用的特殊单播i p v 6 地址。包括兼容i p v 4 的地址、i p v 4 映射地址、 6 0 v e r 4 地址、6 t 0 4 地址、i s a t a p 地址。兼容地址主要是为了便丁i p v 4 与i p v 6 共存和移植过程 而定义的。 2 3 2 2 节点和路由器的p v 6 地址 ( 1 ) 节点必需的i p v 6 地址 表2 1 中列出了p v 6 节点必需的i p v 6 地址。当节点启用了i p v 6 协议后，节点的每