基于Ipv6技术的探讨和研究.doc

本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 题目题目：基于基于 Ipv6 技术的探讨和研究技术的探讨和研究 系系 院：计算机科学系院：计算机科学系 I 摘 要 随着网络规模的急速发展以及 IPv4 地址空间的逐渐耗尽，现有的网络面临许多的挑战:规 模问题、安全问题、QoS(服务质量)、简便配置等等，这些挑战促使人家达成一个共识:需要 一个新的协议来根本解决目前 IPv4 面临的问题。IPv6 是继 IPv4 以后的新版互联网协议， 也可以说是下一代互联网的协议。IPv6 协议的新特性为下一代互联网的应用和发展提供了 更加厂阔的前景和完善的支持，但是它仍然存在许多有待改进和完善的地方，而且实现从 IPv4 到 IPv6 的过还需要很长时间，不同的网络结构其过渡策略也会有所不同。 要具体掌握 IPv4 到 IPv6 网络的平滑过渡、评估和改进 IPv6 协议、进行大规模 IPv6 网 络应用，就必须首先要建立 IPv6 实验网，在实验网上获得足够的经验，然后再进行推广。 本文的目标之一就是要建立学校的 IPv6 实验网。 本文首先介绍了 IPv6 协议，包括 IPv6 新特性、IPv6 报文结构以及与 IPv4 的对比、 IPv6 地址体系结构、IPv6 单播数据通信、IPv6 路由协议、IPv6 安全机制等重要技术；然后 介绍了 IPv6 的过渡技术，重点介绍了 IPv6 网络之间的互通技术，即各种隧道技术。 随后在以上技术基础之上自行设计并进行了一系列的实验，包括各种协议实验、不同网 络设备和网络环境下 IPv6 单栈、IPv6/IPv4 双栈的主机、路由、隧道等实验。因为条件有 限，路由是通过软路由的方式来实现的，具体就是在 linux 操作系统(redhat 企业版 3)加上 zebra 路由软件实现的。 最后，为实现校园网从 IPv4 向 IPv6 的过渡，设计了一个 IPv4、 IPv6 协议共同运行、 基于隧道和 IPv4/IPv6 双栈的网络拓扑，并在软路由平台以及 Linux 系统的支持下实现了组 网实践，还在此平台上编译，调试和部署了支持 IPv6 协议的 WWW,FTP,DNS，防火墙等应用 服务。 关键词：IPv6；过渡技术；隧道；软路由 II Abstract With the raIPd increase of Internet and the gradually depleting of IPv4 address, Internet is confronted with many chanllenges: the scale, the security,the QoS,the simple configureation etc. Thesechanllenges show the new Internet protocol version will replace lPv4 necessarily. IPv6 is the nextInternet protocol, the new characters of IPv6 will provide more perfect support and wider foreground for the applicatiun and development of the next generation network. Yet it must be improved and the transition from IPv4 to IPv6 will require a long time as well as different transition strategy aims at different network structures. To understand the smooth transiton from IPv4 to IPv6, to improve IPv6 protocol,to implement IPv6 network application widely,a IPv6 experiment network is necessary to be established. After gaining enough experiment in experiential network, then spread of out. One important aim of this paper is to establish the school IPV6 test bed, and configure tunnel to the CERNETs 6test bed. By the tunnel, the shoots IPv6 useres can connect with 6bone. This paper first introduces the IPv6 protocols, including the new characteristics of IPv6, the IPv6s message structure and the contrast with IPv4, the IPv6 addressing architecture,the 1Pv6 Internet control message protocol,the communication of IPv6 unicast data, the IPv6 route protecol,the security mechanism, etc. And introduce the transition mechanism. Follw,carries a series of IPv6 experiments on schools IPv4 network structure.The experiments are concerned with all kinds of protocols,IPv6 single-st2ck,IPv4/IPv6 dual- stack,host,tunnel and route used in defferent network equipment and network environment. And the achievement of IPv6 muter is based on Linux operating system and Zebra. Finally, designs a new IPv4/IPv6 network structure based on tunnel and dual-stack for achieving the transition from IPv4 to IPv6. And such as WWW,FTP,DNS and Firewatl etc. services which support IPv6 protocol have been realized under Linux operating system. Key words: IPv6；transition technology；tunnel；soft route 黄淮学院本科毕业设计 III 目 录 摘 要.I 1 绪论.1 1.1 研究目的和意义 .1 1.2 国内外研究现状和发展趋势 .2 1.2.1 目前 Ipv6 的实验网络情况.2 1.2.2 日本和中国的 IPv6 实验网开展情况.4 1.2.3 平台对 Ipv6 的支持.5 1.3 研究内容和方法.6 1.3.1 研究内容.6 1.3.2 研究方法与思路.6 2 IPV6 协议研究 .9 2.1 IPv6 协议基础及与 IPv4 的对比 .9 2.1.1 Ipv6 新特性 .9 2.1.2 IPv6 报文结构 .10 2.2 IPv6 地址体系结构 .16 2.2.1 IPv6 地址的文本表示方式 .16 2.2.2 IPv6 地址前缀的文本表示 .17 2.2.3 地址分类.18 2.3 IPv6 单播数据通信 .22 2.3.1 Ipv6 单播数据转发概述 .22 2.3.2 源和目的在同一链路(on-link)的通信情况.23 2.3.3 源和目的不在同一链路(off-link)的通信情况.23 2.4 IPv6 路由协议 .24 2.5 IPv6 安全机制 .26 3 IPV6 过渡技术 .28 3.1 三类过渡技术.28 3.1.1 双协议栈技术.28 3.1.2 隧道技术.29 3.1.3 网络地址转换/协议转换技术.30 3.2 IPv6 网络之间互通技术 .30 3.2.1 常用的隧道方法 .31 3.2.2 IPv6 隧道类型 .32 4 IPV6 基础实验及组网实验设计与分析 .33 4.1 实验平台的选择.33 4.1.1 操作系统平台的选择.33 4.1.2 路由平台的选择.33 4.2 IPv6 基础实验设计 .34 黄淮学院本科毕业设计 IV 4.2.1 实验组网图 .34 4.2.2 实验内容.35 4.2.3 实验目的.35 4.3 IPv6 基础实验过程及分析 .35 4.3.1 PC 机器上 IPv6 模块的使用 .35 4.3.2 路由器的安装与设置 .36 4.3.3 测试网络连通性.39 4.3.4 路由前缀发现实验及分析 .41 4.3.5 地址解释过程实验.46 4.3.6 基础实验小结.49 5 校园网 IPV6 网络的建立.50 5.1 校园网 IPv6 的过渡方案.50 5.2 配置隧道连通 CERNET 的 IPv6 实验床(接入实现).51 5.3 IPv6 应用部署及测试 .51 5.3.1 DNS 服务 .52 5.3.2 WWW 服务 .54 5.3.3 FTP 服务 .55 6 结论与展望.56 6.1 结论.56 6.2 展望.57 参考文献.58 致谢.59 黄淮学院本科毕业设计 1 1 绪论 无论在技术上还是发展速度上，实践证明 IPv4 是一个非常成功的协议，基于 IPv4 的 INTERNET 及其应用不断的改变着我们的生活及工作方式。但是，IPv4 的设计 者在设计 IPv4 协议时是基于几十年前的网络规模而设计的，他们对于 INTERNET 的估 计和预想显得很不充分，随着网络规模的急速发展，现有的网络面临许多的挑战:规 模问题、安全问题、QSo(服务质量)、简便配置等等，这些挑战促使大家达成一个共 识:需要一个新的协议来根本解决目前 IPv4 面临的问题。1Pv6 是继 1Pv4 以后的新版 互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议。 1.1 研究目的和意义 IPv6 是 IETF(Internet Engineering Task Force，因特网工程工作小组)设计的 下一代互联网协议，全名是“因特网协议第六版(Internet Protocol version six)” ， 目的是最终取代当前正在运行的因特网协议第四版，即 IPv4。 IPv4 在过去的几十年中取得了辉煌的成绩，实践证明，它是一个非常成功的协 议，它本身也经受住了 INTERNET 从几台计算机发展到目前几亿台计算机互联的考验。 因特网走进了千家万户，完全改变了我们的生活及工作方式。 但是也是这种快速发展，出现了迫在眉睫的 IP 地址空间耗尽问题，而 IPv4 地址 空间的紧缺直接限制了 IP 技术应用的进一步发展，有专家估计 2010 年 Ipv4 地址将 全部用完。同时，由于地址分配的不均更进一步突出了地址紧缺的矛盾:因 INTERNET 起源于美国，美国的 IPv4 地址很多，而与此形成对照的是，在欧洲和亚洲地区，申 请 IP 地址非常困难。对此，中国的体会尤为痛切。据统计，中国的网民到 2004 年年 底已经高达 9000 多万，但中国所拥有的 IPv4 的地址还不到 5000 万，占 Ipv4 全部地 址的 1/100 多一点，每 26 个中国人只能分享一个地址。与此形成鲜明的对比的是:美 国 2 亿多人口，拥有近 12 亿地址，占 IPv4 全部地址的 1/4 强，平均每个美国人享有 6 个地址。整个中国的 IP 地址空间甚至都没有美国的一些大学多。中国预测，中国 的网民数量还将大幅度上升，但中国能获得新的 IPv4 地址的机会将会越来越困难， 类似中国的问题很可能不久就会在印度出现。 由于地址的紧缺，在目前的 IPv4 网络中，NAT(网络地址转换)技术得到了普遍的 应用，被认为是解决 IP 地址短缺的有效手段，但是由于 NAT 破坏了 IP 的端到端模型， 且因需要额外的处理而影响网络的性能，它还阻止了端到端的网络安全，所以它只能 作为一种解决 IP 地址短缺的权宜之计，而不能作为永久的解决方案。再者新技术的 黄淮学院本科毕业设计 2 应用导致 IP 地址的短缺矛盾进一步激化:PDA、无限设备、3G 移动电话甚至汽车、冰 箱都需要一个全球单播地址，以连接网络。 除了地址短缺外，安全性、QoS(服务务质量)、简便配置、性能提高等等要求都 是 IPv4 协议本身无法解决的，从而需要一个新的协议来根本解决目前 IPv4 面临的问 题，同时能够无缝的实现网络的过渡。 但总体上讲，目前国内从事 IPv6 协议研究的单位和人员并不是太多，我国对 IPv6 的研究相比较于日本、瑞典等国家还是有很大差距。 虽然 IPv6 替代 IPv4 己经是必然趋势，但是这将是一个漫长的过程。IPv6 作为 一项新的因特网协议，还有许多需要完善的地方，这对于我们网络技术研究人员而言 是一个机遇，更是一个挑战。IPv4 的研究中国没有赶上，但是这次我们赶上了，所 以我们应该投入巨大的人力物力，千万不能错失这样的好机会。 随着校园网规模的扩大，业务负载的不断增加，保持网络高利用率、防止关键业 务受到拥塞影响以及各种网络应用和资源的管理安全性变得越来越重要。因此，在校 园网的进一步建设中应该充分考虑如何更好地利用 IPv6 的技术。而要具体掌握 IPv4 到 IPv6 网络的平滑过渡、评估和改进 IPv6 协议、进行大规模 IPv6 网络应用，就必 须首先要建立 IPv6 实验网，在实验网上获得足够的经验，然后才能进行推广。本文 的主要目标之一就是要建立学校的 IPv6 实验网。 清华大学，北京邮电大学，上海交大，西安交大等大学已经开始构建 IPv6 的实 验平台，他们一般是跟设备厂商进行合作研究，由公司提供设备和相关技术培训，在 此设备上开展 IPv6 的协议和互联实验。黄淮学院相对于清华大学，北京邮电大学， 上海交大，西安交大等大学来说，对 IPv6 的研究及应用要相对落后很多。 此课题就是要研究 IPv6 协议特性以及 IPv4 向 IPv6 的过渡技术，在没有 IPv6 硬 件路由设备的条件下，设法通过设置软件路由来创建学校的 IPv6 实验平台，在实验 平台上展开关于 IPv6 的基础实验以及部署实验。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1 目前 Ipv6 的实验网络情况 IPv6 标准颁布之后，全球有了实验床，一些大的电信公司也有了半商用网和商 用网。1999 年 7 月，IANA 授权 APNCI、ARNI 和 RIPE 分配商用 IPv6 地址，此时 IPv6 进入了实用化阶段。示范网发展的总趋势是提供以国家乃至洲际为单位的纯 IPv6 连 接。当前比较有名的 IVP6 实验网包括以下几个: 黄淮学院本科毕业设计 3 （1） 6Bone 6Bone 是为了在 Internet 上推广 IPv6 的一个全球性测试平台，是世界上成立最 早也是迄今规模最大的全球范围的 IPv6 示范网，用来测试 IPv6 实现的互相连接性， 检测 IPv6 在实际环境中的工作情况等等。6Bone 于 1996 年 1 月由几个需要测试其原 型系统之间互操作性的 IPv6 实施小组建成，其相关活动皆属于 IETF 下 Ngtrans 工作 小组(现为 V6ope 工作组)的一部分。6Bone 并不是一个独立于 Internet 的物理网络， 而是利用隧道(Tunnel)技术将各个国家和地区组织维护的 IPv6 网络通过运行在 IPv4 上的 Interne 连接在一起。6Bone 的主干是由许多相互连接的网络服务提供者(ISP) 及用户网络所组成。6Bnoe 的目标是通过对早期不同 IPv6 技术的实施来获取实践经 验，从这个实验网上获得的信息将形成一整套有关各种机制和程序的文献，这些文献 的内容涉及:转换至本地 IPv6(native IPv6)的建议、共享操作经验、维护全球的 IPv6 缺省自由路由树。 （2） 6REN 建立于 1998 年底的 IPv6 研究与教育网(6REN)是一个非官方协调的研究与教育网， 提供产品级的 IPv6 连接，并作为一个 IPv6 工具、应用和程序开发的平台。该平台可 以免费参与并对所有提供 IPv6 业务的研究与教育网开放，也鼓励其它赢利和非赢利 IPv6 网络加入。 （3） BNS 从 1996 年起，美国开始了下一代互联网研究与建设。美国国家科学基金会设立 了“下一代 Internet”研究计划 NGI，支持大学和科研单位建立高速网络实验床 vBNs(Very High Speed Backbone Service)，进行高速计算机网络及其应用的研究。 1998 年美国 100 多所大学联合成立 UCAID(University Corporation for Advanced Internet Development)，从事 Internet2 研究计划。UCADI 建设了另一个独立的高 速网络实验床 Abilene，并于 1999 年开始提供服务。 （4） 6NET 2002 年 1 月欧洲启动了为期 3 年的 IPv6 研究和实施计划:6NET 实验网。在 6NET 计划中，将至少有 11 个国家级的研究和教育网络在速率高达么 2.5Gb/s 的链路上建 立纯 IPv6 网络。建立 6NET 网的目的是为了引入、测试新的 IPv6 服务和应用程序； 测试将 IPv6 网络和现有 IPv4 体系结构综合在一起的过渡策略；对 IPv6 网络下的地 址分配、路由和 DNS 操作进行评估:促进 IPv6 技术的快速发展。 （5） Euro6IX 黄淮学院本科毕业设计 4 2002 年 1 月欧洲同时启动了为期 3 年的 IPv6 研究和实施计划:Euro6IX 实验网。 Euro6IX 的目标是支持 IPv6 在欧洲迅速引入。该项目将研究、设计和建设一个泛欧 的纯 IPv6 网，叫做 Euor6LX 测试床，它将提供用目前技术可以获得的最先进服务和 一系列基于 IPv6 的应用，这些服务与应用既可在 Euro6IX 内提供实验用，也可供第 三方实验用。Euro6IX 还研究在世界范围内建设下一代互联网所需的各种网络等级。 Euro6IX 的基础设施将包括不同的网络等级地区纯 IPv6 交换机、泛欧核心网、服 务提供商)。在 Euro6IX 实验网计划中，欧洲主要的电信商将携手建立一定数量的 IPv6 交换节点，以支持 IPv6 在欧洲范围内的快速引入。 1.2.2 日本和中国的 IPv6 实验网开展情况 （1） 日本的 IPv6 情况 目前亚洲国家中，对 IPv6 报以极大热情的是日本，日本政府制定了“e-Japan” 的战略；1999 年2000 年开始分配 IPv6 的地址，2001 年2005 年开始全日本的 IPv6 商用化服务。这是因为:日本的经济持续低迷，日本政府希望利用 IPv6 这一契机使企 业重振雄风，从而带动日本经济的发展，所以日本政府对 IPv6 投入了大量的精力和 财力。日本 IPv4 的地址也很匾乏，而日本的移动通信领域却相当发达，发展 IPv6 技 术可以引领日本的移动通信步入更大的发展空间，并走在新技术开发的前列。亚洲将 是 IPv6 产品和业务巨大的潜在市场，日本希望凭天时地利之机联合亚洲的其它国家 大力推广 IPv6 标准，从而与欧美的公司抗衡，并且使日本在亚洲市场中抢占先机。 目前全世界只有日本的设备厂商提供 IPv6 的硬件支持，如 NEC、日立、富士通。 日本厂商在 IPv6 网络设备与信息家电中占有很大优势，而在传统的路由器上它们是 无法跟 CISCO 等世界著名产品相抗衡的。 由于政府重视，企业积极，故迄今日本在 IPv6 的研发和应用走在亚太各国乃至 世界的前列。日本参与 IPv6 研究的机构除了 WIDE，还有日本通信综合研究所、IPv6 普及及高度化推进协会、IPv6 实施委员会。 （2） 中国的 IPv6 情况 我们国家也在积极参与 IPv6 的研究和实验，CERNET 于 1998 年 6 月加入 6BONE 议,2003 年国家启动了国家下一代网络示范工程一 CNGI，CNGI 项目是由包括信息产 业部、国家科技部、国家发改委和中国工程院在内的 8 个部委联合发起并经国务院批 准启动的。2X003 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，并准备安排“中国下一代互联网示范工程 CNGI”大型项目。2002 年 3 月完成了 黄淮学院本科毕业设计 5 “中国下一代互联网示范工程 CNGI 实施方案建议” ，同年 8 月国务院批复同意国家发 改扩关于推动我国下一代互联网发展有关工作的请示” ，正式启动“中国下一代互联 网示范工程 CNGI” 。CNGI 项目在中国做推动 IPv6 的应用的带头工作，它不仅建设一 个网络平台，提供实验的环境，更是瞄准了产业化，安排了一些研发实验应用和产业 化项目，并且希望通过 CNGI 项目改变我国在互联网国际标准上只是跟踪没有发言权 地位的局面，构建支持我国产业发展的自主知识产权的基础冈。这一项目的实施不仅 涉及资金巨大，更重要的是它表明我国政府对以 IPv6 为基础的下一代网络建设的高 度重视与大力支持。根据 CNGI 的规划，我国在 2005 年底建成一个覆盖全国的 IPv6 网络，成为世界上最大的 IPv6 网络之一，通过大规模 IPv6 网络建设的部署实施进而 进行商用探索。 现在中国已经申请到手的，包括提供给实验用的，全部 IPv6 地址约占全球已经 分配出去的地址的 1.7%，约为日本的 1/9，美国的 1/8，韩国的 1/3 强，在全球的排 名榜上占第 16 位，甚至少于台湾地区的拥有量。此数据也从侧面反应出两个问题:一 是发达国家和一些占风气之先的国家抢占地址的现象还很普遍，并可能会愈演愈烈； 二是中国还必须有更多的单位和组织来加入 IPv6 的研究开发中来，这样才能在以后 的体制中受到平等对待，才能把握自己未来的命运。 同时，国内网络通讯设备商也在积极研究 IPv6 及其相关技术，并推出了一些支 持 IPv6 的产品。但总体上讲，目前国内从事 IPv6 协议研究的单位和人员并不是太多， 我国对 IPv6 的研究相比较于日本、瑞典等国家还是有很大差距。 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 IPv6 实验室，希望在 IPv6 领域能有所建树，并且也取得了一些小 成就。 1.2.3 平台对 Ipv6 的支持 目前，多数主机操作系统都支持 IPv6，比如说 WNIDOWSXP，UNUX，BSD 等都支持 双栈协议，WINDOWS2000 只要装上 IPv6 的补丁包则也能支持 IPv6。但这些操作系统 对 IPv6 协议的支持都不是很完善，当对这些操作系统进行协议一致性测试会发现， 其中有些协议的实现并不完全符合 RFC。 国外一些著名公司如思科、日立等都有 IPv6 网络解决方案，推出了自己的网络 产品，比如日立的 GR 系列路由器甚至有万兆级的产品。在中国有几家公司也已经获 得了全球 IPv6 论坛技术委员会审核的 IPv6 Ready Logo 第一阶段测试，他们是:中兴、 黄淮学院本科毕业设计 6 港湾、烽火、华为和比威，这些公司也推出了自己兼容 IPv6 的网络设备。 但是到目前为止，国内外还没有真正意义的 IPv6 基础上的商用系统，还有一个 很重要的问题，现在的现实是只是能把 IPv4 的应用部分移植到 IPv6 上来。Ipv6 无 法大规模商用的关键在于还没有找到“杀手铜”的应用(指的是很独特、很有优势、 很受欢迎的，并且在 IPv4 中并没有的应用)，而这也是现在 Ipv6 推动很困难的原因。 1.3 研究内容和方法 1.3.1 研究内容 本课题研究内容主要有如下内容: （1） IPv6 协议的熟悉和掌握，对比研究 IPv4 与 IPv6 协议异同以及主机对两 种协议的兼容性。 （2） Ipv6 单播数据通信机制的研究。 （3） IPv6 过渡技术特别是对隧道机制的研究。 （4） 在现有的 IPv4 平台上搭建 Ipv6 实验平台，进行一些 IPv6 基础实验及 IPv6 部署实验的设计和实践。 （5） 根据现有校园网的现状，提出建设黄淮学院校园网从纯正 IPv4 网过渡到 IPv4 和 Ipv6 兼容的网络的策略 。 （6） 搭建 IPv6 的关键应用服务平台。 1.3.2 研究方法与思路 课题主要用到的技术包括: （1） LINUX 技术 （2） 组网技术 （3） IPv4 协议 （4） IVP6 协议 （5） Zebra （6） 动态路由(OSPFv6，RIPng，BGP4+等)准术 （7） IPv6 过渡技术(GRE、手动、自动、6to4、ISATAP 等隧道技术) （8） 各种 IPv6 网络应用(www，ftp，dns，网络安全等) 课题涉及知识面较广，需要用到的网络知识很多，包括网络底层协议、网络规划、 黄淮学院本科毕业设计 7 网络组网、网络调试、路由配置、动态路由、隧道技术、网络服务器配置与调试、网 络安全、linux 系统熟练使用以及了解内核机理等等，这些都需要有一定的知识积累 和动手能力，也需要花费比较多时间和精力才能够游刃有余，这些都得益于本人长期 接触以及工作学习积累。由于个人能力有限，在摸索过程中碰到许多难题，有时候往 往是一个小问题也需要想尽各种办法来排查才能得出问题所在，况且在没有现成的 IPv6 网络设备的依托条件下我转向软路由，通过在网上查阅许多资料并通过一些测 试，才论证了用 zebra 软路由也能达到实验目的。 采用的方法是: （1） 选择了主流的支持 IPv6 协议的操作系统平台，具体是 RedHatLinux(主要)和 WindowsXP，在该平台上进行了一系列相关的 IPv6 基础实验，对实验数据进行分析， 通读相关的 RFC 文档，在两者间进行理论和实践的结合。 （2） 选择国外开发的支持 IPv6 的软件路由产品，在此产品上进行各种路由协 议的配置，实现多机互联的隧道、路由实验，寻找 IPv6 互联中的问题，积累相应的 经验。 （3） 之后再搭建小型的网络实验平台，在其上进行 IPv6/IPv4 服务的提供及接 入实验。 （4） 平台搭建好后，再在其上编译、配置搭建主流的 IPv6 应用平台。 本文的研究思路如下: 黄淮学院本科毕业设计 8 图 1-1 本文研究思路 黄淮学院本科毕业设计 9 2 IPv6 协议研究 2.1 IPv6 协议基础及与 IPv4 的对比 2.1.1 Ipv6 新特性 （1） 全新的报文结构 IPv6 使用了新的协议头格式，也就是说 IPv6 数据包的报文头是全新的。在 IPv6 中，报文头包括固定头部和扩展头部，对于一些非根本性的和可选择性的字段 被移到了 IPv6 协议头之后的扩展协议头中，这就使得网络中的中间路由器在处理 IPv6 协议头时，有更高的效率。 同时，IPv6 协议头和 1Pv4 协议头是不兼容的，因此，IPv6 取代 IPv4 协议对其 上层如 TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)和 UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)也会有影响，还会影响到如远程登录(Telnet), FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)、SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议)等应用程序。这些应用程序都必须被修改以处理 IPv6 的 128 位的新的地址，同时，因为这些地址通常是传送给 TCP 和 UDP 传输协议，所以 这些协议也必须修改，以使其在 IPv4 和 IPv6 下均能正常工作。 （2） 巨大的地址空间 IPv6 的地址空间非常巨大，业界常用的一个比喻是说 IPv6 可以做到地球上的每 一粒沙子都有一个 IP 地址。 IPv6 的引入，一个很重要的原因在于它解决了 IP 地址缺乏的问题。IPv6 的地址 位数比 IPv4 要长得多，增长了 4 倍，达到了 128 比特，而 IPv4 只有 32 比特。按照 目前的全世界人口数为 65 亿来计算，IPv4 地址的拥有量是每 3 个人能有 2 个 IPv4 地址，而世界上每个人却可以拥有 5.7x 1028个 IPv6 地址。同时在 IPv6 中使用前缀 的概念替代了 IPv4 中网络 ID 的概念。前缀表示用多少位来标识子网。 （3） 全新的地址配置方式 随着技术的进一步发展，Internet 上的节点不再单纯是计算机了，将包括 PDA、 移动电话、各种各样的终端、甚至包括冰箱、电视等家用电器，这就要求 IPv6 主机 地址配置更加简化。 为了简化主机地址配置，IPv6 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，比如通过 DHCP-Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议来统筹管理 IP 地址，主机在启动时会 黄淮学院本科毕业设计 10 和 DHCP 服务器联系，以获得自己的 IP 地址)外，还支持一种无状态地址配置技术。 在无状态地址配置中，网络上的主机能自动给自己配置 IPv6 地址，在同一链路上， 所有主机可以不用人工干预就可以进行通讯，也正是这种无状态地址自动配置技术， 使得未来 IPv6 的广泛普及成为可能。 （4） 对 QOS 更好的支持。 IPv6 在包头中新定义了一个叫做流标签的特殊字段。1Pv6 的流标签字段使得网 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 由器可以不打开传送的内层数据包就可以识别流，这就使得即使数据包的有效载荷己 经用 IPSec 和 ESP 进行了加密，仍然可以实现对 QOS 的支持。 （5） 内置的安全性 IPv6 协议本身就支持 IPSec，在网络层进行 IPSec 认证与加密，能提供端到端的 安全。这就为网络安全提供了一种基于标准的解决方案，提高了不同 IPv6 实现方案 之间的互操作性。 （6） 全新的邻居发现协议 IPv6 中的邻节点发现(Neighbor Diseovery)协议是一系列机制。该协议是 Ipv6 的一个关键协议，也是 IPv6 和 IPv4 的一个很大的不同点，它用来管理相邻节点之间 的交互。该协议用更加有效的单播和多播报文，取代了 IPv4 中的地址解释(ARP)、 CIMP 路由器发现、CIMP 路由器定向，并在无状态地址自动配置中起到不可或缺的作 用，此在下文会详细讲述。 （7） 可扩展性 因为 IPv6 报头之后添加了扩展报头，IPv6 可以很方便地实现功能扩展。IPv4 报 头的选项字段最多可以支持 40 个字节的选项，而 IPv6 扩展报头的长度只受到 IPv6 数据包的长度制约。 （8） 移动性 由于采用了路由扩展报头和目的地址扩展报头，使得 IPv6 提供了内置的移动性。 2.1.2 IPv6 报文结构 IPv4 数据包由两个基本组成部分：Pl 包头和有效载荷。其中 IP 包头包含很多的 字段，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。IP 包头中的 字段标识发送方、接收方和传输协议，并定义许多其它的参数。而有效载荷表示发送 黄淮学院本科毕业设计 11 方传给接收方的信息(数据)。 其实 IPv6 网络模型和 IPv4 的网络模型是一致的。主要包括两个角色:主机和路 由器。数据在网络中传输的过程和 IPv4 网络是类似的:即是路由器利用包头中的信息 将数据包从发送方一跳一跳地转发到接收方，如下图所示: 图 2-1 数据转发过程图 主机 A 发数据包给主机 B，过程如下:主机 A 发送一个数据包到路由器 A，数据包 的源地址是主机 A，目的地址是主机 B，路由器 A 读取该数据包头中的相关内容，然 后查找自己的路由表，决定下一条地址，并把数据包转发出去，之后中间的每台路由 器都执行同样的操作，最后数据包到达主机 B。 IPv6 数据包由一个 IPv6 报头、多个扩展报头和一个上层协议数据单元组成。 IPv6 数据包的结构如图 2-2 所示。 图 2-2 IPv6 数据包结构 IPv6 数据包由三部分构成，即:IPv6 报头(IPv6 Header)、扩展报头(Extension Headers)以及上层协议数据单元(Upper Layer Protocol Data Unit)。 （1） IPv6 基本报头 每一个 IPv6 数据包都必须包含 IPv6 报头(也称之为基本报头或固定报头)。固定 报头包含 8 个字段，总长度固定为 40 个字节，IPv6 的报头结构最早是在 RFC1883 中 给出详细的描述，但是现在该规范已经被 RFC2460 所替代，在新的技术规范中对 IPv6 做了许多改动。IPv4 报头头包含了 14 个字段，并且报头长度是不固定的，这些 会消耗掉中间路由器的大量 CPU 资源，它在 RFC791 中描述。IPv6 和 IPv4 二者的报 文头是有很大的不同的，下面会对照讲解二者报文头结构: 黄淮学院本科毕业设计 12 图 2-3 IPv4 报文头 图 2-4 IPv6 报文头 如图 2-4 所示:IPv6 报文头由以下 8 部分组成: 版本号(Version) 1 版本号长度是 4 位，其值是 6，这个字段和 IPv4 版本号域基本是一致的，只是 IPv4 的值是 4。该字段规定了 IP 协议的版本。 通信流类别(Traffic Class，8 位) 2 通信流类别和 IPv4 中的服务类型(Type of Service)功能相类似，它表示的是 IPv6 数据包的类或者是优先级。但是在 RFC2460(IPv6 规范说明)中并没有定义通信 流类别字段的值。 流标签(Flow Label，20 位) 3 在 IPv4 中并没有流标签，在 IPv4 中要定义一个流需要 5 元组:源 IP，目的 IP, 上层协议(UDP 或 TCP)，源端口以及目的端口。流标签是 IPv6 中新增的字段，它用来 表示这个数据包属于源节点和目标节点之间的一个特定数据包序列，它需要由 IPv6 的中间路由器进行特殊处理。目前关于流标签字段的详细使用细节，还没有定义，所 以在这一块是大有作为的。 有效载荷长度(Payload Length，16 位) 4 有效载荷长度是指扩展报头和上层协议数据单元的长度，单位是字节。该字段有 16 位，即最多能表示 65535 字节的有效载荷，如果有效载荷长度超过这个数值，则 该字段会置零，然后由后面跟着的逐跳选项扩展报头中的超大有效载荷选项来表示。 在工 Pv4 中定义了总长度字段(Total Lenght，16 位)来表示 IP 数据包的总长度。 下一个报头(Next Header，8 位) 5 如果 Ipv6 报头后面存在有扩展报头的话，则该字段定义第一个扩展报头的类型， 否则定义上层协议数据单元中的协议类型。此字段相当宇 IPv4 中的协议字段 (Portocol，8 位)。 跳限制(Hop Limit，8 位) 6 黄淮学院本科毕业设计 13 该字段类似于工 Pv4 中的生存时间字段(Time to Live，8 位)，它定义了 IP 数 据包所能经过的最人跳数。IP 数据包每经过一个路由器，则路由器会修改数值，使 之减 1，当路由器接收到的数据包的数值为 O 时，则会丢弃此包。 源地址(Source Address，128) 7 表示的是发送方的 IPv6 地址，地址空间由在 IPv4 中定义的 32 位长度扩人到 128 位长度，是 IPv6 之 IPv4 最重要的扩展。 目的地址(Destination Address，128) 8 表示的是接受方的 IPv6 地址，在工 Pv4 中此字段也有定义，只是长度为 32 位。 以上是 IPv6 基本报头的 8 个组成部分