（电磁场与微波技术专业论文）ipv6网络性能和过渡技术研究.pdf

声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材科。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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 璇蔓日期：兰盟 ：主 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：翻! 堑 导师签名：，寻适劈萄陆 日期：塑2 ：主 日期：鱼基a ： 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 i i 、, 6 网络性能和过渡技术研究 摘要 随着i p 网络规模的不断发展，i p v 4 网络呈现出了前所未有的潜 在问题：一是地址资源耗尽的问题，一是骨干路由器路由表规模爆炸 式增长的问题。这两个问题都是由i p v 4 固有的本质产生的。因此为 了解决这两个必须解决的问题，我们必须要对i p v 4 协议进行改进， i p v 6 协议应运而生。 i p v 6 是i e t f 在r f c 2 4 6 0 定义的下一代互联网的核心协议。 和i p v 4 相比，i p v 6 具有很多优点：巨大的地址空间、高效路由、 良好的移动性支持、内在的安全机制等。 本文主要分析研究了以i p v 6 协议为基础的下一代互联网的相关 问题：i p v 6 技术、网络性能和网络过渡技术等，并结合笔者参与的 中国网通c n g i 项目，提出了现网时延测试解决方案，最后以下一代 互联网的发展与展望作为论文的结束。 关键字：i p v 6 网络性能时延过渡技术 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 r e s e a r c ho np e r f o r m 啥n c ea n dt r a n s i t i o n t e c h n o l o g yo fi p v 6n e t w o r k s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi p v 4 - b a s e dg l o b a li n t e m e t ，i p v 4 n e t w o r kh a se m e r g e dt w os e r i o u sp r o b l e m s ：o n ei s a d d r e s se x h a u s t i o n ， a n dt h eo t h e ri s b a c k b o n er o u t i n g - t a b l ee x p l o d i n g ”t h e s et w op r o b l e m s a r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sa n dt h e ya r ec a u s e db yi p v 4 p r o t o c o li t s e l s ot h eo n l ya n dt h eb e s tw a yt os o l v et h e s ep r o b l e m si st o d e s i g nan e wi n t e m e tp r o t o c 0 1 t h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r a c tp r o t o c 0 1 a l s o k n o w na si p v 6 h a db e e nd e s i g n e da f t e rm a n yy e a r so f c o n s i d e r a t i o n i p v 6h a sb e e ns t a n d a r d i z e db yi e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ) w i t hab a s i cs e to fs t a n d a r d sf i n a l i z e di n19 9 8 i ti sc o n s i d e r e dt o t h ec o r ep r o t o c o lo ft h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ( n g i ) a n dn o wr e a d y f o ru s e t h e3 g p p f 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t ) h a ss p e c i f i e di p v 6a sa m a n d a t o r yi pp r o t o c o li nr e l e a s e2 0 0 0i m c n ( i pm u l t i m e d i ac o r e n e t w o r k ) s u b s y s t e m s i p v 6h a v em a n ya d v a n t a g e so v e ri p v 4 ，s u e ha s h u g ea d d r e s ss p a c e ，p e r f e c tm o b i l i t ys u p p o r t ，e m b e d d e de n c r y p t i o n s u p p o r ta n da u t h e n t i c a t i o n ，e r e t h i st h e s i sf o c u so ni k l a t e dp r o b l e m so f t h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r a c t b a s e do ni p v 6p r o t o c 0 1 i n c l u d i n gi p v 6t e c h n o l o g y , n e t w o r kp e r f o r m a n c e a n dn e t w o r kt r a n s i t i o nt e c h n o l o g y at e s ts o l u t i o ni sp r e s e n t e di nt h et i m e l a t e n c yo fp r o d u c t i o nn e t w o r kd u r i n gt h ec n c c n g ie n g i n e e r i n g t h e t h e s i sc o m e st oi t se n dw i t h 也ec o n c l u s i o no ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t k e yw o r d s ：6 t r a n s i t i o nt e c h n o l o g y 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 现有的互联网主要是基于i p v 4 协议的。这一协议的成功促成了互联网的迅 速发展。但是，随着互联网用户数量不断增长以及对互联网应用的要求不断提高， i p v 4 的不足逐渐凸现出来。其中最尖锐的问题就是不断增长的对互联网资源的 巨大需求与i p v 4 地址空间不足的先兆。目前可用的i p v 4 地址已经分配了7 0 左 右，其中，b 类地址已经耗尽。据i e t f 预测，预计i p v 4 的地址资源将会在2 0 0 5 年2 0 1 0 年枯竭；虽然采用了无类域间选路( c i d r ) 和网络地址翻译等技术，但 不能从根本上解决问题，另外，由于i p v 4 地址方案不能很好地支持地址汇聚， 现有的互联网正面临路由表不断膨胀的压力；同时，对服务质量、移动性和安全 性等方面的需求都迫切要求开发新一代i p 协议。 i e t f 早在2 0 世纪9 0 年代中期就提出了拥有1 2 8 位地址的i p v 6 互联网协议， 并在1 9 9 8 年进行了进一步的标准化工作【。除了对地址空间的扩展以外，还对 i p v 6 地址的结构重新做了定义，采用了与i p v 4 中使用的c i d r 类似的方法分配 地址。i p v 6 还提供了自动配置以及对移动性和安全性的更好支持等新的特性。 目前，i p v 6 的主要协议都已经成熟并形成了r f c 文本，其作为i p v 4 的唯一取代 者的地位已经得到了世界的一致认可。 国外各大通信设备厂商都在i p v 6 的应用与研究方面投入了大量的资源，并 开发出了相应的软硬件。我国政府对互联网信息技术的发展和应用非常重视， 2 0 0 3 年启动的中国下一代互联网示范工程( c n g i 项目) 是国家缴的战略项目，该 项目由信息产业部、科技部、国家发展和改革委员会、教育部、国务院信息化工 作办公室、中国科学院、中国工程院和国家自然科学基金委员会八个部委联合发 起并经国务院批准启动，该项目的主要目的是搭建下一代互联网的试验平台， i p v 6 是其中要采用的一项重要技术。以此项目的启动为标志，我国的i p v 6 进入 了实质性发展阶段。 从i p v 4 到i p v 6 的改变将不可避免的带来i n t e r n e t 上新的革命，无论是硬 件还是软件都将有全新的发展。i p v 6 可能需要在研究所和学术机构中进行足够 的试验，才能像i p v 4 一样成功的投入商业运营。 s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 1 2 论文研究内容 本课题主要是有关下一代互联网相关问题的研究，参照了笔者在中国网通 研究院参与的中国网通c n g i ( 中国下一代互联网示范工程) 项目。论文总体包括 以下内容：第一章主要是绪论，包括课题的研究背景和内容，并介绍了目前国内 外i p v 6 的相关进展情况。第二章介绍了i p v 6 协议，主要包括其出现的背景和相 比i p v 4 的优点，i p v 6 具体的细节诸如地址路由和包头格式等。第三章介绍了网 络性能中的时延测试方案，包括网络性能的相关知识，以及网通c n g i 网络测试 时延遇到的问题和相应的解决方案。第四章简要地介绍了网络过渡技术，结合网 通c n 6 i 项目中三种过渡技术的测试结果，分析了网络过渡的趋势和过渡方案。 第五章简要的介绍了基于i p v 6 的业务和网络发展趋势。 1 3 国内外i p v 6 研究现状 i p v 6 从其提出至今已经有十年的时间，由于不同国家的具体的网络资源和 业务需求不同，导致了对待i p v 6 的态度有着很大的差别，总的来说是美国采取 比较谨慎的态度，欧洲还算积极，最热诚的是亚洲。 目前，全球一些发达国家对i p v 6 的开发和应用取得了实质性的进展，一些 国家和地区推出了很有特色的应用，一些运营商推出了商用业务和应用。 1 3 1 i p v 6 在国外的发展 日本的n t t 的i p v 6 业务在全球率先露面。日本是全球最先进的i p v 6 的试验 场，早在1 9 9 9 年，日本的运营商互联网服务提供商就已经开始启动i p v 6 试验 业务和服务，如n t t i i jk d d ij t 和p o w e r e d c o m 等运营商都开始提供实验性服务， 到目前为止，日本已经有了十个以上的i p v 6 商用业务和实验服务提供商，其中 以n t t 的i p v 6 全球发展策略尤其令人关注。n t t 提供两种i p v 6 业务，一种是i p v 6 原生业务，即通过i p v 6 协议直接连到全球i p 骨干网络上，向客户提供全球的 i p v f i 网络的传输业务。另一种是i p v 6 i p v 4 双栈业务，即只使用一个接入电路 同时提供连接到全球i p 骨干网上的i p v 6 和i p v 4 连接。除此之外，n t t 还在其 a d s l 业务中也推出了i p v 6 双栈服务，名称为o c na d s l 业务，这一业务完全支 持i p v 6 ，并且通过即插即用功能完全消除了负责的网络设置过程。 韩国的宽带发展水平和普及率位居世界前列，因此韩国i p v 6 的应用主要是 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 朝着与宽带业务相结合的发展方向为推进i p v 6 在韩国的发展与应用，韩国政 府成立了i p v 6 战略委员会，从2 0 0 5 年开始在以下领域采用i p v 6 ：家庭网络、 b e n ( 宽带融合网络) 、公共部门的网络和业务、商业i s p 虽然美国对i p v 6 的态度不是特别积极，但i p v 6 在美国还是赢得了美国国防 部的青睐，主要是由于以下原因：军事网络过渡到i p v 6 后能够大大提高网络效 率；i p v 6 的服务质量( q o s ) 可以加强军事智能化；i p v 6 能提供端到端的安全性， 满足军事要求。 欧洲i p v 6 的发展在移动领域取得突破，欧洲的移动通信事业相当发达，但 在互联网的发展方面却落后于美国，因此欧洲在i p v 6 的发展上采取了“先移动， 后固定”的基本战略，并在第3 代移动通信网中率先引入i p v 6 ，以实现在互联 网领域与美国并驾齐驱的目标。 1 3 2 我国i p v 6 的发展状况 我国的c n g i 项目启动于2 0 0 3 年，是国家级的战略项目，由信息产业部、科 技部、国家发展和改革委员会、教育部、国务院信息化工作办公室、中国科学院、 中国工程院和国家自然科学基金委员会八个部委联合发起并经国务院批准启动， 该项目的主要目的是搭建下一代互联网的试验平台，i p v 6 是其中要采用的一项 重要技术。以此项目的启动为标志，我国的i p v 6 进入了实质性发展阶段。 根据c n g i 项目的整体规划，到2 0 0 5 年，在政府指导下，中国5 大运营商和 学术科研网c e r n e t 将构筑起6 个全国性的i p v 6 骨干网络( 覆盖全国3 9 个重要节 点) 和至少2 个交换中心( i x ) ，试验各个i p v 6 骨干网络之间的互联互通。基于这 一全国性的i p v 6 网络平台，各大运营商将配合各大部委完成i p v 6 的攻关课题， 并根据各自的网络条件及业务发展需求进行i p v 6 关键技术试验、开发、重大应 用示范以及应用的推广。 中国联通g n g i 示范网中的应用：建设i p v 6 示范智能小区、通用移动终端 的接入业务、c d m ai x 上网业务、专网接入业务、网络融合相关试验、当前中国 联通现有i p v 4 网络中的其他业务。 中国网通中科院c n g i 业务试验包括的i p v 6 创新业务应用有：视频会议、 v o i p v 6 电话、智能化物业管理、网络监控系统、远程教育、奥运应用、等等。 中国电信提出的c n g i 上i p v 6 的应用场景包括：永远在线、随处可见的网 络( 非p c 设备的连接) 、简单的即插即用、增强的内置安全、自由移动、新的通 信模式等，目标是将i p v 6 作为实现“无所不在”网络应用的重要后台支撑技术。 中国移动提出的g n g i 上的i p v 6 应用试验包括：i p v 6 端到端业务试验( 如 p o c i m s 、s i p 业务) 、i p v 6 地址需求类业务试验( 如远程监控) 、i p v 6 对数据业 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p ，6 网络性能和过渡技术研究 务组网方式的影响试验、i p v 6 增强型业务试验( 如视频电话会议电视、基于组 播的视频点播) 、n 6 1 网管和计费试验等。 相信在这些试验和应用走向成熟之后，中国i p v 6 的发展将会出现质的飞跃， 走出试验网、走向商用、带来全新的i p v 6 网络新体验。 8 韭富邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 第二章i p v 6 技术概论 i p v 6 协议产生的初衷是为了替换现有的i p v 4 协议，从根本上而言这两种协 议是互不兼容的，i p v 6 具有许多i p v 4 所不及的优点，支持的业务类型更多样化， 本章主要就i p v 6 的新特性和业务类型以及i p v 6 的相关技术细节做了介绍。 2 1i p v 4 协议存在的典型问题 有限的地址空间 i p v 4 采用3 2 位的地址长度，理论上可以提供大约4 3 亿个i p 地址【2 j ，但是 i p v 4 的地址分配策略使得事实上可用的地址数量远远低于理论值，随着互联网 的急剧发展，将来的信息家电和传感网络都需要大量的i p 地址。虽然采用了地 址翻译和c i d r 等网络技术来解决地址危机，但只能延缓i p v 4 地址枯竭的时间。 要想根本上解决这个问题，必须增大地址空间，采用更长的地址长度 路由爆炸 i n t e r n e t 由于早期缺乏规划，造成了i p 地址分配的“贫富不均”，b 类地址 分配不足，不得不分配若干个c 类地址给一个机构解决地址容量的问题，这样导 致了路由表的迅速膨胀。i n t e r n e t 的核心路由器已有数万个入口。各级路由器 中，路由表的条目过度增长，路由选择所需的时间增长了，最终的结果使得路由 器不堪重负，i n t e r n e t 的路由选择机制可能导致网络崩溃。 配置复杂 i p v 4 的节点配置比较复杂，需要设置i p 地址或者使用d h c p 网关地址或者 路由信息等，这对普通用户来说是非常麻烦的，人们更希望能像打移动电话那样 随时随地只要通过拨打对方地号码就可以通话，这就要求网络设备，特别是终端 设备能够做到即插即用，即将计算机或者终端插在网络上就可以使用。 端到端的i p 连接 为了缓解i p v 4 地址即将耗尽的危机，i p v 4 除了采用c i d r 技术外，还采用 了网络地址翻译合端口翻译n a t p t ( n e t w o r ka d d r e s sa n dp o r tt r a n s l a t i o n ) 。 n a t f r r 技术一般用在专用网络和公用网络之间的接口处，该系统了解专用网络上 所有主机的地址，并将其翻译为可访问的公用网络地址，这样私网内所有的主机 就可以和外部主机进行通信。但是这个技术不仅引入了单点故障的可能性，网络 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 的性能也受n a t p t 系统的影响，最主要n a t p t 技术的单向性，它破坏了i p 连接 端到端的特性，使得很多端到端的应用不再适用 服务质量 i p 网络设计之初就是提供尽力而为( b e s t - - e f f o r t ) 的服务，这种服务的 简单高效使互联网获得了巨大的成功，但是随着网络新业务的出现，特别是实时 多媒体业务的出现，要求互联网在时延、抖动和带宽等方面提供一定的服务质量 保证，虽然出现了像i n t s e r v 、d i f f s e r v 等协议，但网络的规划和构造成本也 急剧增长。 安全性 i p 协议在设计之初并没有太多关注安全问题，长久以来的观念是安全问题 在网络协议的低层并不重要，安全责任应该交给高层像应用层和传输层。随着互 联网的迅速发展，其安全问题越来越得到关注。i e t f 的i p s e c 工作组通过使用 a h 和e s p 在网络层加强互联网的安全性。但是i p s e c 是可选的，目前的网络中 绝大多数节点都不支持i p s e c 。 移动性 随着移动终端的迅速发展，移动i p v 4 协议也成为了研究的热点。但是移动 i p v 4 存在的很多问题诸如三角路由和不支持节点快速移动等问题。 2 2i p v 6 协议新特性 上一节介绍了i p v 4 协议的不足之处，i p v 6 协议不仅很好的解决了目前网络 协议存在的缺点，还有着不同于i p v 4 协议的新特性。具体的细节如下所示： 简化的报头和灵活的扩展 i p v 6 对i p v 4 的可变长数据报头做了简化，以减少处理器开销并节省网络带 宽。i p v 6 报头由一个基本报头和多个扩展报头组成，基本报头具有固定的长度 ( 4 0 字节) ，包括8 个域，放置所有路由器要处理的信息。固定长度的报头使得 使用硬件芯片处理报头成为可能，大大的提高了路由器的处理能力和效率。扩展 报头则使得i p v 6 变得极其灵活，能提供对多种应用的支持，为以后的扩展提供 了可能。 层次化的地址结构 i p v 6 将现有的i p 地址长度扩大4 倍，由当前i p v 4 的3 2 位扩充到1 2 8 位， 以支持大规模数量的网络节点。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，以利于骨干网路由器对数据包的快速转发。 i o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 i p v 6 定义了三种不同的地址类型分别为单点传送地址( u n i c a s ta d d r e s s ) ，多 点传送地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 和任意点传送地址( h n y c a s ta d d r e s s ) 。所 有类型的i p v 6 地址都是属于接口( i n t e r f a c e ) 而不是节点( n o d e ) 。一个i p v 6 单点传送地址被赋给某一个接口，而一个接口又只能属于某一个特定的节点，因 此一个节点的任意一个接口的单点传送地址都可以用来标示该节点 即插即用的连网方式 i p v 6 把自动配置地址当作一个实现标准，即只要机器一连上网络就可以自 动分配i p 地址。这样用户就不需要花精力来设置i p 地址，同时也减轻了网络管 理者的负担。它有两种实现方式：一种源自i p v 4 下的动态主机配置协议，称为 “全状态自动设定”，另外一种是i p v 6 所独有的机制。称为“无状态自动设定”。 网络层的认证与加密 i p s e c 是i p v 6 的一个重要组成部分。它的主要功能是在网络层对数据包进 行认证和加密。认证机制使i p 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。 服务质量的满足 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 wl a b e l ) 。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。 流是以某种方式相关的一系列信息包，i p 层必须以相关的方式对待它们。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。 对移动通讯更好的支持 移动通信与互联网的结合将是未来网络发展的大趋势之一。移动互联网将成 为我们生活中的一部分。移动i p v 6 的设计吸取了移动i p v 4 的经验，而且充分的 利用了i p v 6 的新特性，提供了比i p v 4 更完整、更优越的服务。 2 3i p v 6 协议综述 前面两节分别介绍了目前网络协议的不足和i p v 6 的优点，本节就i p v 6 的具 体的技术细节做一个详细的介绍。 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 2 3 i p v 6 地址体系结构 i p v 6 地址空间及语法表示 i p v 6 的地址长度是1 2 8 位，是i p v 4 的地址长度的4 倍，理论上，可以有2 1 2 8 个地址。除了地址长度变长外，i p v 6 地址的表示方法也和i p v 4 不同。i p v 6 使用 。：”分割符表示地址，1 2 8 位的i p v 6 地址被分割成8 段，每一段用一个4 位的 十六进制数表示。例如2 0 0 1 ：o d a 9 ：0 0 0 1 ：0 1 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 0 0 ：0 0 5 0 就 是一个合法的i p v 6 地址。由于i p v 6 的地址长度很大，经常会有连续多个0 出现， 为了读写方便，出现了一些i p v 6 的简化写法，其简化原则是：每一段开始的0 可以省略；某一段全是0 ，可以用一个0 代替；一段或者几段连续为0 ，这些字 段可以用一个“：”来代替，并且只能在地址中出现一次。所以上面的i p v 6 的 地址经常表示成2 0 0 1 ：d a 9 ：i ：1 0 0 ：5 0 i p v 6 地址分类 在i p v 4 中，一台主机只有一个地址( 环回地址除外) 。但是在i p v 6 中，一 台主机可以有多个地址。因为在i p v 6 中使用了接口( i n t e r f a c e ) 的概念。可以 把网络中的台主机或者路由器看作一个节点，一个节点可以拥有多个接口，一 个接口可以有多个i p v 6 地址。i p v 6 地址分为单播地址、多播地址和任播地址【3 1 。 具体如下： 1 单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) 一个单播地址只能标识一个唯一的接口，即向单播地址发送的数据包将最终 达到一个唯一的一个节点。单播地址有以下几种形式：全球单播地址、未指定地 址、环回地址、嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址等。 一般的全球单播地址的格式如图2 - 1 所示： n 位m 位1 2 8 一n m 位 i 全球路由前缀i 子网i di 接口i di 图2 - 1 全球单播地址格式 随着i p v 6 的部署，有些路由器既要支持i p v 4 ，也要支持i p v 6 ，出现了嵌入 i p v 4 地址的i p v 6 地址，称为i p v 4 的兼容地址。该地址前9 6 位均为0 ，最低3 2 位是i p v 4 地址，其格式如图2 - 2 所示： 8 0 位1 6 位3 2 位 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 i i p v 4 地址 i 图2 - 2i p v 4 兼容地址格式 未指定地址被定义为0 ：o ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ，该地址不能分配给任何节 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 点。接口在初始状态还未分配地址时，可以使用未指定地址，作为它所发数据包 的源地址。但不能作为目的地址。 环回地址定义为0 ：0 ：o ：0 ：0 ：o ：o ：o ：1 ，环回地址相当于接口本身， 当接口向环回地址发送数据报时，只有该接口自己接到，该地址同样也不能分配 给任何物理接口 2 多播地址 一个多播地址可以用来标识多个接口，而这些接口通常属于不同节点。如果 向一个多播地址发送数据包，则包含在该多播地址中的所有接口都能收到该数据 包。多播地址以1 1 1 1 1 1 1 1 开头，即f f 。多播地址格式如图2 - 3 所示： 8 位4 位4 位1 1 2 位 图2 - 3 多播地址格式 3 任播地址 任播地址也是用来标识多个接口的，与多播地址不同，如果向任播地址发送 数据包，则包含在该任播地址中的与源节点“最近”的接口将响应该数据包。这 个“最近”的接口是通过路由协议来分配的。 2 3 2i p v 6 报文 i p v 6 对数据包做了简化，以减少处理器的开销和节省网络带宽i p v 6 报头由 一个基本报头和多个扩展报头组成 4 1 。 基本报头固定长度为4 0 字节，放置所有路由器都需要处理的消息，如图2 4 所示 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 阿络性能和过渡技术研究 034i i1 2 1 5 1 62 32 43 1 版本流量类型流标签 载荷长度下一个报头跳数限制 源地址 目的地址 图2 - 4i p v 6 基本报头的结构 对i p v 6 基本报头各域的说明如下： 1 版本( v e r s i o n ) 该域的长度是4 ，i p v 6 版本号= 6 2 流量类型( t r a f f i cc l a s s ) 该域的长度为8 位，用于区分不同i p v 6 包的类别或优先级。i p v 6 的流量类 型可以分为两大类：非缺省的质量服务( n o n - - d e f a u l tq u a l i t yo fs e r v i c e ) 和实时服务( r e a l t i m es e r v i c e ) 3 流标签( f l o wl a b e l ) 该域的长度为2 0 位，用于源节点标识i p v 6 路由器需要特殊处理的包序列 4 载荷长度( p a y l o a dl e n g t h ) 该域的长度位1 6 位，表示一个无符号整数。指明i p v 6 数据报中，除基本报 头以外的剩余部分的长度 5 下一个报头( n e x th e a d ) 该域的长度是8 位，用于指明紧接在基本报头后面的协议类型。下一个头字 段可以用来指出高层是t c p 还是u d p ，也可以用来指明扩展头的存在 6 跳数限制( h o pl i m i t ) 该域的长度是8 位，主机再生成数据包时，在跳数限制中设置某一初始值， 该数据包每经过一个路由器时，跳数值就减l ，若数据包在达到目的主机之前， 值已经为0 ，则将数据包丢弃。 7 源地址( s o u r c ea d d r e s s ) 长度是1 2 8 位，指明生成数据包的主机的i p v 6 地址。 8 目的地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 也是1 2 8 位，指明数据包的最终要到达的目的主机的i p v 6 地址 i p v 6 扩展报头 i p v 6 有多个扩展头，使得i p v 6 变得灵活，可以提供对多种业务的支持。具 体的扩展头细节如下： 1 逐跳选项头( h o p b y h o p ) 此扩展头必须紧跟在i p v 6 基本报头之后，它包含所经路径上的每一个节点 都必须检查的选项数据。由于它需要在每个中间路由器都进行处理，所以只有在 绝对必要的时候才出现。 2 路由头( r o u t i n gh e a d e r ) 此扩展头指明数据包在到达目的地途中将经过地各节点的地址列表，路由头 的类型值是4 3 ，也就是说，如果一个报头中的“下一个报头”值是4 3 ，表示下 一个报头是路由头，其格式如图2 5 所示： 0781 5 1 62 32 4 3 1 下一个报头扩展报头长度路由类型 剩余段 类型相关数据 图2 - 5 路由头格式 3 分段头( f r a g m e n th e a d e r ) 当i p v 6 源地址发送的数据包比到达目的地址所经过的路径上的最小m t u 还 要大时，这个数据包就要被分成几段分别发送，这时就要用到分段头。目的地址 收到被分段发送的全部数据包后，再将它们组装起来。分断头的类型值为4 4 。 如果下一个报头的值是4 4 ，则表示是分段头。其格式如图2 6 所示： 078 1 51 62 82 93 03 1 下一个报头保留字段偏移量保留字 m 标识 图2 - 6 分断头格式 4 认证头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 认证头的功能是实现了数据的完整性何对数据来源的认证。完整性保证了数 据包再传输过程中没有被篡改过，数据包来源的认证，保证数据包确实来自于源 地址所标记的接口。认证头必须放置在那些将由路由器处理的扩展报头之后( 像 逐跳选项头，路由头，分段头) ，并且在只能有数据包的目的地址处理的扩展报 1 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 头之前。认证头的类型值为5 l 。其格式如图2 - 7 所示： 0781 51 6 3 1 下一个报头 载荷长度保留字 安全参数索引 序列号 认证数据( 可变) 图2 7 认证头格式 5 封装安全载荷头( e s ph e a d e r ) 封装安全载荷头提供数据加密功能，实现端到端的加密，提供无连接的完 整性和防重发服务。封装安全载荷头可以单独使用，也可以在使用隧道模式时嵌 套使用。其类型值是5 0 。其格式如图2 8 所示： 01 5 1 62 32 43 1 安全参数索引 序列号 载荷数据( 可变的) 填充数据 填充数据长度下一个报头 认证数据( 可变的) 图2 - 8 封装安全栽荷头格式 6 。目的选项头( d e s t i n a t i o no p t i o n sh e a d e r ) 目的选项头中携带则仅需要有最终目的节点检验的可选信息。它要在i p v 6 目的地址域所列的第一个目的主机上处理，也要在路由头所列的后续目的主机上 处理。其类型值是6 0 。格式如图2 - 9 所示： 0781 51 6i 3 图2 - 9 目的选项头格式 1 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 2 3 3i p v 6 地址配置协议 i p v 6 中地址自动配置有两种方式：有状态地址自动配置和无状态自动配置， 当站点并不是特别关心主机所使用的精确地址时，只要它们是唯一的，并且是可 路由的，就能使用无状态方式；当站点严格控制地址分配时，就使用有状态方式 有状态自动配置 在这种模式下，主机可以从服务器获得接口地址，也可以从服务器上获得配 置信息和参数。服务器中维护着一个数据库，其中记录着主机和地址分配的列表。 比较常用的是d h c p v 6 ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o lf o ri p v 6 ) 协 议，即支持i p v 6 的动态主机配置协议。它允许d h c p v 6 服务器把诸如i p v 6 网络 地址等信息传给i p v 6 节点。d h c p v 6 服务器与客户端使用u d p 来交换d h c p v 6 报 文。服务器和中继代理使用u d p 端口5 4 7 来监听d n c p v 6 报文；客户端使用u d p 端口5 4 6 来监听报文。 无状态地址自动配置 无状态自动配置要求本地链路支持组播，而且网络接口能够发送和接收组播 包。采用这种方式可以为任意主机配置一个i p v 6 地址，这个地址内嵌一个以太 网地址，由于以太网地址全球唯一，因此获得的i p v 6 地址也是唯一的。 无状态自动配置过程要求节点采用如下步骤： 首先，进行自动配置的节点必须确定自己的链路本地地址； 然后，必须验证该链路本地地址在链路上的唯一性； 最后，节点必须确定需要配置的信息。该信息可能是节点的i p 地址，或者是其 他配置信息，或者两者皆有。具体地说，在无状态自动配置过程中，主机首先通 过将它的网卡m a c 地址附加在链路本地地址前缀1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 之后，产生一个链 路本地单播地址( i e e e 已经将网卡m a c 地址由4 8 位改为了6 4 位。如果主机采 用的网卡的m a c 地址依然是4 8 位，那么i p v 6 网卡驱动程序会根据i e e e 的一个 公式将4 8 位m a c 地址转换为6 4 位m a c 地址) 。接着主机向该地址发出一个邻居 发现请求( n e i g h b o rd i s c o v e r yr e q u e s t ) ，以验证地址的唯一性。如果请求没 有得到响应，则表明主机自我配置的链路本地单播地址是唯一的。否则，主机将 使用一个随机产生的接口i d 组成一个新的链路本地单播地址。然后，以该地址 为源地址，主机向本地链路中所有路由器多点传送一个路由器请求 ( r o u t e rs 0 1 i c i t a t i o n ) 来请求配置信息，路由器以一个包含一个可聚集全球 单播地址前缀和其它相关配置信息的路由器宣告( r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 作为 响应。主机用它从路由器得到的全球地址前缀加上自己的接口i d ，自动配置全 球地址，然后就可以与i n t e r n e t 中的其它主机通信了。 1 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文i p v 6 网络性能和过渡技术研究 如果本地网络孤立于其他网络，则节点必须寻找配置服务器来完成其配置； 否则，节点必须侦听路由器宣告报文。这些报文周期性地发往所有主机的组播地 址，以指明诸如网络地址和子网地址等配置信息。节点可以等待路由器宣告，也 可以通过发送组播请求给所有路由器的组播地址来请求路由器发送宣告。一旦收 到路由器的响应，节点就可以使用响应的信息来完成自动配置。 2 3 4i p v 6 邻居发现协议( ) 邻居发现协议使用一系列的i p v 6 控制信息报文来实现相邻节点的信息交互 管理，并在一个子网中保持网络层地址和链路层地址之间的映射【5 1 。邻居发现协 议中定义了5 种类型的信息：路由器宣告、路由器请求、路由重定向、邻居请求 和邻居宣告。 1 路由器发现：即帮助主机来识别本地路由器 2 前缀发现：节点使用此机制来确定指明链路本地地址的地址前缀以及必须发 3 4 5 6 7 8 9 送给路由器转发的地址前缀 参数发现：帮助节点确定诸如本地链路m t u 之类的信息 地址自动配置：用于i p v 6 节点自动配置 地址解析：替代了a r p 和r a r p ，帮助节点从目的i p 地址中确定本地节点( 即 邻居) 的链路层地址 下一跳确定：可用于确定包的下一个目的地，即可确定包的目的地是否在本 地链路上。如果在本地链路，下一跳就是目的地；否则，包需要选路，下一 跳就是路由器，邻居发现可用于确定应使用的路由器 邻居不可达检测：帮助节点确定邻居( 目的节点或路由器) 是否可达 重复地址检测：帮助节点确定它想使用的地址在本地链路上是否已被占用 重定向：有时节点选择的转发路由器对于待转发的包而言并非最佳。这种情 况下，该转发路由器可以对节点进行重定向，使它将包发送给更佳的路由器 i c m p v 6 6 1 的全称是i p v 6 的互联网控制报文协议( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e p r o t o c o lf o ri p v 6 ) 。它是整个i p v 6 的一个组成部分，每个i p v 6 节点都必须完 全实现i c m p v 6 。i p v 6 节点可以使用i c m p v 6 来报告在包传送过程中遇到的错误。 i c 孺i p v 6 报文分为两大类：错误报文( e r r o rm e s s a g e ) 和信息报文 ( i n f o r m a t i o nm e s s a g e ) 。在发送i c m p v 6 报文时，需要在其前面加上i p v 6 基本 报头和若干个扩展报头( 可选) ，而将i c m p v 6 报文作为i p v 6 数据报的数据载荷。 1 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 i p v 6 网络性能和过渡技术研究 这时，在i c m p v 6 报文之前、与之紧邻的报头中的“下一个报头”域的值为5 8 ， 表明这是一个i c m p v 6 报文 错误报文( e r r o rm e s s a g e ) i c l 脚6 错误报文有四种类型：目的地不可达报文、包过大报文、超时报文和 参数错误报文。 1 目的地不可达报文( d e s t i n a t i o nu n r e a c h a b l em e s s a g e ) 除了因为业务流拥塞这个原因之外，如果路由器或发起节点主机不能发送数 据包时，就会产生目的地不可达报文。有o 一4 五个错误代码。 0 ：没有到达目的地的路由，路由器采用默认路由来发送无法利用路由表转 发的数据包 l ：于目的地的通信被禁止。当被禁止的某类业务流想到达防火墙内部的一 个主机时，包过滤防火墙将产生该报文。 2 ：未分配，当列表中的下一个目的地与当前执行的转发节点不能共享同一链 路时，将产生该报文。 3 ：地址不可达，这个代码指出在把高层地址解析到链路层地址时遇到的问 题，或者在目的地的网络链路层去往目的地时遇到了问题。 4 ：端口不可达，这种情况发生在高层协议( 如u d p ) 没有侦听包目的端口 的业务量，且传输层协议又没有其他办法把问题通知给源节点时。 2 包过大报文( p a c k e tt o ob i gm e s s a g e ) 当路由器接收到的数据包的大小比要转发到的链路的m t u 大时，就无法转发 该数据包，从而产生包过大报文。 3 超时报文 当路由器收到跳数限制为0 的数据包，或者路由器将数据包的跳数限制减为 0 时，将向发出该数据包的源节点发送超时报文。源节点收到超时报文时，可以 认为当初设置的跳数限制值太小，而增加跳数限制；也可以认为时数据包传送过 程中出现了循环。 4 参数错误报文 当路由器收到一个数据包的基本报头或者扩展报头有错误并且无法处理该 数据包，而将其丢