（计算机应用技术专业论文）ipv4向ipv6的地址过渡技术及管理策略的研究.pdf

摘要 自2 0 世纪7 0 年代i p v 4 诞生以来，随着i n t e r n e t 的急速发展，i p 地址即将耗尽 及路由表急速膨胀的问题日益突出。为了解决i n t e r n c t 目前所面临的巨大挑战， i e t f 制定并完善了新一代i p 协议，即i p v 6 。i p v 6 协议吸取了i p v 4 的优点并力争 弥补其不足之处，如解决了地址耗尽问题、具有内景的安全性和移动性等。我们 现在关注的己不再是应不应该由i p v 4 过渡到i p v 6 ，而是如何渐进地、无伤害地由 基于i p v 4 的网络过渡到基于i p v 6 的网络，同时尽可能减少过渡的成本。i p v 6 协 议的新特性为下一代互联网的应用和发展提供了更加广阔的前景和完善的支持。 本文主要做了阻下几方面的工作： ( 1 ) 研究了i p v 6 新协议，分析比较了i p v 4 和i p v 6 两种协议的异同点，通过剖 析i p v 6 的特点及其技术规范，重点在双协议栈技术、隧道技术和n a t - p t 技术方 面进行了相关实验研究。 ( 2 ) 探讨了i p v 6 的地址管理策略，研究了i p v 6 地址配置中最重要的邻居发现 协议和i p v 6 的无状态自动配置以及全状态自动配置的过程。 ( 3 ) 分析d h c p v 4 和d h c p v 6 的差异，利用工作原理图、状态变迁图，研究了 d h c p v 6 客户机和服务器的状态变迁和信息交换过程，并初步实现d h c p v 6 的功 能。 关键词：i p v 6 ；过渡技术；地址管理；d h c p v 6 a b s t r a c t s i n c ei p v 4w a sb o r ni nt h es e v e n t i e so ft h e2 0 t hc e n t u r y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t r a p i d l yo f i n t c r n e t ，t h eq u e s t i o nt h a t i pa d d r e s sw i l le x h a u s t e da n dt h er o u t ef o r m e x p a n dr a p i d l yi so u t s t a n d i n gd a yb yd a y i no r d e rt os o l v et h ee n o r m o u sc h a l l e n g e so f i n t e r n e ta tp r e s e n t ，i e t fm a k e sa n dp e r f e c t sn e wg e n e r a t i o np r o t o c o l ，n a m e l yi p v 6 i p v 6p r o t o c o ld r a w sa d v a n t a g eo fi p v 4a n dr e m e d yi tw e a k n e s s ，s u c ha ss o l v i n g a d d r e s se x h a u s t e dp r o b l e m ，h a v i n gb u i l t - i ns e c u r i t ya n dm o b i l e t h ep r o b l e mt h a tw e p a yc l o s ea t t e n t i o nt oi s n tt h a ti ti ss h o u l do ru o tt ob et r a n s f e r r e df r o m1 p v 4t oi p v 6 ， b u th o wt ob ea d v a n c eg r a d u a l ! ya n di n j u r yt r a n s f e r r e df r o mi p v 4i o p v 6 ，r e d u c et h e c o s to ft h et r a n s i t i o na sm u c ha sp o s s i b l ea tt h es a m et i m e t h en e wc h a r a c t e r i s t i co f i p v 6p r o t o c o lh a so f f e r e dt h es u p p o r to fw i d e rp r o s p e c ta n dp e r f e c t i o nf o ra p p l i c a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fn e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t t h i st e x th a sd o n et h ew o r ko ft h ef o l l o w i n ga s p e c t sm a i n l y ： 1 r e s e a r c ht h i sn e wp r o t o c o lo fi p v 6 ，a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e sb e t w e e ni p v 4a n dl p v 6 ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o no fi p v 6 ，s t u d y i n ga n dc o m p a r i n gt h em e r i ta n dd i s a d v a n t a g eo fs e v e r a l k i n d so ft r a n s i t i o nt e c h n o l o g y 2 d i s c u s s e dt h et a c t i c so fi p v 6a d d r e s s m a n a g e m e n t ，a n a l y z e d t h e m o s t i m p o r t a n tn e i g h b o rd i s c o v e r yp r o t o c o la n ds t a t e l e s sa u t o c o n f j g u r a t j o na n ds t a l e f u l a u t o c o n f i g r u r a t i o ni ni p v 6 3 t h i st e x ts t i l l d e e p e ra n a l y s e dd i f f e r e n c eb e t w e e nd h c p v 4a n dd h c p v 6 ， u t i l i z et h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n ds t a t ec h a n g e sp i c t u r e ，h a sr e s e a r c ht h es t a t ec h a n g e s o fd h c p v 6c l i e n ta n ds e r v e ra n di n f o r m a t i o ne x c h a n g ec o u r s em o r ec o m p l e t e l y ，a n d t e n t a t i v e l yr e a l i z et h ef u n c t i o no fd h c p v 6 k e yw o r d s ：i p v 6 ；t r a n s i t i o nt e c h n o l o g y ；a d d r e s sm a n a g e m e n t ；d h c p v 6 n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导h 独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中：陆别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何， e 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出雨婴页 献的个人和集体，均已存文中以明确方式标【必。奉人完令意识到奉声i 岿的 法律后果由本人承担。 作者签名：筠葺军 日期：矽f 年y 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工人学可以将木学位论文的全部或部分内 容编入有天数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编木学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多寻罕 导师签宅 日期：年，月日 口蜗：妒g i t 厂q r n 卅 第一章引言 1 1 论文提出的背景 i n t e r n e t 是上个世纪九十年代迅速发展应用的最重要技术之一，i n t e r n e t 巨大 的成功和给世界经济带来的机遇已经成为公认的事实。随着i n t e r n e t 的飞速发展， 越来越多的计算机用户加入到因特网的使用中。目前全球上网人数在2 0 0 2 年就已 经超过6 亿c ，到2 0 0 5 年将达到1 0 亿，2 0 1 0 年达到3 0 亿1 2 1 。 但是如此惊人的增长速度，使得网络本身的发展遇到了障碍，最主要的以下 两个问题： 1 1 p 地址即将耗尽。现在广泛采用的1 p v 4 设计于1 9 8 1 年，使用3 2 位二进 制数。从1 9 9 5 年开始全球的i p 地址以平均每年6 0 0 0 万8 0 0 0 万m 的速度被消耗。 直到目前，i p v 4 所提供的4 0 亿个地址已经被用去了一大半。有专家预测，2 0 0 5 年，全球地址将全部用完。而且i p v 4 地址不足的问题在中国尤为严重。因此，对 于中国以及亚洲来说，如果准备大力发展i n t e r n e t ，必须寻找新的答案，发展下一 代i n t e r n e t 。 2 路由表的快速增长。有数据表明，1 9 9 0 年只有大约5 0 0 0 条路由被存放在 路由表中，到1 9 9 5 年，这个数字达到了3 5 ，0 0 0 ，而在2 0 0 0 年则达到了1 2 0 0 0 0 条，而且这个数字会保持6 0 1 0 0 的增长率。这使得大量的网络设备由于处理 速度跟不上而很快被淘汰1 4 j 。 为了解决目前i p v 4 所面临的问题，特别是i p v 4 地址严重短缺以、路由表过于 庞大以及网络安全等问题，i e t f 于1 9 9 3 年下半年成立了i p n g 工作组，专门负责 下一代i p 协议的制定与研究工作。i p n g 工作组在1 9 9 4 年9 月提出了一个正式的 草案“t h er e c o m m e n d a t i o nf o rt h ei pn e x tg e n e r a t i o np r o t o c o l ”f r f c l 7 5 2 t 5 1 ，1 9 9 5 年底确定了i p n g 的协议规范，并由i a n a 分配了版本号6 ，称为“i pv e r s i o n6 ” ( i p v 6 ) 。 但是作为一种新的协议，从诞生于实验室和研究所到实际应用于i n t e r n e t 是有 很大距离的。不可能要求立即将所有节点都演进到新的协议版本，所以在定的 时间内，i p v 6 和i p v 4 将共同存在共同运行。如果没有一个过渡方案，再先进的协 议也没有实用意义，因此从i p v 4 网络向i p v 6 网络过渡的问题从一开始就列入了开 发者的日程表。同时，1 p v 4 已经应用了十多年，基于i p v 4 的应用程序和设施已经 相当成熟而完备，我们希望以最小的代价来实现这些程序在i p v 6 环境下的应用。 所有这些都提出了从i p v 4 网络向i p v 6 网络过渡的问题。这也是我们想研究的。 1 2 国内外i p v 6 的研究现状 当前，i p v 6 标准的发展趋势将仍以i e t f 为主体制订i p v 6 标准。然而，鉴于 i p v 6 的重要性以及i f v 6 协议对下一代网络( n g n ) 的巨大影响，越来越多的国际 标准化组织加入i p v 6 标准的制定行列。特别重要的是，随着3 g 全i p 解决方案的 提出，i p v 6 已成为互联网和移动通信网的公用基本协议。因此，除了i e t f 外，3 g p p 和i t u t m 3 也成立了相应的工作组来制定与i p v 6 相关的标准。 由于i p v 4 地址资源在全球分布的不均衡性产生了i p v 6 在全球应用与发展的不 平衡性。从区域上看，目前美国和欧洲国家对i p v 6 的发展以研究和实验为主体， 日本和韩国等亚洲国家则在i p v 6 的商用及业务开展方面处于领先地位。中国起步 晚于日本和韩国等国，但是中国互联网和通信市场的巨大空间和前景，都使中国 有机会、有潜力成为未来i p v 6 产业化进程中举足轻重的一部分。以下将扼要介绍 i p v 6 在全球各主要区域与国家得发展状况。 1 i p v 6 在美国 2 0 0 3 年2 月，白宫发布网络安全计划，商务部将负责推动下一代网络协议标 准( i p v 6 ) 的研发，美国国防部已经开始着手i p v 6 的网络实施，军方和国防部各 机构声称已经研究出i p v 6 的解决方案1 7 。思科、j u n i p e r 、苹果、微软、h p 、i b m 和s u n 等各主要厂商出于商业利益考虑均已提供i p v 6 支持。比较典型的i p v 6 网 络有美国能源网络6 b o n e ，6 r e n ，e s n e t 和i n t e r n e t 2 等。 2 i p v 6 在欧洲 欧洲由于移动通信事业相当发达，因此它们在i p v 6 的研究和商业化应用方面 更注重移动通信领域的拓展，采取的是“先移动，后固定”的基本战略，在第三 代移动网络中率先引入i p v 6 ，以实现在互联网领域与美国并驾齐驱的目标。制定 下一代移动通信系统“i m t - - 2 0 0 0 ”标准的3 g p p 已经于2 0 0 0 年5 月决定在下一 代移动技术中采用i p v 6 。目前欧洲开展的i p v 6 研究项目主要有欧洲6 i n i t w ，欧 洲6 n e t 和e u r 0 6 i x ，欧洲a n d r o i d ，法国r e n a t e r 2 ，法国a i r s + + 等。另外， 还有北约i n s c 试验网和g e a n t ( 泛欧洲国家性研究和教育网络) 等，欧洲第一个 i p v 6 商用网一一瑞典s k a n o v a 于2 0 0 1 年1 1 月启动。 3 i p v 6 在亚洲 目前在亚洲研究i p v 6 的国家主要是韩国和日本。由于韩国政府对i t 产业的重 视，韩国的互联网得到飞速发展。韩国政府引导i p v 6 技术的发展，特别是m i c 从 2 0 0 0 年开始对i p v 4 i p v 6 过渡技术进行投资，使韩国的i p v 6 实验床非常活跃。韩 国已经制定了i p v 6 的演进进程，共分四个阶段。第一阶段( 至2 0 0 1 年) 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 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 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 v 4 岛，与i p v 6 大网互通，提供有线和无线 的1 p v 6 商用服务；第四阶段( 2 0 1 1 年以后) 演进成一个单纯完整的i p v 6 网a 2 0 0 0 年9 月，日本政府把i p v 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”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e j a p a n 重点 计划1 9 l 中，明确设定在2 0 0 5 年完成互联网向i p v 6 过渡，在日本政府的大力支持 下，企业研发和生长支持i p v 6 产品的热情空前高涨。全世界最早实现i p v 6 硬件支 持的是日本的网络设备厂商，如日立、n e c 和富士通。日本的i x 主要有n s p i x p 6 ， p i x 和m e x 等。 4 i p v 6 在中国 由于历史的原因，我国互联网处于后进状态，在i p 地址上的供需严重失衡。 截止2 0 0 2 年底，拥有1 3 亿人口的中国，只有大约3 0 0 0 万个i p 地址。不言而喻， 中国是全球最需要i p 地址的国家之一，i p v 6 将给中国带来巨大的机遇，对中国产 业界而言，采用i p v 6 将使中国赢得一个从引进技术转变到引导技术发展的机会。 从2 0 世纪9 0 年代末起，在相关部位科技计划的支持下，一批i p v 6 关键技术 研究课题作为国家重大专项立项，并陆续取得了突破性成果，为我国开展以i p v 6 为基础核心协议的下一代互联网的研究奠定了较好的基础，在i p v 6 核心技术研发、 协议标准制定、组网、过渡策略、测试、应用示范和商业模式探讨等方面积累了 宝贵的知识与经验m j 。 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1 1 月成为其骨干网成 员。试验床从6 b o n e 获得p t l a ( p s e u d o - t o pl e v e la g g r e g a t i o n ，顶级聚类) 3 f f e ：3 2 0 0 ：2 4 的地址空间，并且建立了5 条以t u n n e l 为基础的国际i p v 6 虚拟链 路，直接通达美国、英国和德国的i p v 6 网络，几乎与所有现有的6 b o n e 成员间接 地互连。 1 3 课题研究的意义 由于各种原因，中国未能够参与目前i n t e r n e t ( i p 版本4 即1 p v 4 ) 的创造性工 作。因此，对于下一代i n t e r n e t ( i p 版本6 即i p v 6 ) ，我们一定要参与。i n t e r n e t 有一句名言“我们不预测未来，我们创造未来”。但是没有实践就不可能创造出更 好的未来。目前的l p v 6 还有许多有待改进的地方。对于一项新的技术或者标准， 在正式被认可并投入应用之前，进行一段时间的试验是非常必要的。建立统一的 试验床、提供一个开放的试验环境，以便在广泛的范围内进行细致的开发、实践 并进行切实有效的改进，是一个已经被i p v 4 的发展证明为是必不可少的一个环节。 我国网络环境下的i p v 4 要实现从l p v 4 网络向i p v 6 网络的过渡，将是一个漫 长的过程。其过渡阶段是必然存在的，因此研究过渡技术和策略具有重要的现实 意义和深远的历史意义。 面临的主要问题不是i p v 6 本身的问题，而是如何渐进的、无伤害的由基于i p v 4 的网络过渡到基于i p v 6 的网络，同时尽可能减少过渡的成本。我们研究i p v 4 网络 向1 p v 6 网络的过渡问题，不仅可以及时了解目前国际上解决这类问题的各种成熟 技术和新出现的技术，缩小并跟上国际研究的步伐：同时也可以通过实验更进一 步了解各种技术目前所能解决的实际问题以及技术当中自身存在的不足。研究这 个问题，对于我们掌握1 p v 6 技术、过渡到i p v 6 网络也具有很重要的意义。 第二章i p v 4 向i p v 6 过渡技术的理论基础和可行性 2 1i p v 6 实现的理论基础 2 1 1 网络发展现状和趋势 c n n i c 第1 5 次中国互联网络发展状况统计报告1 1 1 1 显示，我国上网用户总数为 9 4 0 0 万，比去年同期增长8 o ，其中使用宽带上网的人数达到4 2 8 0 万；上网计 算机达到4 1 6 0 万台，增长了1 4 6 ：c n 下注册的域名数、网站数分别达到4 3 万 和6 6 9 万，分别比半年前增长了5 万和4 3 万：网络国际出口带宽总数达到 7 4 4 2 9 m b p s ，i p v 4 地址总数5 9 9 4 5 7 2 8 个，分别比去年同期增长3 4 8 和4 4 。互 联网服务业务方面：电子邮件、搜索引擎、网上银行、在线交易、网络广告、网 络新闻、网络游戏等服务业务持续快速的发展着。随着手机网络功能的拓展、宽 带业务的持续发展、无线技术的推广和普及等因素影响，住所、单位、学校、图 书馆、咖啡屋等互联网网络使用场所前所未有的广泛。 当前，全球的电信网、因特网、企业网都正处在一个发展的的关键阶段。人 们面临网络建设方向的选择、q o s 、安全性和可信任性、可运营性等一系列关键技 术问题的解决。下一代i p 网概念的提出和第五代路由器产品的开发，都将非常有 意义。 i p 地址是一项对互联网发展非常重要的地址资源。应该说，与我国蓬勃发展 的互联网相比，国内申请i p 地址的现状，还与互联网发达国家存在着较大差距。 截至2 0 0 4 年6 月，我国仅有4 9 0 0 万个i p v 4 地址，只和美国两所大学的拥有量相 当。可以说，现阶段i p 地址的紧张已经严重制约了我国互联网的发展。随着时代 的进步，互联网的应用越来越多，作为计算机联到互联网上的最重要资源一一i p 地址，目前采用的1 p v 4 协议已经无法满足当今互联网发展的要求。而 p v 6 则可以 解决这个问题。i p v 4 采用的是3 2 位，也就是有2 的3 2 次方个地址可以分配，经 过3 0 多年的使用目前正面临着枯竭。而i p v 6 则采用1 2 8 位，地址数量可以说是 无限的。目前开放i p v 6 的主要目的，就是要解决i p 地址资源不足的问题。 随着网络技术的发展，人们希望可以通过无线技术在任何时候都与网络保持 连接。比如，通过g p s 定位系统和一些其他的先迸技术，人们在开车的时候就通 过网络知道自己的位置，自己周围的环境是什么样的，还能绕开交通堵塞。网络 技术会越来越融入入们的生活，就像我们看到的桌椅等家具一样，成为我们习惯 的生活环境。但这些都需要一个庞大的地址资源来支持。 从互联网的发展趋势来看，i p v 6 将会逐步取代i p v 4 ，我国政府也已经投入巨 资开始建设中国下一代互联网，在深入研究下一代互联网现状和趋势的基础上， 从战略的角度研究未来i p 地址的管理思路，争取在下一代互联网资源分配中占据 主动。 根据国家公布的信息产业“十五”计划纲要，“十五”期间，中国将投资 1 7 0 0 0 亿元，建成世界上规模容量最大、技术先进、安全可靠、基本满足国民经济 和社会发展需要的通信网络，电子信息产品制造业规模将位居世界前列，信息产 业增加值占国内生产总值的比重将超过7 ，成为带动国民经济增长、结构升级的 支柱产业和增强综合国力的战略性产业。 我国也正紧锣密鼓地为此研制自己的i p v 6 标准。而这样的融合也许会是一个 漫长的过程，作为国内互联网业界顶级专家之一的中科院研究员钱华林教授表示： “虽然这个技术是先进的，是趋势，但是由于庞大的投资，传统的这些设备不可 能都扔掉。所以这是一个渐进的过程，过渡期可能需要1 0 年以上。” 2 1 2i p v 4 的缺陷 我国网络空间的发展很大，i p 地址匮乏，实施i p v 4 向i p v 6 过渡技术的意义显 而易见。然而i p v 4 固有的缺陷又使它成为了互联网发展的障碍。i p v 4 的缺陷主要 表现在： 1 地址匮乏 n t e r n e t 起源于1 9 6 8 年开始研究的a r p a n e t ，开发者当时认为a r p a n e t 的 网络个数不会超过数十个，因此他们将l p 协议的地址长度设定为3 2 个二进制数 位，其中前8 位标识网络，其余2 4 位标识主机。然而随着a r p a n e t 日益膨胀， i p 协议开发者认识到原先设想的网络个数已经无法满足实际需求，于是他们将3 2 位l p 地址分成了三类：a 类，用于大型企业；b 类，用于中型企业；c 类，用于 小型企业。虽然对i p 地址进行分类大大增加了网络个数，但新的问题又出现了。 i n t e r n i c 不得不为上网主机可能远远没有达到b 类地址的最大主杌容量6 5 5 3 6 的 机构分配b 类地址。这种情况的大量存在，一方面造成了i p 地址资源的极大浪 费，另一方面导致b 类地址面临着即将被分配殆尽的危险：，。 所以，无论从网络需求、容量、规模、编址还是双向交流上看，i p v 6 都是唯 一选择。 2 路由表庞大 网络数目的增长，不仅导致地址不敷使用，也导致路由表的迅速膨胀。i p v 4 的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次型的路由结构。虽然予网和 c i d r ( c l a s s l e s si n t e rd o m a i nr o u t i n g ) 1 1 3 1 的引入提高了路由层次结构的灵活性， 但由于历史的原因，i p v 4 地址的层次结构缺乏统一的分配和管理，并且多数i p 地 址空间的拓扑结构只有两层或者三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。 庞大的路由表增加了路由查找和存储的开销，成为目前影响提高互连网效率的一 个瓶颈。同时，i p v 4 数据包的包长度不固定，因此难以利用硬件来提取和分析路 由信息，这对进一步提高路由器的数据吞吐率都是不利的。 3 缺乏q o s 和安全等 i p v 4 遵循b e s te f f o r t 原则，这一方面是一个优点，因为它使i p v 4 简单高效； 另一方面它对互联网上涌现的新的业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体 应用，研究人员提出了新的协议在1 p v 4 网络中支持以上应用，如执行资源预留的 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c 0 1 ) 协议和支持实时传输的r t p r t c p 协 议，但这些协议同样提高了规划、构造i p 网络的成本和复杂性。 目前的i p v 4 网络因地址空间受限无法实现端到端的通信，因此端到端的安全 性无法保证。另外，i p v 4 中的安全性是通过单独的安全协议，如i p s e c 等在网络 上层实现的，不同安全标准之间的通信很不理想。 i e t f 早在2 0 世纪9 0 年代初期就意识到了这些问题并着手下一代互联网协议 i p n g 的标准制定工作，于1 9 9 4 年选择r f c l 7 1 0 t l l 中建议的s i p p 作为基础，1 9 9 8 年公布了i p v 6 标准r f c 2 4 6 0 t sj 。 2 2i p v 6 的新功能 i p v 6 保持了i p v 4 的核心内涵，如i p v 6 还支持无连接的传递，允许发送方选 择数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前的最大跳数，以及大部分 选项等。但是i p v 6 改变了协议的许多细节，如使用了更大的地址空间，尤其是i p v 6 修订了i p v 4 数据报格式，用一系列固定格式的首部取代了i p v 4 中可变长度的选项 字段。 2 2 1i p v 6 层次化的地址结构 i p v 6 采用了长度为1 2 8 位的i p 地址，彻底解决了i p v 4 地址不足的难题。1 2 8 位的地址空间，足以解决指定或分配一个区域的所有物理设备的1 p 地址不足的问 题。 i p v 6 地址格式与i p v 4 不同。一个i p v 6i p 地址由8 个地址节组成，每节包含 1 6 个地址位，以4 个十六进制数书写，节与节之间用冒号分隔，1 2 8 位的地址空 间，i p v 6 还为点对点通信设计了一种具有分级结构的地址，这种地址被称为可聚 合全局单点广播地址( a g g r e g a t a b l eg l o b a lu n i c a s ta d d r e s s ) ，其分级结构划分如图 所示m j 。开头3 个地址位是地址类型 卜3 + 一1 3 十8 叫一2 4 卜1 6 + 一一6 4 1 图2 11 p v 6 聚合全局单点广播地址分级结构图 前缀，用于区别其它地址类型。其后的1 3 位t l a i d 、3 2 位n l a i d 、1 6 位s l a i d 和6 4 位主机接口i d ，分别用于标识分级结构中自顶向底排列的t l a ( t o p1 2 v e l a g g r e g a t o r ，顶级聚合体) 、n l a ( n e x tl e v e l a g g r e g a t o r ，下级聚合体) 、s l a ( s i t e l e v e l a g g r e g a t o r ，位置级聚合体) 和主机接口。t l a 是与长途服务供应商和电话 公司相互连接的公共网络接入点，它从国际i n t e r n e t 注册机构如i a n a 处获得地址。 n l a 通常是大型i s p ，它从t l a 处申请获得地址，并为s l a 分配地址。s l a 也 可称为订户( s u b s c r i b e r ) ，它可以是一个机构或一个小型i s p 。s l a 负责为属于它 的订户分配地址。s l a 通常为其订户分配由连续地址组成的地址块，以便这些机 构可以建立自己的地址分级结构以识别不同的子网。分级结构的最底级是网络主 机。 p v 6 定义了3 种不同的地址类型，分剐为单点传播地址( u n i c a s t a d d r e s s ) 、多 点传播地址( m u l t i c a s t a d d r e s s ) 和任意点传播地址( a n y c a s t a 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 单点传播 地址被赋给某一个接口，两一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播地址都可以用来标识该节点。 2 3 2i p v 6 报头功能增强 1 p v 4 与i p v 6 的报头格式n ，如图2 2 所示，其中i p v 6 中的各域含义如下： 版本( v e r s i o n ) ：该域长度为4 位，1 p v 6 版本号= 6 ； 业务等级( t r a f f i cc l a s s ) ：该域长度为8 位； 流标签( f l o wl a b e l ) ：该域长度为2 0 位； i p v 4h e a d e ri p v 6h e a d e r 嗍例m if l a g s 礼嚣嚣2 t i m et ot i p r o l o c o l f n m mc h e c k s u m s a u 啪a 6 豳鼍酶 翻硝n a t i o n j d r m b s v e r s l e nt r a m cc l a s sl o w i a b e l p a s d o a c l 妇嘞删h i d e 脚l l m i t s o u r c ea 嘲h l s s a e s # n a t i o na d d r e s s 图2 2i p v 4 与i p v 6 的报头格式图 载荷长度( p a y l o a dl e n g t h ) ：该域为1 6 位无符号整数，表示i p v 6 载荷长度，即 i p v 6 头后数据报其余部分的长度，以字节为单位；( 注：任何的扩展头都被认为是 载荷的一部分，其长度被计算在内。) 下一个报头( n e x th e a d e r ) ：该域长度为8 位，表示紧接在i p v 6 头后面的下 一个头的类型，它使用与i p v 4 协议域相同的值； 跳数限制( h o pl i m i t ) = 该域为8 位无符号证书，数据报每向前经过一个转发 节点，跳数限制减1 ，当跳数限制减至0 时，该数据报被丢弃； 源地址( s o u r c e a d d r e s s ) ：该域长度为1 2 8 位，表示产生数据报的节点的i p v 6 地址： 目的地址( d e s t i n a t i o n a d d r e s s ) ：该域长度为1 2 8 位，表示期望数据报到达的 i p v 6 地址，如果出现路由报头，这个地址可能不是最终的接收数据报的i p v 6 地址。 与i p v 4 基本数据报头相比，i p v 6 的基本数据报头主要做了以下改变： ( 1 ) 基本数据报头长度由1 6 0 b i t 扩展到3 2 0 b i t s 。 ( 2 ) 取消了报头长度字段，i p v 6 基本报头固定为3 2 0 b i t s 。 ( 3 ) 数据报长度字段被数据长度字段代替。 ( 4 ) 源地址和目的地址由3 2 b i t s 改为1 2 8 b i t s 。 ( 5 ) 分段偏移量已经从基本报头的固定字段移到了下一个扩展报头中。 ( 6 ) 生存时间被跳数限制取代。 ( 7 ) 服务级别改成数据流标签字段。 ( 8 ) 协议字段改为下一个报头字段，用以指明下一个报头类型。 2 2 3i p v 6 自动地址配置 众所周知，手工配置主机i p 地址是一件既费时又乏味的事情，而管理分配给 主机的静态i p 地址更是一项艰难的任务，尤其当主机i p 地址需要经常改动的时 候。在i p v 4 中，动态主机配置协议( 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 l ，d h c p ) 实现了主机l p 地址及其相关配置的自动设置。i p v 6 继承了i p v 4 的这种自动配置 服务，并将其称为全状态自动配置( s t a t e f u la u t o c o n f i g u r a t i o n ) 。 除了全状态自动配置 1 s l ，i p v 6 还采用了一种被称为无状态自动配置( s t a t e l e s s a u t o c o n f i g u r a t i o n ) 的自动配置服务。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 地址附加在链接本地地址前缀1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 之后，产生一个链接本 地单点广播地址( 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) 。转换方法如图2 3 所示【1 9 】。接着 i e e e 管理的公司制造商选择的扩展 e u i 6 4 地 o x f fo x f e 图2 31 e e e8 0 2 地址到e u i 6 4 地址的转换 主机向该地址发出一个被称为邻居探测( n e i g h b o rd i s c o v r e y ) i 的请求，以验证地 址的唯一性。如果请求没有得到响应，则表明主机自我设置的链接本地单点广播 地址是唯一的。 使用无状态自动配置，无需手动干预就能够改变网络中所有主机的i p 地址。 路由器将周期性地向本地链接中的所有主机多点广播路由器公告，因此网络中所 有主机都将通过路由器公告收到新的地址前缀，此后，它们就会自动产生新的i p 地址并覆盖旧的i p 地址。 2 2 4i p v 6 的安全性 安全问题始终是与i n t e r n e t 相关的一个重要话题。由于在i p 协议设计之初没 有考虑安全性，因而在早期的i n t e r n e t 上时常发生诸如企业或机构网络遭到攻击、 机密数据被窃取等不幸的事情。为了加强l - n t e r n e t 的安全性，从1 9 9 5 年开始，i e t f 着手研究制定了套用于保护i p 通信的i p 安全( i ps e c u r i t y ，i p $ e c ) 协议。1 p s e c 是i p v 6 的一个组成部分，也是i p v 4 的一个可选扩展协议。 i p s e c 提供了两种安全机制：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。i p s e c 的认证包头( 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，封装安全负载( e n c a p s u l a t i n g s e c u r i t y p 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。在实际迸行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。a h 和e s p t 2 0 j 都可以提供认证服务，不过，a h 提供的认 证服务要强于e s p 。 i p s e c 定义了两种类型的s a ：传输模式s a 和隧道模式s a 。传输模式s a 是 在i p 包头( 以及任何可选的扩展包头) 之后和任何高层协议( 如t c p 或u d p ) 包头之前插入a h 或e s p 包头，隧道模式s a 是将整个原始的i p 数据报放入个 新的i p 数据报中。在采用隧道模式s a 时，每一个i p 数据报都有两个i p 包头： 外部i p 包头和内部l p 包头。外部i p 包头指定将对i p 数据报进行i p s e c 处理的目 的地址，内部l p 包头指定原始i p 数据报最终的目的地址。传输模式s a 只能用于 两个主机之间的i p 通信，而隧道模式s a 既可以用于两个主机之间的i p 通信，还 可以用于两个安全网关之间或一个主机与一个安全网关之间的i p 通信。安全网关 可以是路由器、防火墙或v p n 设备。 做为i p v 6 的一个组成部分，i p s e c 是一个网络层协议。它只负责其下层的网络 安全，并不负责其上层应用的安全，如w e b 、电子邮件和文件传输等。也就是说， 验证一个w e b 会话，依然需要使用s s l 协议。不过，t c p i p v 6 协议簇中的协议可 以从i p s e c 中受益，例如，用于l p v 6 的o s p f 路由协议就去掉了用于i p v 4 的o s p f 中的认证机制。 2 2 5i p v 6 的移动性 对于公司、组织和雇员，移动性是一个非常需要和重要的特性，因为他们想从 网络以外的地方访问因特网。i p v 4 和i p v 6 都有移动i p ，然而，对于i p v 6 ，移动 性是协议内置而不像i p v 4 那样是一个附加的新功能，这意味着任何i p v 6 节点在需 要时都能够使用移动i p 。 2 2 6i p v 6 的过渡 从i p v 4 网络所组成的因特网到i p v 6 的过渡是新协议的一个基础部分，标准化 组织、i t 界和因特网团体都不想重复如千年虫一样的现象，在一个特定的时间 ( 1 9 9 9 年1 2 月3 1 日) 有一个主要的转换发生。i p v 6 取代i p v 4 的最终目标是众所 周知的，而且向i p v 6 的过渡技术已经设计好了，从而不要求所有的i p v 4 节点同时 升级。i p v 4 和i p v 6 能在相同的链路层上同时使用，在对i p v 6 有足够的需求或整 体战略实施升级基础结构到i p v 6 之前过渡和共存机制允许组织在当前的i p v 4 基础设施上提供i p v 6 的连接性给早期的应用人员。 2 3i p v 6 的发展趋势 i p v 6 未来的发展呈现出以下主要趋势： 1 标准制定上的协作和联合 鉴于i p v 6 在下一代网络发展中的重要性，越来越多的国际标准化组织加入了 i p v 6 标准的制定工作。i p v 6 相关标准的制定将从以i e t f 为主体向i e t f 与i t u t 、 3 g p p 等其它标准化组织协作和联合的方向发展。事实上，i e t f 和3 g p p 已联合组 成了一个工作组来协调i p v 6 标准在第三代通信系统中的应用。当然，各标准化组 织在i p v 6 协议标准制定上的侧重点不同，如i t u t 重点考虑i p v 6 在n g n 中的应 用，3 g p p 则强调i p v 6 在3 g 核心网上的作用等1 2 l 】。 2 产品研发更具广度与深度 i p v 6 产品的研发主要集中在操作系统、网络设备、协议软件、应用软件等领 域。目前主要的网络设备厂商已研制开发出了支持i p v 6 的路由器、交换机等初期 产品，有些产品已投入试验床或商业实验网应用；一些计算机和操作系统厂商在 其产品中加入了i p v 6 功能；一些芯片供应商提出了支持i p v 6 的核心芯片解决方案 等。但产品的开发存在“重硬轻软”、重核心轻外围等问题。未来i p v 6 的研发将 不仅重视基础设旋产品的开发，而且注重应用软件、终端产品的研发，同时在支 持i p v 6 协议方面具有更完善的功能。 3 科学研究与商业应用并重 目前建成的大部分i