（计算机应用技术专业论文）ipv4ipv6综合组网技术研究与实践.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： i p v 4 & i p v 6 综合组网技术研究与实践 计算机应用技术 吴燕妮( 签名) 龚尚福( 签名) 摘要 随着i n t e r n e t 的飞速发展以及i p v 4 地址空间的逐渐耗尽，i p v 6 作为i n t e r n e t 协议的 下一个版本，取代i p v 4 已成为必然。i p v 6 协议的新特性也将为下一代互联网的应用和 发展提供更加广阔的前景和完善的支持。i p v 6 并不只是对i p v 4 的简单升级，由于两者 头部特征和地址配置机制的差异，将导致无法兼容，如何平滑、渐进地过渡到i p v 6 是 当前网络研究的热点和难点问题之一。 本文研究了如何以最小代价、最便捷的方式实现校园网从i p v 4 网络过渡到i p v 6 网 络的解决方案与相关技术。首先研究了i p v 6 协议特点以及i p v 4 向i p v 6 过渡期的组网策 略和方案，详细比较分析了双协议栈技术、隧道技术和翻译技术的优缺点；接下来，以 我校i p v 4 校园网的扩展建设为应用背景，通过研究i p v 6 组网原理和我校校园网的总体 需求，提出了下一代i p v 6 校园网的扩展原则，分别完成了我校校园网过渡方案设计和 基于纯i p v 6 技术的教学与科研网的组网设计，提出了核心层、分布层、接入层三层网 络架构，并开发了一套i p v 6 设置软件，以实现教学科研i p v 6 网与校园主干网通信；最 后在实验室现有环境条件下搭建了一套基于i p v 4 & l p v 6 综合组网技术的网络测试平台， 分别进行了双协议栈实验、隧道实验、n a t - p t 实验。通过以上三组实验，验证了i p v 4 与i p v 6 可以进行网络内部通信，说明了本文校园网过渡方案的正确性。 通过对本文设计的i p v 6 实验网的初步测试，表明本文设计过渡校园网能够兼容i p v 4 和i p v 6 两种协议，本文开发的i p v 6 设置软件可实现i p v 4 与i p v 6 网之间的通信。该方 案具有良好的技术可行性，适用于解决现有环境下，将校园网从i p v 4 向i p v 6 平滑、渐 进过渡的一般问题。 关键词：i p v 4 ；i p v 6 ；协议；过渡技术：组网技术 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dp r a c t i c eo h i p v 4 & i p v 6 n e t w o r kc o n s t r u c t i n gt e c h n o l o g yo f s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：w uy a u n i i n s t r u c t o r ：g o n gs h a n g f u a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，i p v 4a d d r e s su s e di ni n t e m e tc u r r e n t l yw i l lb e e x h a u s t e ds o o n ；i ti sn e c e s s a r yt or e p l a c ei p v 4 、析t hi p v 6 t h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t p r o t o c 0 1 t h en e wc h a r a c t e r so fi p v 6w i l lp r o v i d ep e r f e c ts u p p o r tf o rt h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k i p v 6i sn o tas i m p l eu p g r a d ef o ri p v 4 ，b e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c e si nh e a ds t r u c t u r ea n da d d r e s sc o n f i g u r a t i o n ，t h e ya r en o tc o m p a t i b l e ；h o wt o t r a n s i ti p v 4n e t w o r kt oi p v 6g r a d u a l l ya n ds m o o t h l yi so n eo f h o t s p o t sa n dd i f f i c u l tp r o b l e m s i nc u r r e n tn e t w o r kr e s e a r c h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w er e s e a r c h e dt h em e t h o d sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g yi n a c h i e v i n g c a m p u sn e t w o r kt r a n s i t i o nf r o mi p v 4t oi p v 6n e t w o r km o s te f f i c i e n t l ya n dm i n i m u mt h ec o s t f i r s t ，i n t r o d u c e di p v 6p r o t o c o la n ds c h e m ea m o n gt r a n s i t i o np e r i o df r o mi p v 4t oi p v 6s y s t e m ； c o m p a r e da n da n a l y z e dm e r i ta n dd e m e r i to ft h r e em a i ns c h e m e ：d u a l - s t a c k , t u n n e l t e c h n o l o g ya n dt r a n s l a t i n gm e c h a n i s m n e x t ，u s i n gc a m p u si p v 4n e t w o r ka st h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d ，a n a l y z e dn e t w o r ks t r u c t u r eb e t w e e nt w oc a m p u s e s ，a n dp r o p o s e dt h ef r a m e w o r k f o rc o n s t r u c t i n gn e x tg e n e r a t i o nc a m p u sn e t w o r kb a s e do ni p v 6t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h e p o l i c y 、r e q u i r e m e n ta n a l y s i so fn e x tg e n e r a t i o nc a m p u sn e t w o r k ，p r o p o s e dc o n s t r u c t i o n s c h e m eo fc a m p u sn e t w o r ka n dt r a n s i t i o nt e c h n o l o g yi ni p v 6n e t w o r k ；r e a l i z e dp u r ei p v 6 n e t w o r kf o rt e a c h i n ga n dr e s e a r c hd e s i g no fc a m p u sn e t w o r kt r a n s i t i o ns c h e m eu s i n g t h r e e - l a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ( c o r el a y e r , d i s t r i b u t i o nl a y e r , a c c e s sl a y e r ) ；a n dd e s i g n e d n e ws o f t w a r et or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p v 6n e t w o r kf o rt e a c h i n ga n dr e s e a r c h 、i t h b a c k b o n en e t w o r k i nt h ee n d ，i no r d e rt or e s e a r c hc a m p u sn e t w o r kt r a n s i t i o nf r o mi p v 4t o i p v 6 ，t h ea u t h o rc o n s t r u c t e dan e t w o r kp l a t f o r mf o rt e s tw i t ht h eh a r d w a r ei nl a b o r a t o r y t h e a u t h o rd i dt h r e ee x p e r i m e n t su s i n gd u a ls t a c k ，t u n n e lt e c h n o l o g ya n dt r a n s l a t i n gm e c h a n i s m r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t so ft h r e et e c h n o l o g i e su s e di nt r a n s i t i o nf r o mi p v 4t oi p v 6 p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p v 4a n di p v 6n e t w o r ka n dt h ev a l i d i t vo f s c h e m ep r o p o s e di nd i s s e r t a t i o n a f t e ras e r i e so fp r e l i m i n a r yt e s t so no u ri p v 6n e t w o r k ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ec a m p u s n e t w o r kd e s i g n e di sc o m p a t i b l ew i t ht w on e t w o r kp r o t o c o l i p v 4 & i p v 6a n dt h es o f t w a r e d e s i g n e df o rt e s tc a nr e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p v 4n e t w o r ka n di p v 6n e t w o r k t h e m e t h o d sa n dt e c h n o l o g yd i s c u s s e di nd i s s e r t a t i o na r ef e a s i b l e ，c a ns o l v et h ep r o b l e mf a c e d 谢t l li nc a m p u sn e t w o r kt r a n s i t i o nf r o mi p v 4t oi p v 6t e c h n o l o g yi nc u r r e n te n v i r o n m e n t k e y w o r d s ： i p v 4 i p v 6p r o t o c o lt r a n s i t i o nt e c h n o l o g yn e t w o r kt e c h n o l o g y t h e s i s： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储签名：黟巾期：砂矽7 4 。日溯 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做储繇鄹缈指剥币躲堡抽 妣7 年争月2 ze l 1 绪论 1 1 研究目的和意义 1 绪论 i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，互联网协议) 作为i n t e r a c t 中的核心协议，是一套基于广域网的 计算机通信协议。目前因特网采用的是1 9 7 5 年推出的i p v 4 协议标准( r f c 7 9 1 ) ，i p v 4 协 议提供的i p 地址位数是3 2 位，即可以产生约4 3 亿个地址。如今以i p v 4 为基础的i n t e m e t 面临着地址空间的耗尽和路由表的过度膨胀两个重大问题，而i p v 6 正是用来取代i p v 4 的下一代网络协议，用它不但解决了i p v 4 的地址问题，而且还改善了i p 协议的性能。 i p v 4 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i n t e r a c t 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 因此走进了千家万户，完全改变了人们的生活及工作方式。 由于网络用户及应用快速发展，出现了迫在眉睫的i p 地址空间耗尽问题，而i p v 4 地址空间的紧缺直接限制了i p 技术应用的进一步发展，有专家估计到2 0 1 0 年i p v 4 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。由于i n t e m e t 起源于美国，美国的i p v 4 地址分配较多，而在欧洲、亚洲和其他地区，目前申请i p 地 址已经非常困难。对此，我国的体会尤为痛彻。据统计，我国的网民到2 0 0 4 年年底已 经高达9 0 0 0 多万，但我国所拥有的i p v 4 的地址还不到5 0 0 0 万，占i p v 4 全部地址的1 1 0 0 多一点，每2 6 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1 2 亿地址，占i p v 4 全部地址的1 4 ，平均每个美国人享有6 个地址。整个 中国的i p 地址空间甚至都没有美国的一些大学多。据预测，我国的网民数量还将大幅 度上升，但我国能获得新的i p v 4 地址的机会将会越来越困难。 除了地址短缺外，网络安全性、q o s o j 艮务质量) 、简便配置、性能提高等要求都是 i p v 4 协议本身无法解决的实际问题，因而紧迫需要一个新的协议来从根本解决目前i p v 4 面临的问题，同时能够实现网络的无缝过渡。 因此，为适应网络不断发展的需要，i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，因特网 工程工作小组) 于1 9 9 7 年制定了i p v 6 协议，全名是“因特网协议第六版( i n t e m e tp r o t o c o l v e r s i o ns i x ) ”。i p v 6 并不是推翻了i p v 4 的所有思路和结构，重新设计一个全新的网络协 议标准，而是继承了i p v 4 协议运行的主要优点，并根据i p v 4 的丰富经验和教训进行了 很大幅度的修改和功能扩充，使得i p 协议在地址管理、移动性、安全及多媒体支持方 面都有巨大的灵活性。 但总体上讲，目前国内从事i p v 6 协议研究的单位和人员并不是太多，我国对i p v 6 的研究相比较于同本、瑞典等国家还是有很大差距。虽然i p v 6 代替i p v 4 已经是必然趋 西安科技大学硕士学位论文 势，但是这将是一个漫长的过程。 随着校园网规模的逐步扩大，网络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i p v 6 技术。而需要具体掌握i p v 4 到i p v 6 网络的平滑过渡和进行大规模i p v 6 网络应用，就必须首先要要建立i p v 6 实验网， 在实验网上获得足够的经验，然后才能进行推广。近年来，清华大学、北京邮电大学、 上海交通大学和西安交通大学等已经开始构建i p v 6 的实验平台并取得了许多成果。 本文研究的目的是i p v 6 协议特性以及i p v 4 向i p v 6 的过渡技术，在没有i p v 6 硬件 路由设备的条件下，通过研究设置软件路由来创建学校的i p v 6 实验平台，在实验平台 上展开关于i p v 6 的基础实验以及部署实验。然后在实验基础上最终建立学校的i p v 6 实 验网，能够对校内用户提供i p v 6 接入服务。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国外i p v 6 实验网络现状 i p v 6 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。 1 9 9 9 年7 月，i a n a 授权a p n i c 、a r i n 和r i p e 分配商用i p v 6 地址，此时i p v 6 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i p v 6 连接。以 下列出当前比较有名的几个i p v 6 实验网。 ( 1 ) 6 b o n e 6 b o n e 0 1 是在i n t e r n e t 上推广i p v 6 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i p v 6 示范网，用来测试i p v 6 实现的互相连接性，检测i p v 6 在实际环境中的工作情况等等。6 b o n e 于1 9 9 6 年1 月由几个需要测试其原型系统之间 互操作性的i p v 6 实施小组建成，其相关活动皆属于i e t f 下n g t r a n s 工作小组( 现为v 6 0 p s 工作组) 的一部分。6 b o n e 并不是一个独立于i n t e r n e t 的物理网络，而是利用隧道( t u n n e l ) 技术将各个国家和地区组织维护的i p v 6 网络通过运行在i p v 4 上的i n t e m e t 连接在一起。 6 b o n e 的主干是由许多相互连接的i s p ( i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ，网络服务提供者) 及用户 网络所组成。 ( 2 ) 6 r e n 6 r e n 是建立于1 9 9 8 年底的i p v 6 研究与教育网，它是一个非官方协调的研究与教 育网，提供产品级的i p v 6 连接，并作为一个i p v 6 工具、应用和程序开发的平台。 ( 3 ) b n s 从1 9 9 6 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i n t e m e t ”研究计划n g i ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，下一代因特网) ，支持大学和 2 1 绪论 科研单位建立v b n s l 2 1 ( v e r yh i g hs p e e db a c k b o n en e t w o r ks e r v i c e ，高速网络实验床) ，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 所大学联合成立u c a i d ( u n i v e r s i t y c o r p o r a t i o nf o ra d v a n c e di n t e m e td e v e l o p m e m ) 并从事i n t e m e t 的研究。 ( 4 ) 6 n e t 2 0 0 2 年1 月欧洲启动了为期3 年的i p v 6 研究和实施计划即6 n e t 实验网。在6 n e t 计划中，将至少有1 1 个国家级的研究和教育网络在高速率的链路上建立纯i p v 6 网络。 建立6 n e t 网的目的是为了引入和测试新的i p v 6 服务和应用程序，测试将i p v 6 网络和 现有i p v 4 体系结构综合在一起的过渡策略。对i p v 6 网络下的地址分配、路由和d n s 操作进行评估，促进i p v 6 技术的快速发展。 ( 5 ) e u r 0 6 i x 2 0 0 2 年1 月欧洲同时启动了为期3 年的i p v 6 研究和实施计划：e u r 0 6 i x 实验网。 e u r 0 6 i x 的目标是支持i p v 6 在欧洲迅速引入。该项目研究、设计和建设一个欧洲通用的 纯i p v 6 网- - e u r 0 6 i x ，还研究在世界范围内建设下一代互联网所需的各种网络设备。在 e u r 0 6 i x 实验网计划中，欧洲主要的电信商将携手建立一定数量的i p v 6 交换节点，以支 持i p v 6 在欧洲范围内的快速引入。 ( 6 ) z a m an e t w o r k z a m a n e t w o r k 在2 0 0 1 年春天成为美国首家提供商业i p v 6 业务的业务提供商。z a m a 最初的目标是服务于北美与亚太地区之间的通信，最近在东京也建立了一个节点。2 0 0 1 年3 月，该公司推出了s m a r t e r k i t 业务，包括接入z a m a 的本地i p v 6 骨干网，并且客 户可以从z a m a 接入6 b o n e 和世界上其它基于i p v 6 的网络。目前z a m a 正在与n e c 等 其它厂商进行i p v 6 的测试。 1 2 2 中国i p v 6 实验网开展情况 中国是全球互联网用户最多的国家之一，i p v 6 的成功应用将给中国带来巨大机遇。 作为互联网和移动通信大国，不仅要在下一代互联网标准和资源分配中力争更大的发言 权，而且还要利用基于i p v 6 的互联网在我国从基础设施、行业监管、服务与应用、媒 体与内容及设备制造等层面形成新的巨大产业，拉动整个国民经济的发展。 我国一直都在积极参与i p v 6 的研究和实验，c e r n e t 于1 9 9 8 年6 月加入6 b o n e ， 2 0 0 2 年3 月完成了“c n g i ( c h i n an e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，中国下一代互联网示范工程) 实施方案建议 ，同年8 月国务院批复同意国家发改委“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c n g i 。c n g i 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。根据c n g i 的规划，我国将在2 0 0 5 年底建成一个覆盖全国的i p v 6 网络， 成为世界上最大的i p v 6 网络之一。通过大规模i p v 6 网络建设的部署实施进而进行商用 3 西安科技大学硕士学位论文 探索，2 0 0 7 年由中国网通和中科院、中国移动、中国联通分别承建的中国下一代互联网 示范工程c n g i 示范网络c n g i 核心网项目，通过国家验收。它覆盖了3 9 个结点，2 0 多个城市，很多人认为是全球最大的i p v 6 的c n g i ，并具有国际领先水平。中国政府希 望把i p v 6 在今年的奥运会上使用。由于c n g i 项目的推动，国产的i p v 6 的路由器已经 在c n g i 项目上占了主导地位，所有这些i p v 6 的研究与应用对中国都是巨大的机遇。 现在中国己经申请到的，包括提供给实验用的，全部i p v 6 地址约占全球已经分配 出去的地址的1 7 ，约为同本的1 9 ，美国的1 8 ，韩国的1 3 强，在全球的排名榜上占 第1 6 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i p v 6 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。 在高校方面清华、北大、北邮、中科院、上海交大和西安交通大学等都建立了自己 的i p v 6 实验室。成功开发研制网络设备及系统，包括i p v 6 协议测试仪、高性能i p v 4 a p v 6 转换网关、i p v 6 网络监控管理系统、i p v 6 性能分析系统、具有授权认证计费功能的移动 i p v 6 网关、i p v 6 信息过滤系统、支持i p v 6 三层交换机、支持i p v 6 的网络计算机终端等， 是开拓与扩展网络应用的关键任务。 1 3 研究的主要内容和论文结构 1 3 1 研究内容 i p v 6 与i p v 4 网络在i n t e r a c t 中长期共存是不可避免的现实，而且将会经历一个较长 的i p v 4 和i p v 6 共存的时期。i p v 4 向i p v 6 过渡并最终被i p v 6 取代是网络发展的必然， 这也是由i p v 6 的优越性所决定的。因此，实现由i p v 4 向i p v 6 的平稳过渡，确保过渡期 间i p v 4 网络与i p v 6 网络具有良好的互联互通性是一个值得研究和探索的问题，这也是 本文研究过渡方案的意义所在。 本文所研究的内容就是期望如何以最小的成本、最便捷的方式实现校园网( 企业网 亦然) 从i p v 4 网络到i p v 6 网络的互联互通，使目前网络能够适应对未来网络的发展需要。 建立学校的i p v 6 实验网，并通过其完成学校i p v 6 实验网与教育网之间的连通，实现校 内i p v 4 和i p v 6 用户能够上6 b o n e 的目标，从而总结经验进行推广。 本文研究的主要内容如下。 ( 1 ) i p v 6 的技术特点 主要研究i p v 6 的地址类型，地址格式及其特点。 ( 2 ) 目前几种常用过渡技术的研究与分析， 主要对双协议栈技术、隧道技术和翻译技术进行研究与对比分析。通过对比与分析 4 1 绪论 找出各自的特点及对设备性能的要求，同时从理论上进行探讨与研究，为我校的过渡方 案设计奠定理论基础。 ( 3 ) 基于校园网i p v 6 技术的过渡方案设计 主要是基于i p v 6 技术进行校园网络过渡方案的探讨与研究，分析了下一代校园网 组网建设原则、需求分析和总体设计。部署了校园网核心层、分布层和接入层的三层网 络结构。通过对各种不同过渡技术的对比与分析提出我校的校园网过渡方案。 ( 4 ) i p v 4 & i p v 6 的组网及测试分析 根据学校现有的网络环境，用部分计算机模拟i p v 6 实验网络，对路由器、服务器 和客户端进行相关的i p v 6 配置，其中基于双协议栈技术、隧道技术和翻译技术分别进 行模拟验证，对结果进行了分析，通过实验对方案的可行性进行验证。 1 3 2 论文的组织结构 论文由六章内容组成。 第一章绪论。主要阐述了本文研究目的和意义并分析国内外研究现状和发展趋势。 第二章i p v 4 与i p v 6 网络协议分析与研究。从i p v 4 存在的典型问题入手，重点分 析和研究了i p v 6 协议的特点和机制，突出反映了i p v 6 协议的优势。 第三章i p v 6 网络过渡技术的研究。首先给出了由i p v 4 向i p v 6 过渡的基本方案， 然后分别研究了双协议栈技术、隧道技术、翻译技术等几种关键方法，并针对几种方案 进行了比较，确定了综合组网的最佳策略。 第四章校园网过渡方案的分析与设计。通过对我校校园网的扩展进行需求分析， 确定了组网原则，并给出由i p v 4 向i p v 6 过渡的总体设计方案。 第五章校园网过渡方案的组网实验及测试分析。在实验室现有环境下，搭建了一 套实验测试平台，实现了i p v 4 & i p v 6 网络互连下的双协议栈实验、隧道实验、以及n a t - p t 实验，并对实验结果进行了详细分析，验证了本文提出的组网方案的正确性和技术可行 性。 第六章总结。对论文研究工作进行总结并提出下一步研究的方向。 5 西安科技大学硕士学位论文 2i p v 4 与i p v 6 网络协议分析与研究 下一代互联网协议i p v 6 ，是针对目前i n t e m e t 上普遍使用的i p v 4 协议的不足而提出 的。与i p v 4 相比，i p v 6 在地址空间、分组处理效率、可移动性、安全性和q o s ( j 艮务质 量) 的支持等诸多方面都有明显的优势。下面将基于i p v 4 协议存在的典型问题来对比分 析i p v 6 协议的技术特点和优势。 2 1i p v 4 协议存在的典型问题 ( 1 ) i p 地址空间耗尽 尽管i p v 4 的3 2 位地址空间可以容纳多达4 3 亿个地址，但是早期和目前的i p 地址 分配准则把公共i p 地址的数目限制到了只有几百万个。结果，i p v 4 可分配地址数就变 得相对较少，从而迫使一些机构不得不通过n a t 3 l ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ，网络地 址转换) 把一个公用的i p 地址映射为多个内部的i p 地址。尽管n a t 转换支持得到内部 i p 地址的重用，但它同时也造成了性能和应用的瓶颈。 ( 2 ) 路由爆炸 i n t e m 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 类地址不足，不 得不分配若干个c 类地址给一个机构以解决地址容量的问题，这样就导致了路由表的迅 速膨胀【4 1 。i n t e m e t 的核心路由器已有数力个入口。各级路由器中，路由表的条目过度增 长，路由选择的等待时间增长，最终的结果使得路由器不堪重负，i n t e m e t 的路由选择 机制可能因此而崩溃。 ( 3 ) i p v 4 提供的服务不可靠 i p v 4 尽最大努力传送数据包，为上层协议提供的服务可能存在不可靠。 ( 4 ) 地址分配不便 i p v 4 是采用手工配置的方法来给用户分配地址，或者使用一个有状态的地址配置协 议，如d h c p l 5 1 ( 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 ，动态主机配置协议) ，这不仅增加 了管理费用，而且无法为那些需要i p 移动性的用户提供更好服务。同时i p v 4 应用的扩 展对i p 也提出了新的要求，比如i n t e m e t 上多媒体信息的传播、移动用户的网络接入等。 以上这些问题都是i p v 4 的薄弱环节、致命弱点。同时i n t e m e t 不断提升对移动性、 安全性以及多媒体业务等支持的要求，i p v 4 都无法很好满足。 2 2i p v 6 协议的技术特点和优势 与i p v 4 协议相比，i p v 6 协议具有如下技术特点和优势。 ( 1 ) 简化的报头和灵活的扩展 6 2i p v 4 与i p v 6 网络协议分析与研究 i p v 6 对i p v 4 的可变长数据报头作了简化，以减少处理器开销并节省网络带宽。i p v 6 的报头由一个基本报头和多个扩展报头构成，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。固定长度的报头使用硬件芯片处理报头可大大 提高路由器的处理能力和效率。扩展报头则使i p v 6 变得极其灵活，能提供对多种应用 的支持。 ( 2 ) 层次化的地址结构 i p v 6 将现有i p 地址的长度扩大了4 倍，支持海量的网络节点。设计者把i p v 6 的地 址空间按照不同的地址前缀进行划分，并采用了层次化的地址结构，以便于骨干网路由 器对数据包的快速转发。i p v 6 定义了三种不同类型的地址：即单点传送地址、多点传送 地址和任意点传送地址。 ( 3 ) 即插即用的连网方式 i p v 6 把自动分配地址作为一个实现标准，只要机器一连上网便可自动配置i p 地址。 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”； 另一种是i p v 6 所独有的机制，称为“无状态自动设定 。 ( 4 ) 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提供认证和 加密服务。认证机制使接收方能够确认发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否受 到篡改，加密机制是对数据进行编码以保证数据的安全性。 ( 5 ) 服务质量的满足 i p v 6 分组报头包含一个8 位的业务流等级和一个2 0 位的流标记，其目的是允许发 送业务流的源节点和转发业务流的中间节点对数据包做特殊标记，进行除默认处理以外 的其它操作。流是以某种方式相关的一系列数据包，i p 层必须以相关的方式对待它们。 决定数据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。 ( 6 ) 对移动通讯更好的支持 移动通信与互联网的结合将是网络发展的趋势之一，移动互联网将成为本文生活中 的一部分。移动i p v 6 的设计汲取了移动i p v 4 的设计经验，而且充分利用了i p v 6 的新特 性，提供了比i p v 4 更完整的、更优越的移动服务。 2 3i p v 4 协议与i p v 6 协议的比较 2 3 1i p v 6 的报头格式 i p v 6 报头长度固定为4 0 字节，去掉了i p v 4 中一切可选项，只包括8 个必要的字段， 因此尽管i p v 6 地址长度为i p v 4 的四倍，i p v 6 报头长度仅为i p v 4 报头长度的两倍。i p v 4 和i p v 6 的报头格式如图2 1 和2 2 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 o7 81 5 1 62 32 43 l 版本号头长度服务类型总长度 标识标志分段偏移 生存时间 协议 报头检验和 源地址 目的地址 选项和填充 数据 图2 1i p v 4 报头 选项 - 基本报头扩展报头l 扩展报头n 数据 ( a ) i p v 6 扩展报头 版本号 流量类型流标签 载荷长度下一个报头跳数限制 i p v 6 源地址 i p v 6 目的地址 ( b ) i p v 6 报头 图2 2i p v 6 扩展报头和报头 i p v 6 协议报头各部分定义： ( 1 ) 版本号( v e r s i o n ) ：4 位，i p 协议版本号。 ( 2 ) 类秀j ( t r a f f i c ec l a s s ) ：8 位，指示i p v 6 数据流通信类别或优先级。功能类似于i p v 4 的服务类型( t o s ) 字段。r f c1 8 8 3 中最初定义该字段只有4 位6 1 。 ( 3 ) 流标记( f l o wl a b e l ) ：2 0 位，i p v 6 新增字段，标记需要i p v 6 路由器特殊处理的 8 2i p v 4 与l p v 6 网络协议分析与研究 数据流。该字段用于某些对连接的服务质量有特殊要求的通信，诸如音频或视频等实时 数据传输。在i p v 6 中，同一信源和信宿之间可以有多种不同的数据流，彼此之间以非 “o ”流标记区分。如果不要求路由器做特殊处理，则该字段位置为“0 。 ( 4 ) 净核长度( p a y l o a dl e n g t h ) ：1 6 位负载长度。负载长度包括扩展头和上层p d u ， 1 6 位最多可表示6 5 5 3 5 字节负载长度。超过这一字节数的负载，该字段位置为“o ”，使 用扩展头逐个跳段( h o p b y h o p ) 选项中的巨量负载选项。 ( 5 ) 下一报头( n e x th e a d e r ) ：8 位，识别紧跟i p v 6 报头后的报头类型，如扩展报头 或某个传输层协议报头( 诸如t c p 、u d p 或者i c m p v 6 ) 。 ( 6 ) 跳数限制( h o pl i m i t ) ：8 位，类似于i p v 4 的生存时间( t t l ) 字段。与i p v 4 用时 间来限定包的生命期不同，i p v 6 用包在路由器之间的转发次数来限定包的生命期。包每 经过一次转发，该字段减l ，减到0 时就将该包丢弃。 ( 7 ) 源地址( s o u r c ea d d r e s s ) ：12 8 位，发送方主机地址。 ( 8 ) 目的地址( d e s t i n a t i o n a d d r e s s ) ：1 2 8 位，在大多数情况下，目的地址即信宿地址。 但如果存在路由扩展头的话，目的地址可能是发送给路由表中下一个路由器的接口。 ( 9 ) 扩展报头：i p v 6 将所有的可选项都移出i p v 6 报头，置于扩展报头中。由于除 h o p b y h o p 选项扩展报头外，其他扩展报头不受中转路由器检查或处理，这样就能提 高路由器处理性能。 通常，一个典型的i p v 6 数据包，没有扩展报头。仅当需要路由器或目的节点做某 些特殊处理时，才由发送方添加一个或多个扩展报头。与i p v 4 不同，i p v 6 扩展报头长 度任意，不受4 0 字节限制，但是为了提高处理选项头和传输层协议的性能，扩展报头 总是8 字节长度的整数倍【7 j 。 2 3 2i p v 4 与i p v 6 的报头比较 本文通过对i p v 4 和i p v 6 报头比较与研究可得出以下研究结论。 在图2 1 的i p v 4 数据包格式中，一个数据包包含一个协议头部分和一个数据部分， 协议头部分由一个2 0 字节定长的部分和一个变长的可选部分组成，数据部分是可变的。 而通过图2 2 的i p v 6 数据包格式可以看出，i p v 6 数据包由一个4 0 字节的基本报头，零 个或多个扩展报头和数据净负荷是由上层t c p 或u d p 的p d u 构成。所以，i p v 6 协议 头的设计原则是力图将协议报头开销降到最低，将一些非关键字段和可选字段移出协议 头，置于i p v 6 协议头之后的扩展报头中，因此尽管i p v 6 的地址长度是i p v 4 的四倍，但 协议头仅为i p v 4 的两倍。改进后i p v 6 协议头在中转路由器中处理效率更高。 比较i p v 4 报头与i p v 6 报头，可以看出i p v 6 报头比i p v 4 报头简单的多，尽管在i p v 4 报头字段中有一些与i p v 6 类似，但其中真正保持不变的只有一个字段，即版本字段， 因为在同一条线路上传输时，必须保证i p v 4 和i p v 6 的兼容性。下一个字段，即协议头 9 西安科技大学硕士学位论文 长度，则与i p v 6 无关，因为i p v 6 报头是固定长度的，i p v 4 中需要这个字段是因为它的 协议头可能在2 0 字节到4 0 字节之间变化。 服务类型字段与i p v 6 的流类别相似，而且在具体实现中也没有广泛应用。数据报 长度字段后来发展成了i p v 6 净荷长度。i p v 6 净荷长度包含了扩展报头，而i p v 4 数据报 长度字段中指明包含报头在内的这个数据报的长度。在i p v 6 中路由器可以通过将数据 报长度减去报头长度来计算包的净荷长度，而在i p v 6 中则无需这种计算。后面的三个 字段是数据报i d 、分段标志和分段偏移值，它们都用i p v 4 数据报的分段。由于i p v 6 中 源节点取代中问路由器来进行分段，这些字段在i p v 6 中变得不重要，并被i p v 6 从协议 头中去掉了。 而生存期字段，变成了跳极限字段。生存期字段最初表示的是一个包穿越i n t e m e t 时以秒为单位的存在时间的上限。如果生存期记数值变为0 ，该包被丢弃。其原因是包 可能会存在于循环路径中，如果没有方法让它消失，它可能会一直选路( 或者直到网络 崩溃为止) 。协议字段，指在i p v 4 包中封装的高层协议协议类型。这个字段后来发展成 为i p v 6 中的下一个字段，其中定义了下一个头是扩展头字段。 由于如t c p 和u d p 等高层协议均为技术头的校验和，i p v 4 报头校验显得多余，因 此这个字段在i p v 6 中已消失。对于那些真的需要对内容进行身份严重的应用，i p v 6 中 提供了身份验证头。 2 4i p