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IPv6过渡机制 IPv6过渡技术概述 目前 网络上的绝大部份设备都是IPv4设备 若把这些设备全部换成IPv6设备 所需的成本是巨大的 另外 网络的升级换代要保证不中断现有的业务 综合以上因素 从IPv4过渡到IPv6注定是一个渐进的过程 而且这一过程要持续相当长的时间 根据网络发展的现实情况 要在不同时期采用不同的部署策略 在不中断现有业务的基础上实现平滑过渡 IPv4向IPv6过渡分为4个阶段 IPv4为主导地位阶段 IPv4与IPv6并存阶段 IPv6为主导地位阶段 IPv6取代IPv4网络阶段 IPv6初期阶段第1阶段是IPv6初期阶段 这一阶段是以IPv4网络为主导地位的 在该阶段中 IPv4保持现有网络规模和网络拓扑结构 而IPv6网络则是一个个的孤岛 IPv6网络与IPv6网络之间是不能直接进行通信的 而是要通过IPv4网络的隧道技术进行数据交换 如图所示 IPv4与IPv6并存阶段这是IPv4向IPv6过渡的第2阶段 这一阶段是IPv4网络与IPv6网络并存阶段 IPv4网络与IPv6网络通过IPv4 IPv6双协议栈进行数据交换 IPv6经过一段时间的发展 得到较大规模的应用 出现了骨干的IPv6Internet网络 在IPv6平台上引入了大量的业务 从而可以充分利用IPv6的诸多优势 如QoS保证 但由于IPv6网络之间有可能不是相互连通的 因此还会使用隧道 在IPv6平台上实现丰富的业务加快了IPv6的实施 但仍将有大量的传统IPv4业务存在 许多节点也仍然是双栈节点 这时不仅仅要采取隧道技术 而且还要采取IPv4与IPv6网络之间的协议转换技术 IPv6主导地位阶段这是IPv4向IPv6过渡的第3阶段 在这一阶段中 是以IPv6为主导地位阶段 IPv6逐步取代IPv4 骨干网全部升级为IPv6 而IPv4网络则成为孤岛 类似于发展初级阶段 本阶段主要采取隧道技术来部署 但通过隧道互联的是IPv4网络 这一阶段与第1阶段刚好相反 即是以IPv6网络为主导地位的阶段 由于种种原因 在该阶段中 IPv4网络仍将生存相当长的时间 但IPv4已成为一个个的孤岛 大多数IPv4网络与IPv4网络之间已不能直接进行通信 而是要通过IPv6网络的隧道技术进行数据交换 如图所示 IPv6取代IPv4阶段这是IPv4向IPv6过渡的第4阶段 即IPv6完全成熟阶段 在这一阶段中 IPv6网络将完全取代IPv4网络 IPv4网络将退出历史舞台 并且一去不复返了 双栈技术 双协议栈技术是指在设备上同时启用IPv4和IPv6协议栈 IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议 两者都基于相同的底层平台 如果一台主机同时支持IPv6和IPv4两种协议 那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信 又能与支持IPv6协议的主机通信 这就是双协议栈技术的工作原理 双IP协议栈是在一个系统 如一台主机或一台路由器 中同时使用IPv4和IPv6两种协议 这类系统既拥有IPv4地址 也拥有IPv6地址 因而可以收发IPv4和IPv6两种IP数据报 IPv4和IPv6两个网络通过IPv4 IPv6路由器进行连接 其网络拓扑结构如图所示 隧道技术 与双IP协议栈相比 基于IPv4隧道的IPv6数据传输是一种更为复杂的技术 它是将整个IPv6据报封装在IPv4数据报中 由此实现在当前的IPv4网络中IPv6节点与IPv4节点之间的通信 基于IPv4隧道的IPv6实现过程分为三个步骤 封装 解封和隧道管理 封装是指由隧道起始点创建一个IPv4包头 将IPv6数据报装入一个新的IPv4数据报 解封是指由隧道终节点移去IPv4包头 还原原始的IPv6数据报 隧道管理 是指由隧道起始点维护隧道的配置信息 如隧道支持的最大传输单元的尺寸等 隧道技术来源于英国与法国之间的英吉利海峡隧道 如下图所示 计算机网络的隧道技术的工作原理是 将IPv6报文封装在IPv4数据包包头中 通过IPv4网络进行传送 数据包到达目的地后 去掉IPv4数据包包头还原成IPv6报文即可 IPv6配置隧道 IPv6配置隧道是一种应用最早 最成熟和最广泛的过渡技术 通过手工配置隧道的出口和入口地址 在入口节点处将IPv6数据包封闭在IPv4数据包中 然后通过IPv4网络传输到出口处 最后在出口节点进行解封装 这样就为处于不同的IPv6网络中的IPv6节点通过IPv4网络提供一条互通的隧道 配置隧道进行通信的站点之间必须有可用的IPv4连接 并且至少要具有一个全球唯一的IPv4地址 站点中每个主机都需要支持IPv6 路由器需要支持双栈 手工配置隧道适合于比较固定的IPv6连接 缺点是每两个IPv6网络之间都要手工建立隧道 配置比较麻烦 在隧道要经过NAT设施的情况下这种机制不可用 GREoverIPv4隧道 IPv6overIPv4GRE隧道使用标准的GRE隧道技术提供了点到点连接服务 需要手工指定隧道的端点地址 GRE隧道的传输协议是固定的 但乘客协议可以是协议中允许的任意协议 可以是IPv4 IPv6 OSI MPLS等 GRE隧道主要用于两个边缘路由器或终端系统与边缘路由器之间定期安全通信的稳定连接 边缘路由器与终端系统必须实现双栈 自动隧道 6over4IPv4兼容IPv6自动隧道技术6to4ISATAP隧道代理 6to4 6to4隧道也属于一种自动隧道 隧道也是使用内嵌在IPv6地址中的IPv4地址建立的 与IPv4兼容自动隧道不同 6to4自动隧道支持Router到Router Host到Router Router到Host Host到Host 这是因为6to4地址是用IPv4地址做为网络标识 其地址格式如下 其格式前缀 FP 为二进制的001 TLA TopLevelAggregator 为0 x0002 也就是说 6to4地址可以表示为2002 16 而一个6to4网络可以表示为2002 IPv4地址 48 通信实体 6to4定义了3种通信实体 分别为6to4主机 6to4路由器和6to4中继路由器 6to4主机是指那些至少配置了一个6to4地址的主机 6to4路由器 边界路由器 是支持使用6to4隧道接口的IPv6 IPv4路由器 它通常位于一个站点中的6to4主机与IPv4网络之间 用于与IPv4网络中其他6to4路由器或6to4中继路由器之间转发目标为6to4地址的通信 6to4中继路由器通常位于IPv4主干网与IPv6主干网的结合点 除了具有6to4路由器的功能外 它还负责向IPv6主干网提供IPv4主干网中所连接的6to4站点的可达性 同时向IPv4主干网中的6to4路由器提供IPv6主干网各站点的可达性 通过6to4自动隧道 可以让孤立的IPv6网络之间通过IPv4网络连接起来 6to4自动隧道是通过Tunnel虚接口实现的 6to4隧道入口的IPv4地址手工指定 隧道的目的地址根据通过隧道转发的报文来决定 如果IPv6报文的目的地址是6to4地址 则从报文的目的地址中提取出IPv4地址做为隧道的目的地址 如果IPv6报文的目的地址不是6to4地址 但下一跳是6to4地址 则从下一跳地址中取出IPv4地址做为隧道的目的地址 后者也称为6to4中继 IPv6报文在到达边界路由器后 根据报文的IPv6目的地址查找转发表 如果出接口是6to4自动隧道的Tunnel虚接口 且报文的目的地址是6to4地址或下一跳是6to4地址 则从6to4地址中取出IPv4地址做为隧道报文的目的地址 隧道报文的源地址是Tunnel接口上配置的 计算隧道两端的网络前缀 把隧道两端的IPv4地址转换成十六进制 210 83 130 2转换成十六进制d253 8202210 83 131 2转换成十六进制d253 8302这样 就可以把这个转换好的地址嵌入到6to4的地址格式中 R2路由器的6to4地址前缀为2002 d253 8202 482002 d253 8302 48 由于6to4隧道只能和6to4站点通信 所以要给E1接口配置6to4地址 让主机能获得6to4地址 下面是路由器上6to4的配置 ConfigtIpv6unicast routingIntfa0 1Ipv6address2002 d253 8202 1 64NoshutInttunnel1NoipaddressIpv6address2002 d253 8202 1 128Ipv6unnumberedfa0 1Tunnelsourcefa0 0Tunnelmodeipv6ip6to4ExitIpv6route2002 16tunnel1 R3上的配置ConfigtIpv6unicast routingIntfa0 1Ipv6address2002 d253 8302 1 64NoshutInttunnel1NoipaddressIpv6address2002 d253 8302 1 128Ipv6unnumberedfa0 1Tunnelsourcefa0 0Tunnelmodeipv6ip6to4ExitIpv6route2002 16tunnel1 随着IPv6网络的发展 普通IPv6网络需要与6to4网络通过IPv4网络互通 这可以通过6to4中继路由器方式实现 所谓6to4中继 就是通过6to4隧道转发的IPv6报文的目的地址不是6to4地址 但转发的下一跳是6to4地址 该下一跳为6to4中继 隧道的IPv4目的地址从下一跳的6to4地址中获得 如下图所示 灰色的网络是普通IPv6网络 如果6to4网络2中的主机要与IPv6网络互通 在其边界路由器上配置路由指向的下一跳为6to4中继路由器的6to4地址 中继路由器的6to4地址是与中继路由器的6to4隧道的源地址相匹配的 6to4网络2中去往普通IPv6网络的报文都会按照路由表指示的下一跳发送到6to4中继路由器 6to4中继路由器再将此报文转发到纯IPv6网络中去 当报文返回时 6to4中继路由器根据返回报文的目的地址 为6to4地址 进行IPv4报文头封装 数据就能够顺利到达6to4网络中了 6to4隧道特点 6to4隧道容易管理 是目前最重要的自动隧道技术之一 而且它根据IPv4地址自动产生一个48位的前缀 所以它不必向互联网注册机构申请IPv6地址就可以运行 但与此同时 它破坏了IPv6层次化的路由体系 ISATAP隧道 ISATAP Intra SiteAutomaticTunnelAddressingProtocol 是另外一种IPv6自动隧道技术 与6to4地址类似 ISATAP地址中也内嵌了IPv4地址 它的隧道封装也是根据此内嵌IPv4地址来进行的 只是两种地址格式不同 6to4是使用IPv4地址做为网络ID 而ISATAP用IPv4地址做为接口ID 其接口标识符是用修订的EUI 64格式构造的 格式如下 如果IPv4地址是全局唯一的 则u位为1 否则u位为0 g位是IEEE群体 个体标志 ISATAP地址接口ID的形式看起来是00 00 5E FE加IPv4地址的样子 5E FE是IANA分配的 典型的ISATAP隧道应用是在站点内部 所以 其内嵌的IPv4地址不需要是全局唯一的 如上图所示 在IPv4网络内部有两个双栈主机PC2和PC3 它们分别有一个私网IPv4地址 要使其具有ISATAP功能 需要进行如下操作 首先配置ISATAP隧道接口 这时会根据IPv4地址生成ISATAP类型的接口ID 根据接口ID生成一个ISATAP链路本地IPv6地址 生成链路本地地址以后 主机就有了IPv6连接功能 进行主机自动配置 主机获得全局IPv6地址 站点本地地址等 当主机与其它IPv6主机进行通讯时 从隧道接口转发 将从报文的下一跳IPv6地址中取出IPv4地址作为IPv4封装的目的地址 如果目的主机在本站点内 则下一跳就是目的主机本身 如果目的主机不在本站点内 则下一跳为ISATAP路由器的地址 路由器上配置ISATAPconfigtinttunnel0tunnelsourcefa0 0tunnelmodeipv6ipisatapNoipv6ndsupress raipv6address2001 da8 ffff 5 64eui 64exit 主机上启用ISATAPnetshnetsh intnetshinterace ipv6netshinterfaceipv6 ipv6isatapsetrouter210 83 130 2 隧道代理 TB TunnelBroker 对于独立的IPv6用户 要通过现有的IPv4网络连接到IPv6网络上 必须使用隧道技术 但是手工配置隧道的扩展性很差 TB的主要目的就是简化隧道的配置 提供自动的配置手段 隧道代理的思想是利用一种称为TunnelBroker的服务器自动为来自用户的请求配置隧道 隧道代理 负责根据用户 双栈节点 的要求建立 更改和拆除隧道 为了均衡负载 TB可以在多个隧道服务器中选择一个 TB还负责将用户的IPv6地址和名字信息存放到DNS里 隧道服务器 TS 是一个双栈服务器 连接到IPv6网络上的隧道末端 从隧道代理处接收命令 对隧道进行必要的操作 隧道代理的隧道配置原理 客户端为获得隧道代理服务先向TB提出申请 并提供客户端IPv4地址 该客户机想使用的DNS域名以及客户端的类型 主机还是服务器 等信息 TB接到客户申请后 首先选择一个隧道服务器作为隧道的端点 同时选出IPv6的前缀分配给客户端 并用分配给客户的IPv6地址更新DNS 配置隧道的TS端 同时把该隧道的信息和参数通知给客户机 完成隧道的配置工作 配置的具体步骤 AAA授权认证 配置请求隧道代理选择隧道服务器 IPv6地址及隧道生存时间 隧道代理注册隧道IPv6地址 配置信息发送到隧道服务器 配置信息 含隧道参数和DNS名字 发送到客户 隧道建立 Teredo 该协议由微软公司提出 也称为Shipworm 隧道是基于UDP 端口为3544 而不是IP协议 41 它含有如下基本组件 Teredo客户 双栈节点 Teredo服务器 可访问IPv4Internet的节点 并且具有到客户端的连接 Teredo中继 双栈路由器 为客户端提供连接 Teredo服务前缀 来自Teredo服务器的前缀 用来创建客户端的IPv6地址 具体步骤 发送给服务器 NAT映射内部地址 端口到外部地址 端口 Teredo服务器指明源地址 端口和NAT类型 发送前缀给客户端 客户利用服务器前缀创建IPv6 IPv6包通过隧道发送到中继 基于MPLS技术的过渡技术 多协议标签交换 Multi ProtocolLabelSwitching MPLS 技术属于第三层交换技术 是一种在通信网上利用标签引导数据高速转发的技术 它的核心思想是引领了基于标签的机制 把路由和转发分开 由标签来规定一个分组通过网络的路径 数据传输通过标签交换路径完成 其基本原理是为每个IP数据包提供一个标签 MPLS路由器在把数据包转送到其路径前 仅读取数据包标签 无需读取每个数据包的IP地址及标头 就能迅速地在网络上进行传递 大大减少了数据包时延 多协议标记交换MPLS MultiProtocolLabelSwitching 在20世纪80年代 出现了一种思路 用面向连接的方式取代IP的无连接分组交换方式 这样就可以利用更快捷的查找算法 而不必使用最长前缀匹配的方法来查找路由表 这种基本概念就叫做交换 switching 人们经常把这种交换概念与异步传递方式ATM AsynchronousTransferMode 联系起来 在传统的路由器上也可以实现这种交换 MPLS的产生背景 标号转发接口01102131 0 1 S1 S2 S3 0 S1的转发表 0 1 为了实现交换 可以利用面向连接的概念 使每个分组携带一个叫做标记 label 的小整数 当分组到达交换机时 交换机读取分组的标记 并用标记值来检索分组转发表 MPLS的特点 1 支持面向连接的服务质量 2 支持流量工程 平衡网络负载 3 有效地支持虚拟专用网VPN MPLS的工作原理1 基本工作过程 MPLS对打上固定长度 标记 的分组用硬件进行转发 使分组转发过程中省去了每到达一个结点都要查找路由表的过程 因而分组转发的速率大大加快 采用硬件技术对打上标记的分组进行转发称为标记交换 交换 也表示在转发分组时不再上升到第三层用软件分析IP首部和查找转发表 而是根据第二层的标记用硬件进行转发 MPLS协议的基本原理 MPLS域 普通IP分组 LDP LDP LDP MPLS入口结点 打上标记 去除标记 MPLS出口结点 标记交换 标记交换 标记交换 A B C D 普通路由器 标记交换路由器LSR 打上标记的分组 MPLS的基本工作过程 1 MPLS域中的各LSR使用专门的标记分配协议LDP交换报文 并找出标记交换路径LSP 各LSR根据这些路径构造出分组转发表 2 分组进入到MPLS域时 MPLS入口结点把分组打上标记 并按照转发表将分组转发给下一个LSR 3 以后的所有LSR都按照标记进行转发 每经过一个LSR 要换一个新的标记 4 当分组离开MPLS域时 MPLS出口结点把分组的标记去除 再以后就按照一般分组的转发方法进行转发 转发等价类FEC ForwardingEquivalenceClass 转发等价类 就是路由器按照同样方式对待的分组的集合 划分FEC的方法不受什么限制 这都由网络管理员来控制 因此非常灵活 入口结点并不是给每一个分组指派一个不同的标记 而是将属于同样FEC的分组都指派同样的标记 FEC和标记是一一对应的关系 虚电路合并 VCmerging FEC可以有不同的粒度 细粒度的例子 为特定源主机和目的主机之间的特定应用指派的FEC 粗粒度的例子 与特定出口LSR相关联的FEC是许多应用流聚合到出口LSR离开MPLS域 它的根在出口LSR 这种应用流的聚合也称为虚电路合并 这样做可以大大减少转发表中的项目数 应用流聚合到出口LSR 入口LSR 入口LSR 入口LSR 入口LSR 入口LSR 入口LSR 出口LSR 1 3 3 5 3 4 2 1 4 1 S1 S2 S3 S4 FEC用于负载平衡 C B A H1 E D H2 H3 H4 a 传统路由选择协议使最短路径A B C过载 栈底 MPLS首部的位置与格式 MPLS的一个重要功能就可以构成标记栈 MPLS标记的格式以及标记栈 栈顶 帧首部MPLS标记MPLS标记IP首部数据部分帧尾部 标记值 生存时间TTL 试验 S 位20318 MPLS标记栈 IP数据报 以太网帧 发送在前 MPLS标记 MPLS标记一旦产生就压入到标记栈中 而整个标记栈放在数据链路层首部和IP首部之间 栈是一种后进先出的数据结构 MPLS协议规定 标记栈的栈顶 最后进入栈的标记 最靠近数据链路层首部 而栈底最靠近IP首部 在最简单的情况下 标记栈中只有一个标记 MPLS标记栈的使用 厂区1 厂区2 A B C D MPLS域2 MPLS域1 A B C D 标记入栈 标记入栈 标记出栈 标记出栈 6PE 在启动MPLS的IPv4骨干网上传输IPv6数据报 这个解决方案称为IPv6提供商边缘路由器 6PE 提供了一种可伸缩的IPv6早期部署的解决方法 它有以下一些特点 IPv6协议仅仅在选择的PE路由器上实施 PE路由器使用多协议BGP MP BGP 会话在骨干网上交换IPv6路由 MPLS标签被PE路由器赋给IPv6路由 并直接在PE路由器之间交换 类似VPN路由 使用两层MPLS标签在MPLS骨干网上传输IPv6数据报 标签栈中的第一标签是出口PE路由器的指定LDP标签 标签栈中第二个标签是指定PEIPv6标签 ISP网络的IGP协议可以是OSPF或IS IS CE和6PE之间可以是静态路由 IGP协议或EBGP 6PE要求IPv6站点必须通过CE连接到一个或多个运行MP BGP 多协议扩展 边界网关协议 的双栈PE上 这些PE之间通过MP BGP来交换IPv6的路由可达信息 通过隧道来传送IPv6数据包 6PE适合从边缘到核心的网络过渡策略 首先它在骨干网和城域核心网仍然可以保持原有的IPv4协议 而只是在网络边缘通过MPLS技术来实现IPv4数据包和IPv6数据包的传送 其次它扩展性较好 当原有网络已经实现了MPLS时 各个边缘网络可以自主选择网络过渡时间和组网方式 本地网的组网方式不受MPLS隧道机制的影响 当ISP想利用自己原有的IPv4 MPLS网络 使其通过MPLS具有IPv6流量交换能力时 只需要升级PE路由器就可以了 所以对于运营商来说 使用6PE特性作为IPv6过渡机制无疑是一个高效的解决方案 其操作风险也会要小得多 转换机制 IPv6 IPv4互通技术是为了实现不同协议之间的互通 也就是使IPv6主机可以访问IPv4主机 IPv4主机可以访问IPv6主机 相关的技术有 SIIT StatelessIP ICMPTranslation NAT PT SIIT SIIT StatelessIP ICMPTranslation RFC2765 定义了在IPv4和IPv6的分组报头之间进行翻译的方法 这种翻译是无状态的 因此对于每一个分组都要进行翻译 这种机制可以和其它的机制 如NAT PT 结合 用于纯IPv6站点同纯IPv4站点之间的通信 但是在采用网络层加密和数据完整性保护的环境下这种技术不可用 纯IPv6节点和纯IPv4节点通过一个SIIT转换器通信 在这种模式下 IPv6节点使用的是一个IPv4translated地址的主机 而对方则是一个IPv4mapped地址 如果IPv6主机发出的IP分组中的目的地址是一个IPv4mapped地址 那么SIIT转换器就知道这个IP分组需要进行协议转换 SIIT技术 IPv6节点使用 FFFF 0 a b c d 翻译地址 IPv6节点访问IPv4节点使用 FFFF a b c d 映射地址 IPv6地址 FFFF 0 1 1 1 1 IPv4地址 10 0 0 1 目的 FFFF 10 0 0 1 10 0 0 1源 FFFF 0 1 1 1 1 1 1 1 1 NAT PT NAT PT NetworkAddressTranslation ProtocolTranslation RFC2766 就是在做IPv4 IPv6地址转换 NAT 的同时在IPv4分组和IPv6分组之间进行报头和语义的翻译 PT 适用于纯IPv4站点和纯IPv6站点之间的通信 NAT PT的原理和SIIT类似 其改进的地方是将传统的IPv4下的NAT应用于SIIT中的IPv4地址的选取当中 SIIT的一个最大的缺点是需要比较大的IPv4地址池 以供IPv6应用动态分配 这个IPv4地址池很大程度上制约了SIIT的应用 而NAT PT采用传统的IPv4下的NAT技术来分配IPv4地址 这样就可以以很少的IPv4地址构成自己的IPv4地址池 可以给大量的需要进行地址转换的应用使用协议转换服务 NAT PT的工作原理通过中间的NAT PT协议转换服务器 实现纯IPv6节点和纯IPv4节点间的互通NAT PT服务器分配动态IPv4地址来标识IPv6主机 与DNS配合 NAT PT服务器向相邻IPv6网络宣告96位地址前缀信息 用于标识IPv4主