工程4项目3 IPv6过渡技术ppt课件

IPv6过渡技术,工程4项目3,第28-30讲,本讲内容,IPv4向IPv6的过渡双栈技术隧道技术转换机制几种过渡技术的分析中国IPv6网络,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，如图下所示。,5.1IPv4向IPv6的过渡,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。,5.1.1IPv6初期阶段,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。如图9-2所示。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。IPv6业务可以使用IPv6Internet与IPv6Intranet，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。,5.1.2IPv4与IPv6并存阶段,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9-7所示。,5.1.3IPv6主导地位阶段,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。过渡技术：共分为3类（1）双栈协议技术：使用独立IPv4及IPv6协议栈各自独立运行。是比较简单的技术实现，需要所有路由器都支持双栈技术。（2）隧道技术：使用隧道技术实现IPv6孤岛通过IPv4网络海洋的传输。在网络边界使用双栈路由器建立各种隧道，是早期比较流行的技术实现方式。（3）网络地址转换/协议转换技术：实现IPv4与IPv6网络自己的互相访问。,5.1.4IPv6取代IPv4阶段,Page8,5.2双栈技术,双栈技术是指在一个系统中同时使用IPv4/IPv6两个可以并行工作的协议栈。IPv6和IPv4都属于TCP/IP体系结构中的网络层协议，两者都基于相同的物理平台，尽管其实现的细节有很多的不同，但它们的原理是相似的，而且在其上的传输层协议TCP和UDP没有任何区别，主要的区别是针对不同的数据包所采用的协议栈各不相同。这就是双栈技术的工作机理。下面以图5.2为例来说明双栈技术的实现过程。拥有双栈协议的主机在工作的时候，首先将在物理层截获下来的信息提交给数据链路层，在MAC层对收到的帧进行分析，此时便可以根据帧中的相应字段区分是IPv4数据包还是IPv6数据包，处理结束后继续向上层递交，在网络层(IPv4/IPv6共存)，根据从底层收上来的包是IPv4还是IPv6包来做相应的处理，处理结束后继续向上递交给传输层并进行相应的处理，直至上层用户的应用。与单协议栈相比，双栈主机的层与层之间都是利用套接字(Socket)来建立连接的。,双协议栈技术的优点是互通性好、易于理解；缺点是需要给每个运行IPv6协议的网络设备和终端分配IPv4地址，不能解决IPv4地址匮乏的问题。在IPv6网络建设初期，由于IPv4地址相对充足，这种方案是可行的；当IPv6网络发展到一定阶段，为每个节点分配两个全局地址IPv4将很难实现。另外还有一种LimitedStack(有限双协议栈)模型(RFC2893)，在这种模型下，服务器和路由器仍然是双栈的，而非服务器的主机只需要支持IPv6。这种机制可以节省大量的IPv4地址，但是在纯IPv6和纯IPv4节点之间的通信将会出现问题，为了解决这种问题，必须与其他技术结合使用。,5.3隧道技术,隧道技术是指一个节点或网络通过报文封装的形式，连接被其他类型的网络分隔但属于同一类型的节点或网络的技术。隧道的入口和出口是隧道的两个端点，它们可以是路由器，也可以是主机，但必须都是双协议栈的节点。由于目前的互联网主要是以IPv4网络为主，在IPv4向IPv6过渡的初期或一个时期，隧道技术是连接IPv6单独网络的主要手段。图5.3表示了两个单独的IPv6网络如何通过隧道技术穿越IPv4网络进行相互通信的。其隧道技术的工作原理是：隧道入口节点把IPv6数据包封装在IPv4数据包中，IPv4数据包的源地址和目的地址分别为两端节点的IPv4地址，封装后的数据包经IPv4网络传输到达隧道出口节点后解封还原为IPv6包，并送往目的地。这里隧道是指隧道入口和隧道出口之间的逻辑关系。,图5.3IPv6经过IPv4隧道传输,隧道的种类,配置隧道：IPv6inIPv4手动配置隧道(简称手动隧道:tunnelmodeipv6ip)IPv6inIPv4GRE隧道(简称GRE隧道:tunnelmodegreip)自动隧道6to4隧道（tunnelmodeipv6ip6to4）IPv6兼容IPv4自动隧道（tunnelmodeipv6ipauto-tunnel）ISATAP隧道（tunnelmodeipv6ipisatap）运营商隧道技术6RD隧道（tunnelmodeipv6ip6rd）模拟器支持隧道配置情况PacketTracer6.0模拟器支持手动配置隧道、GRE隧道、ISATAP隧道GNS3除了6RD隧道外都支持,5.3.1手动隧道,IPv6配置隧道IPv6配置隧道(ConfiguredTunnelingofIPv6overIPv4)在RFC2893和RFC4213中进行了描述，在入口节点处将IPv6数据包封装在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IPv6节点通过IPv4网络提供一条互通的隧道。手动隧道是一种点到点的隧道，这种配置隧道技术要求隧道的出口和入口至少具有一个全球唯一的IPv4地址，出口和入口的路由器需要支持双栈协议，网络中的每台主机都至少需要支持IPv6，需要合法的IPv6地址。配置命令R(Config)#interfaceTunnel1R(Config-if)#ipv6address3:1/64R(Config-if)#tunnelsourceFastEthernet0/0R(Config-if)#tunneldestinationR(Config-if)#tunnelmodeipv6ip,Page13,通用路由封装隧道GRE隧道是一种配置隧道，也属于点到点隧道。隧道使用GRE作为承载协议，IPv4作为传输协议，IPv6协议为乘客协议。它不仅可以携带IPv6数据包，而且可以携带其他数据包，如CLNS等。其封装示意图如下图所示所配置的IPv6地址是在Tunnel接口上配置的，而所配置的Tunnel地址是Tunnel源地址和目的地址，也就是隧道的起点和终点。配置命令与配置隧道相同，只是隧道模式不同，命令如下：R(Config-if)#tunnelmodegreip,5.3.2GRE隧道,自动6to4隧道6to4自动隧道技术在RFC3056文档中进行了定义和说明,6to4自动隧道技术是一种自动隧道的机制，可以实现点对多点的隧道模式。根据嵌入到IPv6地址中的IPv4地址判断隧道另一端，自动连接多个IPv6站点。6to4自动隧道要求站点采用特殊的IPv6地址，即6to4地址，其格式为2002:IPv4ADDR:/48，其中IPv4ADDR的格式为abcd:efgh，是用冒号十六进制表示的32位的IPv4地址。配置命令R(Config)#interfaceTunnel1R(Config-if)#ipv6address2002:0101:0101:1:1/64R(Config-if)#tunnelsourceFastEthernet0/0R(Config-if)#tunnelmodeipv6ip6to4配置实例：p.228图9-3,5.3.36to4隧道,站间自动隧道寻址协议(Intra-SiteAutomaticTunnelAddressingProtocol，ISATAP)在RFC4214文档中进行了定义和说明，它为被隔离于IPv4网络的IPv6主机之间的连接提供了自动配置的隧道，解决了IPv4网络中的IPv6节点间通信的问题。这一子网的主机要和其他网络的ISATAP客户机或者IPv6网络通信，必须通过ISATAP路由器获得全球单播地址前缀，才能实现该子网的主机与其他IPv6主机和网络通信。下图显示了ISATAP隧道的结构和通信过程。,ISATAP过渡技术的原理,5.3.4ISATAP隧道,支持ISATAP的双栈主机会自动在隧道接口上生成链路本地的ISATAP地址，由前缀fe80:/64和64位的接口标识符:0:5efe:w.x.y.z组成，这样在同一个逻辑子网上配置了链路本地ISATAP地址的IPv6/IPv4主机相互就可以进行通信，但是不能与其他子网上IPv6地址的主机进行。ISATAP隧道使用了特殊的地址格式，其具体格式如下图所示。配置命令R(Config)#interfaceTunnel1R(Config-if)#tunnelsourceFastEthernet0/0R(Config-if)#tunnelmodeipv6ipisatap配置实例：p.237图9-5,16,Page17,IPv4兼容IPv6自动隧道(AutomatictunnelingofIPv6overIPv4)最早在RFC2893进行了说明和定义。在IPv4兼容IPv6自动隧道中，只需告诉设备隧道的起点，隧道的终点由设备自动生成，为点到多点隧道。IPv4兼容IPv6自动隧道使用IPv4兼容IPv6地址使用:/96的地址前缀，其形式为:w.x.y.z。IPv4兼容IPv6自动隧道正是使用除96位0前缀外的32位地址(公共IPv4地址)来自动确定隧道的目的地址的。这种自动隧道的IPv6网络中所有主机和路由器都必须是双栈，而且都要有全球唯一的IPv4地址，有违IPv6的使用初衷，因此只用于研究试验，没有太大的实用价值。配置命令R(Config)#interfaceTunnel1R(Config-if)#tunnelsourceFastEthernet0/0R(Config-if)#tunnelmodeipv6ipauto-tunnel,5.3.5兼容IPv4地址隧道,Page18,快速部署隧道(IPv6RapidDeploymentTunnel)最早在RFC5569进行了说明和定义，后来由RFC5969进行了更严格的定义。它使用部分嵌套IPv4地址，只需告诉设备隧道的起点，隧道的终点由设备自动生成，为点到多点隧道。6RD地址构成6RDipv6地址前缀：一般为运营商的32位ipv6地址前缀构成ipv4共同前缀：具有相同的IPv4前缀长度,一般为8/16ipv4共同后缀：具有相同的IPv4后缀长度,一般为8根据这些参数6RD隧道自动计算出隧道节点地址配置命令R(Config)#interfaceTunnel1R(Config-if)#tunnelsourceLoopback0R(Config-if)#tunnelmodeipv6ip6rdR(Config-if)#tunnel6rdipv4prefix-len8suffix-len8R(Config-if)#tunnel6rdprefix2013:919:/32R(Config-if)#tunnel6rdbr,5.3.66RD隧道,5.4转换机制,主要解决问题：纯IPv6节点访问与纯IPv4节点间互相访问问题。转换机制分类：可以分为网络层协议转换、传输层协议转换和应用层协议转换等3类。(1)使用网络层协议转换的技术主要有：无状态的IP/ICMP协议转换SIIT(StatelessIP/ICMPTranslation)网络地址和协议转换NAT-PT(NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation，NAT-PT)堆栈扩展BIS(BumpintheStack)(2)使用传输层协议转换的技术主要有：双栈传输层过滤DSTM(DualStackTransitionMechanism)传输层中继转换TRT(TransportRelayTranslator，TRT)(3)使用应用层协议转换的技术主要有：SOCKS64basedIv6/IPv4GatewayAPI扩展BIA(BumpintheAPI),5.4.1无状态的IP/ICMP协议转换(SIIT),无状态的IP/ICMP协议转换(StatelessIP/ICMPTranslation，SIIT)在RFC文档RFC2765中进行了描述和定义，它提供了一种在IPv4和IPv6协议之间、ICMPv4与ICMPv6协议之间相互进行转换的方法。由于这种转换不记录流的状态，也不需要去维持每个TCP连接的状态，因而是“无状态”的。SIIT在协议转换过程中，引入了一种新的地址类型，叫做IPv4转换地址(IPv4TranslatedAddress)，其地址结构为0:ffff:0:a.b.c.d，其中a.b.c.d是IPv4节点认为IPv6节点在IPv4网络中的地址。在SIIT协议转换过程中，IPv6节点需要配置成格式为0:ffff:0:a.b.c.d的IPv4转换地址，也就是将这种地址分配给一个IPv6节点，其网络前缀是0:ffff:0:0:0/96。纯IPv6节点使用该转换地址与纯IPv4节点进行通信。SIIT算法假定有一个IPv4地址池，用于产生IPv4转换地址。,20,当纯IPv6节点通过SIIT转换器与纯IPv4节点通信时，它发出的数据报的目的地址用一个映射IPv4的IPv6地址(格式为0:ffff:a.b.c.d)来表示纯IPv4节点，源地址为一个IPv4转换地址。当SIIT收到这个数据报时，通过IPv4映射的IPv6地址就知道这个IP数据包需要进行协议转换。当IPv4节点发送数据报时，这些数据报需要SIIT将其转换成用IPv4转换地址作为目的地址的数据报。SIIT技术的原理如图5.20所示。,图5.20SIIT技术的原理,5.4.2网络地址转换与协议转换(NAT-PT),网络地址转换与协议转换(NetworkAddressTranslation-ProtocolTranslation，NAT-PT)在RFC2766文档中进行了描述和定义，是一种将SIIT协议转换和IPv4网络中地址翻译(NAT)结合起来的技术。它利用了SIIT技术的工作机制，同时又采用了传统的IPv4网络下的NAT技术，也就是指在IPv4与IPv6之间进行地址转换(NAT)的同时，还必须在IPv4数据报和IPv6数据报之间进行协议(报头和语义)的翻译(PT)，动态地给访问IPv4节点的IPv6节点分配IPv4地址，很好地解决了SIIT技术中全局IPv4地址池规模有限或耗尽的问题。图5.21显示了NAT-PT基本的工作原理。,图5.21NAT-PT基本的工作原理,BIS(BumpintheStack)转换机制在RFC2767文档中进行了描述和定义，其基本的原理是通过在IPv4协议栈中添加了3个特殊的扩展模块：域名解析模块、地址映射模块和报头转换模块，来分别用于扩展原有的域名解析功能，使其支持IPv6地址查询，实现IPv4地址与IPv6地址之间的映射，以及IPv4报文与IPv6报文相互之间的转换。图5.23显示了BIS转换机制的系统结构图。,5.4.3BIS转换机制,图5.23BIS的系统结构,BIS允许主机利用已有的IPv4应用与IPv6主机进行通信，即使主机没有IPv6应用，也能够与IPv6网络中的主机保持连通。由于IPv4报文与IPv6报文结构的不同，翻译器不能把IPv4的参数都转换成IPv6相应的参数，并且BIS在进行IP地址转换的时候很难完整地转换应用时包含的参数(如FTP)，所以造成一些应用无法使用；而且由于数据中含有IP地址，所以网络层之上的安全策略不能在采用这种机制的主机上使用。,5.4.4传输层中继TRT技术,传输层中继(TransportRelayTranslator，TRT)技术在RFC3142文档中进行了描述和定义，一个传输中继转换器位于纯IPv6主机与纯IPv4主机之间，通过这个传输中继转换器，来实现在传输层上的IPv6的TCP或UDP与IPv4的TCP或UDP数据的相互转换。传输层中继TRT中IPv6与IPv4之间的通信借助了一个特殊地址，该特殊地址是由一个64位前缀和后面接一个目的节点的IPv4地址构成的，其中，64位前缀是TRT转换机制保留的一个IPv6前缀C6:/64，它属于站点中的全球单播地址空间中的一部分。,图5.25显示了传输层中继TRT的工作原理。假如由IPv6主机发起通信，那么它将与TRT系统建立连接，在配置路由信息时，必须使包含C6:/64的前缀分组能转发到TRT系统，TRT系统从这个特殊类型的地址中提取IPv4地址信息，然后TRT再建立一个到最终的IPv4目的地的连接，并在这两个连接之间转发数据，这样通过跨越两个不同的TCP连接就实现了不同协议栈主机之间的通信。类似地，通信发起方也可以是IPv4主机。,图5.25TRT工作原理示意图,5.4.5SOCKS64转换机制,SOCKS名为套接字安全性，其英文全称为SocketSecurity，它是一种网络代理协议，该协议所描述的是一种内部主机(使用私有IP地址)通过SOCKS服务器访问Internet的方法。目前的SOCKS协议版本是第5版(SOCKSv5)，在RFC1928文档中进行了描述和定义。SOCKS64实际上是一种基于IPv6/IPv4网关机制的SOCKS(ASOCKS-basedIPv6/IPv4GatewayMechanism)的简称，在RFC3089文档中进行了描述和定义，它是以SOCKSv5协议为基础，通过对SOCKS协议的扩展，并将其应用到IPv6/IPv4网关技术下来实现IPv4和IPv6两种不同协议之间的通信。SOCKS64转换机制的实现需要一个SOCKS64的网关和一个SOCKS64的客户端进行协同工作，其基本的工作原理如图5.26所示。,图5.26中，SOCKS64网关和SOCKS64客户端分别为网关G和客户端C。网关G是一个具有IPv4/IPv6双协议栈的主机，它可以同时与所有的IPv4和IPv6主机进行通信。客户端C只与网关G进行直接通信，与IPv4或IPv6目的主机之间的通信实际上由网关G来完成。由于SOCKS网关含有IPv4/IPv6两个不同的协议栈，因而无论客户端是IPv4主机还是IPv6主机，都可以与其他任何类型的目的地主机进行通信。,图5.26SOCKS64网关的工作原理,5.4.6BIA转换机制,BIA(BumpintheAPI)转换机制在RFC3338文档中进行了描述和定义，它与BIS类似，都是通过在双协议栈中添加一些模块来进行报文的转换，只不过BIA增加的模块不是在协议栈即IP层，而是在双栈主机的SocketAPI模块与TCP/IP模块之间加入一个API转换器，这个API转换器包含域名解析器、地址映射器和函数映射器3个模块，如图5.27所示。,图5.27BIA模块的组成,当双栈主机上的IPv4应用程序与其他IPv6主机通信时，API转换器检测到IPv4应用程序中的SocketAPI函数，并调用IPv6的SocketAPI函数与IPv6主机通信，反之亦然。为了支持IPv4应用程序与目的IPv6主机间的通信，在API转换器中，IPv4地址由域名解析器进行分配。其具体的工作过程如下。IPv4应用向DNS服务器发送DNS查询请求，域名解析器拦截了这个请求，并产生一个新的查询请求来解析A和AAAA两种记录。当只有AAAA记录被解析时，域名解析器会要求地址映射器为IPv6地址分配一个IPv4地址。域名解析器为分配好的IPv4地址产生一条A记录，返回给IPv4应用程序。为使IPv4应用程序能够向对方发送IPv4数据包，调用IPv4的SocketAPI函数。函数映射器检测到来自于IPv4应用的SocketAPI函数，向地址映射器请求一个IPv6地址，地址映射器从表中查找到相应的IPv6地址，函数映射器使用这个地址调用相应的IPv6SocketAPI函数，然后通过IPv6协议栈将数据发到对端的IPv6主机。,5.5几种过渡技术的分析,前面讨论了双栈技术、隧道技术和转换机制这几种常用的过渡技术，它们各有自己的优点和不足，在具体使用时，须根据特定的网络环境加以选择。同时，这些过渡技术的使用并不是孤立的，它们可以相互配合使用。由于目前的操作系统和一些网络设备都正在逐步支持双栈协议，因此双栈技术作为IPv4/IPv6共存过渡时期最主要的技术之一，运用得非常广泛。采用双栈技术需要为网络上的每个节点(包括主机或路由器)分配一个IPv4和一个IPv6地址。其优点是不需要购置专门的IPv6路由器和铺设专门的链路，节省了硬件投资。其不足是节点或路由器等网络设备必须维护和运行两个独立的协议栈，增加了系统复杂性，另外，由于在IPv6网络建设的初期，还有一定数量的IPv4地址，因而这种方案的实施具有可行性，但当IPv6网络发展到一定阶段，要为每个节点或路由器分配一个IPv4的全局地址将是十分困难的，因此，双栈技术的实施方案将是很难实现的。,隧道方式只是把IPv4网络作为一种传输介质。实现隧道的方案很多，如手工配置隧道、自动配置的隧道、6to4、6over4、TunnelBroker等。其优点是不需要大量的IPv6专用路由器设备和专用链路，可以明显地减少投资。其缺点是在IPv4网络上配置隧道是一个比较麻烦的过程，特别是在隧道数目增加到一定程度时。因此，采用隧道方案特别是手工隧道时一定要做好详细的文档记录。IPv6的流量和原有的IPv4流量之间会争抢带宽和路由器资源(CPU、缓冲和路由表)，在IPv6的流量较小时，这个问题不是很明显，但随着IPv6流量的增大这个问题将来会很突出，存在迁回路由的情况。这对于整个IPv4网络性能来说，无疑是一种恶劣的影响。在IPv6网络建设的初期，其网络规模和业务量都较小，因此采用这种连接方式是可行的。隧道技术并不能实现IPv6主机和IPv4主机之间的通信。转换机制和传统的IPv4下的动态地址翻译以及适当的应用层网关相结合，实现了只安装了IPv6的主机和只安装了IPv4主机间的大部分应用通信，是一种纯IPv6节点和IPv4节点间的互通方