IPv到Pv过渡技术的研究()

1、河南农业大学河南农业大学本科生毕业（设计）本科生毕业（设计）题 目 IPv4/Pv6 过渡技术的研究过渡技术的研究 学 院 信息与管理科学学院信息与管理科学学院 专业班级 计算机科学与技术计算机科学与技术 2007 级级 2 班班 学生姓名 刘月光（刘月光（） 指导教师 郑郑 光光 撰写日期：二一一年五月九日目 录摘要摘要.1 11 1 引言引言.1 12 2 IPV4IPV4 面临的问题面临的问题 .2 22.1 IPV4 地址资源即将枯竭.22.2 路由表不断增大 .22.3 网络服务质量不能保证 .32.4 安全问题 .33 3 IPV6IPV6 的优势的优势 .3 33.1 地址容量极

2、大扩展 .33.2 新报头格式 .33.3 改进的路由结构 .43.4 支持即插即用 .43.5 更好的 QOS 支持 .43.6 可扩展性 .54 4 过渡技术设计规则与三种基本过渡技术过渡技术设计规则与三种基本过渡技术 .5 54.1 过渡技术设计规则 .54.2 三种基本过渡技术 .54.2.1 双栈技术（Dual Stack）.54.2.2 隧道技术.64.2.3 翻译技术.75 5 基于基本过渡技术的派生基于基本过渡技术的派生 .7 75.1 同种网络之间的通信 .75.1.1 手工隧道.75.1.2 自动隧道方案.85.2 IPV4 网络与 IPV6 网络之间的通信 .85.2.1

3、 有限双栈模型.85.2.2 DSTM 机制.95.2.3 NAT PT .95.2.4 BIS .105.2.5 TRT .105.2.6 BIA .105.2.7 SOCKS64 技术.105.2.8 河南农业大学信息化中心 CNGI 驻地网的设计和实现 .115.3 各种派生方案之间的比较.126 6 总结和展望总结和展望.1414参考文献参考文献.1414致致 谢谢.1515IPv4/Pv6IPv4/Pv6 过渡技术的研究过渡技术的研究刘月光信息与管理科学学院计算机专业摘要摘要：随着 Internet 的发展，IPv4 逐渐暴露出各种缺陷，已不能满足用户需求和网络的发展需要，IPv6

4、应运而生，IPv4 必将向 IPv6 过渡，但 IPv4 和 IPv6 将在一段时间内共存和交互，如何平滑过渡，这是目前研究的热点。论文首先分析了 IPv6 的优势及过的的必然性，然后讨论了在同种网络之间通信和 IPv4 网络与 IPv6 网络之间通信场景下，基于三种IPv4/IPv6 基本过渡技术多种派生方案的基本原理，分析比较各种方案的优点、不足和适应特性，并探讨了过渡技术在今后深入研究的方向。关键词：关键词：IPv6；IPv4；过渡技术Research on IPv4 / IPv6 Transition TechnologiesAbstract: As the internet deve

5、lopment, ipv4 began to reveal all kinds of defects, and could not satisfy the users and network development, IPv6 emerged, IPv4 to IPv6 will transition, but IPv4 and IPv6 will at some time, and how to coexist and interactive smooth transition, which is currently a research hotspot. The paper first a

6、nalyses the advantage and IPv6, then discusses the necessity of the same network communication and IPv4 network and between IPv6 network, which based on the scene, and communication between three IPv4 / IPv6 basic transition technology many derived the basic principles of planning, comparing with th

7、e other advantages, various programs and adapt to the characteristics of insufficient, and probes into the transition technology in the direction of further research in the future.Keywords: IPv6; IPv4; transition technologies1 引言IPv4 协议以其简单易用获得了巨大的成功，然而随着网络的迅猛发展，数据业务、语音业务以及各种多媒体业务进入互联网，越来越多的用户进入互联网，

8、IPv4 网络的局限性也日益暴露，如 IP 地址耗尽、节点配置复杂、端对端连接破坏、服务质量不高和安全性不够等。IPv6 协议正式为了解决以上的问题而产生的。由于 IPv4 协议与 IPV6 协议并不兼容，部分机构和用户将毫无疑问的会继续使用 IPv4；IPv4 网络与 IPv6 网络将长期共存，IPv4 向 IPv6 的过渡不是一蹴而就的。因此，IPv4/IPv6 过渡问题是网络发展的重要研究内容1。2 IPv4 面临的问题面临的问题随着 Internet 的发展，IPv4 的局限越来越暴露出来，严重制约了 IP 技术的应用和未来网络的发展。2.1 IPv4 地址资源即将枯竭地址资源即将枯竭

9、IPv4 在表示网络节点地址时采用 32 位二进制数，它的理论地址超过 40 亿(232=4，294，967，296)。近年来 Internet 呈指数级的飞速发展，导致 IPv4地址空间几近枯竭。IP 地址变得越来越珍稀，迫使许多企业不得不使用 NAT 将多个内部地址映射成一个公共口地址。同时由于历史原因，IPv4 地址的分配极不均衡，这种情况使得包括中国在内的许多国家没有足够的 IPv4 地址。2004年年底，我国网民达到 9000 万，但中国拥有的 IPv4 地址不到 5000 万，仅占IPv4 全部地址的 1。随着连接到 Internet 上的主机数目的迅速增加，有预测表明，所有 IP

10、v4 地址将在 20052015 年间分配完毕。2.2 路由表不断增大路由表不断增大在互联网或内联网上传输的 IPv4 包必须从一个网络选路到另一个网络以到达其目的地。选路协议可以使用动态机制来确定路由，但是所有选路最终依赖于某个路由器查看不同路由的列表并确定正确的路由。选路表包含网络的列表和连接到这些网络的接口的列表。路由器查看包，确定包所在的网络(或该网络可能在的网络)，然后把包发送到适当的网络接口由于 IPv4 采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，所以随着连入网络数目的增涨，路由器数目飞速增加，决定数据传输路由的路由表也就不断增大。随着采用 IPv4 的网络和设备越来越多，路由器，尤

11、其是 Internet 核心路由器的路由表内容也迅速增加。研究数据表明，1995 年，只有大约 35，000 条路由被存放在核心路由器的路由表中，而 5 年之后则达到了 120，000，现在这个数字还保持快速增长，路由器尤其是核心路由器逐渐成为网络性能的瓶颈之一。2.3 网络服务质量不能保证网络服务质量不能保证IPv4 的 QOS 标准，在实时传输支持上依赖于 IPv4 的服务类型字段(TOS)和使用 UDP 或 TCP 端口进行身份认证。但 IPv4 的 TOS 字段功能有限，而同时可能造成实时传输超时的因素又太多。此外，如果 IPv4 数据包加密的话，就无法使用 TCPUDP 端口进行身份

12、认证。今天乃至将来，有很多的业务应用都希望在互联网上进行。在这些业务中包括对时间透明性和带宽要求很高的实时多媒体业务，如语音、图像等，还包括对安全性要求很高的电子商务业务以及发展越来越迅猛的移动 IP 业务等，甚至可能将来还会包括触觉等等。这些业务对网络QOS(Quality of Service)的要求各不相同。但是，IPv4 在设计时没有引入 QOS这样的概念，设计上的不足使得它很难相应地提供丰富的、灵活的 QOS 选项。2.4 安全问题安全问题在 IPv4 中，很长时间以来，都认为安全性不是网际层的任务。在这种情况下，安全性意味着对净荷数据的加密。其他安全性概念还包括对净荷的数字签名、密

13、钥交换、实体的身份验证和资源的访问控制。这些功能一般由较高层处理，通常是应用层，有时是传输层。例如，广泛应用的安全套接字层协议由 IP之上的传输层处理，而应用相对较少的安全 HTTP 则由应用层处理。这些问题都是 IPv4 的薄弱环节、致命弱点。同 Internet 不断提升对移动性、安全性以及多媒体业务等支持，IPv4 都无法满足。3 IPv6 的优势的优势下一代网际互联协议是在 1998 年由 RFC2460 标准化的第六版本(以下简称IPv6)。IPv6 在继承 IPv4“端到端”和“尽力而为(Best Effort)”的基础上，针对 IPv4 的不足和对 Internet 的未来发展预

14、侧，对 IPv4 做了大幅度的根本性变革和功能扩充，因而具有许多新的特性2。3.1 地址容量极大扩展地址容量极大扩展长为 128 位的 IPv6 地址足以提供几乎无限的口地址资源。可以让地球上每个人都拥有比现在 IPv4 地址空间还要多的地址，这将极大地满足伴随Internet 的爆炸式增长和随着网络智能设备的出现而对地址增长的需求。3.2 新报头格式新报头格式新 IPv6 包头的设计原则是力图将包头开销降到最低，具体做法是将一些非关键性字段和可选字段移出包头，置于 IPv6 包头之后的扩展包头中，因此尽管IPv6 地址长度是 IPv4 的四倍，但包头仅为 IPv4 的两倍。改进后的 IPv6

15、 包头在中转路由器中处理效率更高。由于两者的包头没有互操作性，且 IPv6 也并非是可向后兼容 IPv4 的功能扩展集，因此为了识别和处理这两种包头格式，必须在主机和路由器中分别实现 IPv4 和 IPv6。3.3 改进的路由结构改进的路由结构IPv6 采用类似无类域间选路(CIDR)的地址聚类机制的地址结构，其网络前缀可以进一步细分成多个层次的网络，其中包括 13 位的顶级聚合标识(TLA)、24 位的次级聚合标识(NLA)和 16 位的站点级聚合标识(SLA)。这样不仅可以定义非常灵活的地址层次结构，而且同一层次上的多个网络在上层路由器中表示为一个统一的网络前缀，从而有效地对地址进行聚合，

16、减少路由器必须维护的路由表项。按照 13 位的 TLA 计算，一个核心主干路由器在理论上只需要维护不超过 8192 个表项，这明显降低了路由器的寻路和存储开销。其次，IPv6 采用固定长度的基本报头，不但简化了路由器的操作，降低了路由器处理分组的开销，而且便利用硬件处理路由信息成为可能。在基本报头之后，还可以附加不同类型的扩展报头，为定义可选项以及新功能提供了灵活性。此外，IPv6 采用更合理的分段方法，即只有源端主机才允许对数据报进行分段，途经的数据报并不进行分段处理。这简化了路由器的工作，有利于提高转发效率。3.4 支持即插即用支持即插即用IPv6 把自动将 IP 地址分配给用户的功能作为

17、标准功能。只要机器一连接上网络便可自动设定地址。它有两个优点。一是最终用户用不着花精力进行地址设定，二是可以大大减轻网络管理者的负担。IPv6 有两种自动设定功能。一种是和 IPv4 自动设定功能一样的名为“全状态自动设定”功能。另一种是“无状态自动设定”功能。在 IPv4 中，动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)实现了主机 IP 地址及其相关配置的自动设置。一个 DHCP 服务器拥有一个 IP 地址池，主机从 DHCP 服务器租借 IP 地址并获得有关的配置信息(如缺省网关、DNS 服务器等)，由此达到自动设置主机口地址的目的。

18、IPv6 继承了 IPv4 的这种自动配置服务，并将其称为全状态自动配置(Stateful Autoconfiguration)。3.5 更好的更好的 QOS 支持支持IPv6 包头的新字段定义了数据流如何识别和处理。IPv6 包头中的流标识(Flow Label)字段用于识别数据流身份，利用该字段，IPv6 允许终端用户对通信质量提出要求。路由器可以根据该字段标识出同属于某一特定数据流的所有包，并按需对这些包提供特定的处理。由于数据流身份信息包含在 IPv6 包头中，因此即使是经过 IPSec 加密的数据包也可以获得 QOS 支持。3.6 可扩展性可扩展性IPv6 特性具有很强的可扩展性，新

19、特性可以添加在 IPv6 包头之后的扩展包头中。不象 IPv4，包头最多只能支持 40 字节的的可选项，IPv6 扩展包头的大小仅受到整个 IPv6 包最大字节数的限制。基于以上改进和新的特性，IPv6 成为下一代互联网的核心通信协议，它为互联网换上了一个简捷、高效的引擎，不仅可以解决 IPv4 目前的地址短缺难题，而且可以使国际互联网摆脱日益复杂、难以管理和控制的局面，从而变得更加稳定，可靠、高效和安全3。4 过渡技术设计规则与三种基本过渡技术过渡技术设计规则与三种基本过渡技术4.1 过渡技术设计规则过渡技术设计规则IPv6 协议设计者们最初的“IP 下一代协议建议”规范中定义了过渡的规则（

20、1）现有的主机能在任何时候进行升级，与其他主机或者路由器的升级是完全独立的。（2）仅使用 IPv6 协议的新主机可以在任何时候被加入，完全不依赖与其他主机或者路由器的结构。（3）现有的 IPv4 主机在安装了 IPv6 协议 之后，能够继续使用 IPv4 地址且不需要使用额外的地址。（4）将现有的 IPv4 节点升级到 IPv6 或者部署新的 IPv6 节点，都只需要较少的准备。4.2 三种基本过渡技术三种基本过渡技术4.2.1 双栈技术（双栈技术（Dual Stack）双栈技术是指单个节点同时支持 IPv4 和 IPv6 两种协议，支持双协议的节点技能与支持 IPv4 协议的节点通信，又能与

21、支持 IPv6 协议的节点通信，这样的节点也被称为 IPv6/IPv4 节点。IPv6/IPv4 节点通常是采用一种双 IP 层结构来实现的如图 1 所示。图图 1 1 双协议层结构 图图 2 2 双协议栈结构但在实际应用中这种双 IP 层结构可能会有所变形。如图 2 所示，协议栈包含了传输层得 TCP 和 UDP 协议的不同实现方案。双协议栈技术是使 IPv6 节点与 IPv4 节点互联的最直接的方式，其应用对象是主机、路由器等通信节点。支持双协议栈的 IPv6 节点与 IPv6 节点通信时使用 IPv6 协议，与 IPv4 节点通信时使用 IPv4 协议。支持双协议栈的节点接收到数据报时，

22、拆开并检查，如果 IPv4/IPv6 头中第一个字段的版本是 4，该报就由 IPv4 栈来处理；若为 6，则由 Ipv6 栈来处理。双协议栈技术的优点，就是能够同时支持 IPv4 协议栈和 IPv6 协议栈，因此，适用于任何 IPv4 网络和 IPv6 网络。但从另一方面来看，双协议栈技术也存在着诸多缺点，比如：不能从根本上解决网络地址耗尽这个问题；在运行两套协议栈的时候需要两个路由的支持，这样会增加网络的复杂程度和运行的成本；双协议栈技术借助于同一物理网络进行报文传输，在实质上并未进行网络升级。鉴于以上缺点，双协议栈技术并不是由 IPv4 向 IPv6 过渡的最佳技术。4.2.2 隧道技术隧

23、道技术在广泛使用的 IPv4 网络中出现一些采用 IPv6 协议的网络，这些网络之间有数据通信时需要跨越 IPv4 网络，将 IPv6 数据报作为数据封装在 IPv4 数据报中，通过 IPv4 网络进行传输，这就是隧道技术。隧道对于源站点和目的站点是透明的。基于 IPv4 隧道的 IPv6 分组传送分为 3 个阶段即：封装、隧道传输和拆封。隧道的端点可以是主机或者路由器，但都必须是双协议栈的节点，它们连接两种网络，进行报文的封装与拆封。在隧道入口处，入口端点将 IPv6 报文封装到 IPv4 报文中，IPv4 报文的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口 IPv4 地址。封装后的 IPv4 报文

24、将通过 IPv4 的路由器进行传输。在隧道的出口处，出口端点对 IPv4 报文进行拆封，将 IPv6 报文取出来，转发给目的站点。由于隧道技术只要求在隧道的入口和出口端对报文进行封装和拆封，传输过程如普通 IPv4 数据一般传输，所以这种技术是易于实现。隧道技术的优点实现了两种网络之间的互通；隧道的建立非常简单，不需要其他的开销；不需要对应用程序进行改变，因此具备良好的可扩展性。但是隧道技术也存在着一个缺点，那就是：隧道技术可以解决 IPv6 网络之间的通信，但是不适用于 IPv6 网络与 IPv4 网络之间的通信。4.2.3 翻译技术翻译技术翻译技术是指在纯 IPv4 网络（主机）和纯 IP

25、v6 网络（主机）之间实现互通的技术。该技术将发往 IPv6 节点的 IPv4 分组按字段逐一翻译成 IPv4 分组，使之能被目的节点正确接收和识别。翻译技术根据翻译器位于网络中的位置分成网络层翻译器、传输层翻译器和应用层翻译器。翻译技术有很多具体实施方案，目前基于主流的是 NAT PT 技术。采用NAT-PT 方式进行过渡的优点是不需要进行 IPv4，IPv6 节点的升级改造，缺点是 IPv4 节点访问 IPv6 节点的实现方法比较复杂，网络设备进行协议转换、地址转换的处理开销较大。5 基于基本过渡技术的派生基于基本过渡技术的派生5.1 同种网络之间的通信同种网络之间的通信同种网络之间的通信

26、是指 IPv4 海洋中 IPv6 孤岛之间的通信和 IPv6 海洋中IPv4 孤岛之间的通信，是 IPv4/IPv6 过渡前期和后期需面临的问题。下面将以过渡前期为例介绍几种主要派生方案，过渡后期的派生方案原理类似5.1.1 手工隧道手工隧道 隧道建立需要手工配置，且隧道两端所在网络的管理员要写作完成。隧道端点地址由配置来决定，IPv6 域内节点不需要特殊 IPv6 地址。路由器支持双栈，在具体配置中需要手动使用相关命令对路由器进行 IPv4 地址、IPv6 地址设置，并添加 IPv4 路由。手工隧道示意图如图一所示。图图 1 1 手工隧道示意图5.1.2 自动隧道方案自动隧道方案自动隧道的隧

27、道终点指定不需要手动配置，使实际配置和使用灵活方便。自动隧道根据寻找隧道终点方式的不同主要有以下几种：（1）自动配置隧道自动配置隧道的建立和拆除是动态的，端点根据分组目的地址确定，隧道两个端点需要支持双栈。IPv6 域内站点采用兼容 IPv4 的 IPv6 地址，且每台主机均需全球唯一 IPv4 地址，因此该机制不能解决 IPv4 地址耗尽的问题。（2）6 over 4 隧道Ipv6 over IPv4 隧道利用 IPv4 多播机制来实现虚拟链路，需求站点支持多播且站点内主机和路由器都支持 IPv6 over IPv4，即将 IPv6 链路本地地址硬是到 Ipv4 多播域，相当于 IPv4 多

28、播机制模拟 IPv6 邻居发现3。一旦发现IPv6 的邻居，IPv6 主机就自动建立隧道通过 IPv4 网络。（3）6 to 4 隧道6 to 4 隧道采用 6 to 4 地址，这种地址自动从站点 IPv4 地址派生出来，以 2002 开头后面有 32 位 IPv4 地址转化成的 32 位 16 进制地址表示，形成 48位 6 to 4 机制的节点需要有全球唯一的 IPv4 地址。因此 6 to 4 隧道端点的IPv4 地址可从 Ipv6 地址中提取，自动建立隧道。（4） ISATAP 隧道ISATAP,栈间自动隧道寻址协议，是一种地址分配、主机到主机、主机到路由和路由到主机的自动隧道机制。能

29、是 IPv4 局域网中孤立的双栈主机能够建立与双栈路由器的 IPv6 单播连接，进行相应配置并连接到外部 IPv6 网络。（5）隧道道理（Tunnel Broker）隧道代理相当于 IPv6 网络的 ISP，它自动处理来自网络节点的隧道请求，隧道客户通过请求一条隧道从隧道代理那里获得持久的地址或者网络前缀，从而使孤立 IPv6 节点跟隧道提供者的 IPv6 环境互通4。隧道代理实质上是一种方便构造隧道的机制，简化隧道配置过程。 5.2 IPv4 网络与网络与 IPv6 网络之间的通信网络之间的通信在 IPv4/IPv6 过渡阶段，除了要解决 Ipv4 海洋中 IPv6 孤岛之间的通信和IPv6

30、 海洋中 IPv4 孤岛之间的通信问题外，许多情况下还要满足 IPv4 网络（主机）与 IPv6 网络（主机）之间的通信要求，主要的派生方案有以下几种：5.2.1 有限双栈模型有限双栈模型有限双栈模型是在双栈技术基础上进行了改进，这种模型的服务器和路由器仍然支持双栈，而非服务器的主机只需要支持 IPv6 协议5.2.2 DSTM 机制机制该机制将双协议栈计时与隧道技术相结合，能实现以 IPv6 为主的网络与一些没有实现双协议的 IPv4 节点之间的通信。DSTM 体系包括三个主要的部分：DSTM 服务器、网关和 DSTM 节点。DSTM 负责为客户节点分配 IPV4 地址并保证一定时间内 IP

31、v4 地址的唯一；网关作为隧道端点承担纯 IPv6 域和外部 IPv4 域边界路由角色，为全球唯一且固定的 IPv4 地址；DSTM 节点执行封装/解封装数据报和解法数据包，DSTM 节点必须是双栈的5 。运用 DSTM 机制的网络结构如图2 所示。图图 2 2 运用 DSTM 机制的网络结构图5.2.3 NAT PTNAT - PT 是工作在网络层的翻译器, 它利用翻译网关在 IPv4 和 IPv6 网络之间转换 IP 报头地址, 根据不同协议对分组做相应的语义翻译, 使纯IPv4/IPv6 站点之间能够透明通信。它与 IPv4 下的 NAT 相似, 在地址转换的基础上可以进一步加入端口转换

32、, 构成 NAPT - PT。NAT - PT 系统结构如图 3所示。图图 3 NAT- PT 系统结构图5.2.4 BISBIS(Bump-In-The-Stack) 是工作在网络层的翻译器, 允许在 IPv4 主机上运行不支持 IPv6 的应用程序和纯 IPv6 主机通信。该机制主机双栈, 通信时主机 IPv6 地址映射到本地双栈主机地址池中一个 IPv4 地址, IPv4 报文按照无状态的 IP 协议和 ICMP 协议翻译(SIIT)被翻译成 IPv6 报文。5.2.5 TRT TRT 机制是工作在传输层的翻译器, 提供 TCP / UDPv6 与 TCP/ UDPv4 交谈间的转译功能

33、。TRT 机制将 IPv4 的 TCP 或 UDP 连接与 IPv6 的 TCP 或 UDP 连接联系起来, 在传输层实现协议转换。每个连接都是真正的 IPv4 或 IPv6 连接, 避免 IP 分组分片和 ICMP 报文转换带来的问题, 但一些存在内嵌地址信息的高层协议(如 FTP) 需要和应用层协作完成。5.2.6 BIABIA 机制是工作在应用层的翻译器, 双栈主机的 Socket API 模块和 TCP/IP模块间插入一个 API 翻译器, 进行 IPv4 Socket API 函数与 IPv6 Socket API 函数之间的相互翻译。BIA 技术同 BIS 相比要简单些, 只在 A

34、PI 层而不是协议栈的层次上进行分组翻译, 不需要对 IP 包头进行翻译。5.2.7 SOCKS64 技术技术SOCKS64 技术是在 SOCKS 协议上的扩展, 通过一个双栈网关来进行 IPv4 和IPv6 的地址转换, 相当于 IP 层的代理,其原理如图 4 所示。它增加了两个新功能部件* Socks Lib*和* Gateway* 。* Socks Lib* 是在客户机一端引入的, 位于应用层和 Socket DNS 层之间, 替代应用程序的 Socket API 和 DNS 域名解析 API。* Socks Lib* 中有一个 DNS 域名解析表, 在源节点全权代表到中继服务器(网关

35、G)的域名解析行为。* Gateway* 是安装在 IPv6/IPv4 双栈网关上的增强型 SOCKS 服务器, 可完成客户机 C 和目的端 D 间任何协议组合类型中继。当* Socks Lib* 调用中继时, 由父* Gateway* 来产生一个* Gateway* 进程负责中继连接6 图图 4 4 socks64 技术通信原理.8 河南农业大学信息化中心河南农业大学信息化中心 CNGICNGI 驻地网的设计和实现驻地网的设计和实现（1）协议选择和网络结构河南农业大学信息化中心 CNGI 驻地网是在 IPv4 网络基础上建设，原则求保留原有 IPv4 应用和服务，节约成本，因

36、此在核心协议的设计上选用 IPv4 与IPv6 共存的双协议栈模式。河南农业信息化中心原有 IPv4 局域网是河南农业大学校园网的一部分。河南农业大学校园网是 IPv4 千兆以太网，采用了三层结构，即核心层、汇聚层和接入层，河南农业信息化中心 IPv4 网络的设备和线路在校园网中涉及到两层：汇聚层、接入层。遵循尽量少地改变原有网络结构、充分利用原有设备和线路，又建成 IPv6 网络的原则，在河南农业信息化中心汇聚层设备之上新增双栈IPv6 核心设备，形成三层的 CNGI 驻地网网络结构，见图 5。该网络结构中，汇聚层设备由原来的 IPv4 更换成双栈设备，IPv6 核心设备以双栈链路向下连接汇

37、聚层、向上以 IPv4 链路连接 IPv4 校园网、以 IPv6 链路连接 CNGI 国家主干网。CNGI/CERNET2IPv4 Campus NetworkLabs of Basic CoursesSoftware LabsTeachers RoomsNetwork LabERP LabR&D RoomsOffice AreaCore Node in ZhengZhou CityS7502EServersIPv6 TunnelS5510ISATAP ServerDual-Stack UsersISATAP UsersGigabit FiberUTPStatic TunnelISAT

38、AP TunnelIPv6/v4IPv6/v4IPv4图图 5 5 河南农业信息化中心 CNGI 驻地网结构（2）Ipv6 地址规划地址规划是驻地网络建设的基础，是影响网络性能、效率和可扩展性的重要因素。IPv6 将地址长度扩展到了 128 位，按 RFC3177 规定，Internet 注册机构一般以 48 位全球路由前缀向驻地网分配 IPv6 地址块。用户再根据需要以一定策略规划 16 位子网 ID，形成 64 位子网前缀分配给子网。最后 64 位用作接口 ID。驻地网 IPv6 地址格式可由图 6 表示。 48 位 16 位 64 位全球路由前缀 子网 ID 接口 ID图图 6 驻地网

39、IPv6 地址格式由 IPv6 地址结构可知，科学分配驻地网内 IPv6 地址的关键是 16 位子网 ID的规划。在校园网中，管理者倾向于按属性对用户分类，以期提供不同的服务质量和采用不同的管理方式。例如学生宿舍往往 P2P 流量很大、安全事件频发，可以划归一类，限制上网时段、流量并采用最严格的安全威胁监测手段；而对教师则具有更高的优先级和网络带宽。此种情况，可以将 16 位子网 ID 划分为两部分：用户属性域、部门代码域。用户属性表示用户的身份，学生、教师、管理人员等；部门代码表示用户所在的部门、院系等。有些企业驻地网希望按业务类型进行分类，如普通业务、实时业务等，通过区分业务为用户提供有差

40、异的服务质量等级。对此类需求，在规划子网 ID 时，可以参考基于用户属性的分配方法，将用户属性域用作业务类型域，部门代码用于表示部门或楼宇。河南农业信息化中心是在 IPv4 网络基础上建设双栈 IPv6 网络，平滑升级。在建网过程中，为保证原有网络和应用正常运行，为统一管理 IPv4 和 IPv6 地址的方便高效，维持原有子网划分、网关和 IPv4 地址不变，IPv6 地址的规划分配采用从 IPv4 地址映射到 IPv6 地址的方法。映射规则如下。32 位 IPv4 地址包括子网号和主机号两部分，IPv6 地址中也含有作用类似的子网 ID 和接口 ID，可以寻找对应的转化规则。驻地网中所用 I

41、Pv4 子网掩码长度以 24 位居多，通常不超过 28 位，即子网号长度不超过 28 位，可以用图 7所示规则进行地址映射，图中省略了 IPv6 地址的 48 位前缀。驻地网 IPv4 地址的前两个字节变化很少，绝大部分情况下不会超过 16 种，河南农业信息化中心只有 202.196、59.70、192.168、10.0 等几个，所以可以将 IPv4 地址前两字节（图 7 中 IPv4 地址 A 域）映射到 IPv6 子网 ID 的前 4 位（图 7 中 IPv6 地址 X域） 。比如 202.196 映射到 0001，59.70 映射到 0010 等。IPv4 地址中间 12 位（图 7 中

42、 IPv4 地址 B 域）映射到 IPv6 接口 ID 的后 12 位（图 7 中 IPv6 地址Y、Z 域） 。当然，也可以根据实际 IPv4 地址分配情况灵活确定 X、Y、Z 域的长度，但要有一定前瞻性保证可扩展。AAAAAAAA AAAAAAAA BBBBBBBB BBBB CCCCAAAA BBBBBBBB BBBB CCCC. .CCCCIPv4 地址IPv6 子网 IDXYZIPv6 接口 ID图图 7 地址映射规则示意网关和服务器等使用静态 IP 地址的设备，可以通过将其 IPv4 地址的主机号部分（图 7 中 IPv4 地址 C 域）扩展若干个 0 达到 64 位后映射成 IP

43、v6 地址的接口 ID，生成 IPv6 地址。例如，某服务器的 IPv4 地址是79/28，IPv6 全球路由前缀是 2001：0DA8：5007：/48，使用上述规则可以得到其 IPv6 地址为 2001：0DA8：5007：150B：3/64。除子网掩码长度为 28 的 IPv4 地址外，还会有子网掩码为 30 位的 IPv4 地址，一般用于路由设备间直接相连的特殊子网，这样的子网中只有两个接口，需要两个 IP 地址即可。对于这种接口，其 IPv6 地址一般手工配置，IPv6 接口ID 可以少于 64 位，也就是说使用网络前缀大于 64 位的 IPv6 地址。比如使

44、用 96 位网络前缀（子网 ID 增加 32 位到 48 位） ，32 位接口 ID，这时候可以将 IPv6 子网 ID 的 X、Y 和 Z 域置为特殊值全 0。IPv4 地址的子网号30 位向后填充 2 个 0 扩展到 32 位，然后映射到 Z 域后的 32 位。IPv4 地址最后2 位主机号映射到 32 位接口 ID 的最后 2 位，再在前填充 30 个 0 构成 32 位接口 ID。例如 IPv4 地址 53/30，IPv6 全球路由前缀仍为2001：0DA8：5007：/48，使用上述方法进行映射后，其对应的 IPv6 地址是2001：0DA8：5007：0000：

45、3B46：3FFC：1/96。（3）河南农业信息化中心 CNGI 驻地网的实现在 CNGI 驻地网实施中，接入层原有交换机和线路维持不变，汇聚层替换成双栈路由交换机，使用 H3C S5510 千兆路由交换机，核心层为新增双栈路由交换机，使用 H3C S7502E 千兆路由交换机，汇聚层与核心层之间采用双千兆光纤链路，具有备份能力。之所以选择 H3C 的设备，一方面因为 H3C 技术成熟，全面支持 IPv6 及过渡方案，功能和性能都能满足建网需要，价格适中；另一方面因为河南农业大学校园网大量设备为华为和 H3C 产品，便于无缝对接和统一管理。核心设备 S7502E 作为本驻地网的出口，以千兆光纤

46、上连校园网核心设备，同时通过 IPv6 in IPv4 静态隧道上连 CERNET2 主干网郑州节点。该隧道两端地址如下：本端：IPv6: 2001:da8:a5:f:11:2/80，IPv4: 54远端：IPv6: 2001:da8:a5:f:11:1/80，IPv4: 70出口设备上连通 CERNET2 主干网的 IPv6 路由为默认路由：:/0:/0 2001:da8:a5:f:11:12001:da8:a5:f:11:1 tunnel2/0/1tunnel2/0/1从中国教育科研网信息中心获得 IPv6 地址块 2001：0DA8：5007：

47、/48，在本 CNGI 驻地网内进行地址分配。不改变原有子网划分，用 IPv4 地址映射到IPv6 地址的方法，用户 IPv6 地址分配如下：编号区域IPv6 地址IPv6 网关1开放实验室2001:da8:5007:30f0:/642001:da8:5007:30f0:12基础实验室 12001:da8:5007:3100:/642001:da8:5007: 3100:13ERP 实验室2001:da8:5007:3110:/642001:da8:5007: 3110:14基础实验室 22001:da8:5007:3120:/642001:da8:5007: 3120:15报告厅2001:d

48、a8:5007:3130:/642001:da8:5007: 3130:16软件实验室2001:da8:5007:3140:/642001:da8:5007: 3140:17Java 实训区2001:da8:5007:3150:/642001:da8:5007:3150:18教研室+研发中心2001:da8:5007:31f0:/642001:da8:5007: 31f0:19网络实验室2001:da8:5007:3390:/642001:da8:5007: 3390:110公共服务器区域2001:da8:5007:23f0:/642001:da8:5007:23f0:111ISATAP 用户

49、2001:da8:5007:ffff:/642001:da8:5007:ffff:1表 1 IPv6 地址分配表在驻地网内搭建了 ISATAP、DNS、WWW、FTP 等 IPv6 服务，驻地网内用户用双栈主机直接接入，河南农业大学用户用 ISATAP 自动隧道接入驻地网，使用CNGI 的 IPv6 应用和服务。5.3 各种派生方案之间的比较各种派生方案之间的比较上文介绍了 IPv4 海洋中 IPv6 孤岛之间和 IPv4 网络与 IPv6 网络之间两类通信场景中,常见派生过渡方案的基本原理。而各种方案都有自身的优点、不足和适用特点, 下面将分不同通信场景对派生方案进行分析比较, 如表 1 所

50、示。通信场景派生方案优点 不足使用特性手工隧道手工配置隧道端点地址，无需分配特殊 IPv6 地址。站点需要有唯一的IPv4 地址；不易维修7 。经常通信的 IPv6 站点之间。自动配置隧道只需配置起点，终点由目的地 IPv6地址中内嵌 IPv4地址来决定，维护方便。采用该机制的主机均需唯一 IPv4 地址，不能解决 IPv4地址匮乏问题。IPv4 网络中 IPv6节点间的随机通信。同种网络之间的通信（IPv4 海洋中IPv6 孤岛之间的通信）6 over 4 隧道IPv6 组播映射成IPv4 组播，实现邻多播在实际应用中使用较少。适合站点内部使用。居发现。6 to 4 隧道只需一个全球唯一IP

51、v4 地址；该机制不会导致 IPv4路由表引入新条目。需要使用特殊 IPv6地址。有较多分支且内部使用私有地址和NAT 技术的机构，建立虚拟 IPv6 外部网。ISATAP 隧道跨 IPv4 网络的设备 IPv6 地址自动配置。需要使用特殊 IPv6地址。IPv4 网络中的IPv4/lPv6 节点间通信。隧道代理专用隧道服务器提供便捷的接入方式，可自动管理隧道请求。隧道自动切断技术还不成熟且认证方面存在安全漏洞。单个主机获取 IPv6连接及站点间通信。有限双栈隧道可以节省 IPv4 地址资源。需与 IPv4/IPv6 地址协议转换技术结合使用。IPv4 与 IPv6 之间通信不是非常频繁的环境

52、。DSTM协议对网络和应用程序均是透明的； 域内无需 IPv4 路由器，网络更易管理。不支持不对称路径且存在网络延迟。IPv6 网络为主的网络通信。NAT PTIPv4 用户终端不需要升级改造。需 IPv4 地址并分配地址池；不支持IP 协议端到端特性。纯 IPv6 网络与纯IPv4 或 IPv4 与IPv6 混合网络边界。BIS可在主机直接进行IPv4 与 IPv6 数据包之间的翻译。需对客户端主机进行升级。运行不支持 IPv6应用程序的 IPv4单栈主机与 IPv6主机通信。IPv4 网络与 IPv6网络之间的通信TRT不需对交谈启动端纯 IPv6 主机进行修改且可避免 IP分组分片和 ICMP报文转换可能出现不支持内嵌地址信息的高层协议，如FTP。IPv6 单栈主机与IPv4 单栈主机间建立 TCP/UDP 连接。的问题。BIA可在主机 API 层直接进行 IPv4 与IPv6 数据包间翻译。需要对客户端主机进行升级。运行不支持 IPv6应用程序的 IPv4单栈主机与 IPv6 主机通信。SOCK S64双栈网关可进行IPv4 和 IPv6 地址转