网络工程毕业设计（论文）-基于双协议栈实现IPv4到IPv6过渡的毕业设计.doc

毕 业 论 文（设计）论文（设计）题目：基于双协议栈实现IPv4到IPv6过渡的设计系 别： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 时 间： 毕 业 论 文（设 计） 开 题 报 告系别:计算机与信息科学系 专业:网络工程学 号姓 名论文（设计）题目基于双协议栈实现IPv4到IPv6过渡的设计命题来源教师命题 学生自主命题 教师课题选题意义:本选题的目的是在基于双协议栈实现IPv4到IPv6的平滑过渡。 随着互联网应用的飞速增长，当前的互联网协议IPv4的缺点已经越来越突出。 IPv6作为IETF确定的下一代互联网协议，有望彻底解决IPv4存在的问题。IPv6协议解决IPv4协议中地址枯竭，安全性不足以及移动性差等问题，但是，从IPv4到IPv6是一个逐渐演进的过渡过程，在 IPv6完全取代IPv4之前，两种协议不可避免地有很长一段共存期。在初始阶段，孤立的IPv6网络和大量的IPv4网络共存，随着IPv6的大规模发展，出现骨干Internet网络逐渐过渡到IPv6为主的阶段，本文基于双协议栈的过度技术进行研究，双栈机制是使IPv6节点与IPv4节点兼容的最直接的方式，在IPv6发展过程中该项技术可以帮助IPv6业务在现有的成熟的IPv4网络基础架构上进行各种业务的互操作，逐步解决IPv4网络存在的问题，实现现有的IPv4网络向IPv6网络的平稳过渡，更重要的是使得IPv4网络和IPv6网络的互通性好,还能保障Internet网络长期稳定运行。对于目前的网络环境来说,实现完全的双协议栈网络不需特殊配置,业务开展非常方便,对于IPv6的试验应用和业务也很有利,是目前开展IPv6网络试验的重点之一。研究综述: IPv6已被认为是下一代互联网络协议核心标准之一，是为了解决IPv4存在的问题：安全性不高、路由表过度膨胀等，特别是IPv4地址的匾乏而应运而生的,对于IPv4仍然很好的支撑着的Internet而言，IPv6协议得到广泛应用需要一个过程。使用IPv6协议栈并希望能够与当前的Internet正常通信，研究者们必须开发出IPv4 / IPv6互通技术以保证IPv4能够平稳过渡到IPv6，为了解决由IPv4向IPv6过渡问题和高效无缝互连问题，国际上，IETF组建了专门的working group即NGTRANS工作组来处理这个问题。目前已经出现了多种过渡技术和互连方案，这些技术各有特点，用于解决不同过渡时期、不同环境的通信问题。有一些已经相当成熟并形成了RFC，有一些还只是作为Internet draft，有待进一步完善。目前，解决IPv4网络向IPv6过渡问题成熟的技术主要有三种：双协议栈技术（Dual Stack）、隧道技术（Tunnel）、协议翻译技术（NAT-PT）。本文主要研究双协议栈过渡技术： （1）基本原理：主机同时运行IPv4和IPv6两套协议栈，同时支持两套协议。这是使IPv6节点保持 与纯IPv4节点兼容最直接的方式，针对的对象是通信端节点（包括主机、路由器）。支持双协议栈的ipv6节点与ipv6节点互通时使用ipv6协议栈，与ipv4节点互通时借助于4over6使用ipv4协议栈。 （2）IPv4/IPv6双协议栈结构：这是在同一个节点启用两种协议的协议栈结构，尽管两者都基于相 同的物理平台，但由于IPv6和IPv4是不兼容的两种网络层协议, 而加载于其 上的传输层协议TCP和UDP也有所不同，故形成了双协议栈结构，如下图1所示：图1 双协议栈结构 （3）双栈方式的工作机制：链路层解析出接收到的数据包的数据段，拆开并检查包头。如果IPv4/IPv6 包头中的第一个字段，即IP包的版本号是4，该包就由IPv4的协议栈来处理；如果 版本号是6，则由IPv6的协议栈处理。研究的目标和主要内容：本选题主要研究双协议栈技术在IPv4到IPv6过渡过程的应用，根据双协议栈的基本理论并结合模拟软件Dynamips GUI来搭建一个虚拟的网络环境，该虚拟网络环境是由IPv4“海洋”和IPv6“小岛”组成，在IPv4“海洋”和IPv6“小岛”的边界设备（节点）上应用双协议栈技术模拟从IPv4网络向IPv6网络过渡的过程，以达到由IPv4到IPv6网络的平滑过渡。本选题研究内容如下： (1)对IPv4和IPv6协议的相关特性、现状、发展方向进行详细的介绍，分析和研究； (2)介绍现在的由IPv4到IPv6的主流过渡技术特点和现状，并通过对比简述各种过渡技术的优劣； （3）详细介绍双协议栈技术的基本原理、分类以及主要应用的网络环境； （4）利用Dynamips GUI模拟器搭建虚拟的IPv4和IPv6共存的过渡性网络环境，配置好相应的网络 设备，在虚拟网络中采用双协议栈技术实现IPv4网络和IPv6网络的互联，并详细记录实验过 程所遇到的问题； （5）测试IPv4网络与IPv6网络间的互通性，给出并分析相应的参数； （6）详述在实验过程所遇到的问题，并作详细分析，提出相应的解决方法； （7）根据实验整个过程，分析采用双协议栈技术在IPv4到IPv6迁移过程中的局限性和可行性。拟采用的研究方法a）查找并阅读相关资料，了解基本的内容，掌握技术原理；b）搜寻实验用的技术文档和研究过程中用到的软件详细使用手册；c）根据已有的资料设计一个IPv4和IPv6共存的实验网络环境并利用软件来搭建这样一个实验；d）采用测试方法检查IPv4网络和IPv6网络的互通性。研究工作的进度安排2010年12月01日12月10日 与指导老师沟通交流，完成毕业论文选题2010年12月15日12月18日 搜集资料，查阅文献，完成开题报告并完成文献综述l2011年01月10日01月15日 设计虚拟网络环境l2011年01月16日02月10日 搭建该网络环境并记录详细的实验过程l2011年02月12日02月15日 对实验进行调试和测试l 2011年02月16日02月27日 整理相关实验资料并完成概要l2011年03月01日03月06日 根据整理出来的资料，完成毕业设计论文初稿2011年03月10日03月15日 修改毕业论文定稿，打印装订，准备参加答辩参考文献目录1 Joseph Davies美. 深入解析IPv6（第二版）M.杨秩，苏啸鸣，吴超译.北京:人民邮电出版社，20092 Qing Li美，Tatuya Jinmei，Keiichi Shima日.IPv6详解M.卷1/卷2 陈涓, 赵振平译.北京:人民邮电出版社，20093 Ciprian Popoviciu，Eric Levy-Abegnoli, Patrick Grossetete美.部署IPv6网络M.王玲芳, 张武, 赵志强译.北京:人民邮电出版社，20074 Diane Teare, Catherine Paquet美.CCNP学习指南：组建可扩展的Cisco互联网络(BSCI)M.陈宇, 袁国忠译.北京:人民邮电出版社，20075 Regis Desmeules美. CISCO IPv6网络实现技术M. 北京:人民邮电出版社， 2005.6 张宏科，苏伟IPv6路由协议栈原理与技术M北京:邮电学院出版社，20067W.Richard Stevens美.TCP/IP详解卷1：协议M.范建华译.北京：机械工业出版社，20008Gary R.Wright，W.Richard Stevens美.TCP/IP详解卷2：实现M.陆雪莹译.北京：机械工业出版社，20009伍孝金IPv6技术与应用.M.北京：清华大学出版社，201010Ciprian Popoviciu, Eric Levy-Abegnoli, Patrick Grossetete美.部署IPv6网络M. 王玲芳, 张武, 赵志强译.北京：人民邮电出版社，2007指导教师意见该生的选题拟采用双协议栈技术实现IPv4到IPv6过渡，难度适中，也有实用价值，工作量符合要求，同意开题。 签名： 年 月 日教研室主任意见同意指导教师意见，同意开题。 签名： 年 月 日 目 录摘要1关键词1引言11 IPv4过渡到IPv6的必然性2 1.1 报文格式对比 2 1.2功能的差异 22 过渡遵循的基本原则33 双协议栈工作原理3 3.1 原理4 3.2 工作方式约定4 3.3 双协议栈的模型54 网络环境模拟6 4.1 网络环境模拟软件6 4.1.1 GNS36 4.1.2 VMware Workstation6 4.2 过渡方案设计6 4.2.1 试验环境7 4.2.2 网络配置7 4.2.3 模拟测试结果 95 总结 10参考文献 10Abstract 10Key words11致谢 11 基于双协议栈实现IPv4到IPv6过渡的设计 网络工程专业 指导教师 摘要 如今，由于Internet的规模的不断地增大，庞大的网络设备需要更多的IPv4地址资源，然而目前的IPv4地址已无法满足Internet的高速地发展，再者就是物联网的逐步由实验室走到现实生活，无疑让本来就稀缺的IPv4地址资源更显不足。由此看来，新的地址协议IPv6取代IPv4是必然趋势。问题在于，就目前大量部署基于IPv4应用的网络不可能在短时间内就被IPv6网络替代，在IPv6网络完全取代IPv4网络之前，必须得有个过渡阶段。 采用双协议栈技术如何过渡，怎样过渡是本文将要研讨的内容。关键词 双协议栈；过渡；DSTM；IPv4 ；IPv6引言 正如大家所看到的一样，互联网在全球范围内的应用和影响远远超出人们的想象，各个领域的高速发展过程当中，都能看到有互联网技术的应用。实际上，基于IPv4协议的应用网络是非常成熟的，而且在全球范围内得到广泛地部署。但IPv4地址资源的迅速耗尽和导致路由器的路由表膨胀的问题存在，阻碍了互联网的发展。针对IPv4地址资源不足和路由表膨胀等众多的问题，IETF提出了新一代网际互联协议IPv6协议，该协议不仅解决了IPv4的地址资源紧缺的问题，并且提高了IP协议的性能。而在现阶段中，由于Internet的应用都完全是建立在IPv4的体系架构上的，因此由IPv4向IPv6过渡是必须经历的一个重要阶段。对于 IPv4向IPv6的过渡，可以使用双协议栈技术来实现。根据不同的网络情况，作为一项基础性技术的双协议栈技术往往会结合其他过渡技术一起使用，使得IPv4能顺利向IPv6过渡。1 IPv4过渡到IPv6的必然性11 报文格式对比IPv4报头 图 1 IPv4报头IPv6报头 图2 IPv6报头 通过两种协议的报头对比，我们不难发现版本号字段在两种协议中是相同的。IPv6 丢弃了 IPv4 的数据包长度、服务类型、分片、偏移量和头标校验和等字段。分片总长度、生存时间和协议字段在 IPv6 中有了新名称，功能进行了重新定义。IPv4中的选项字段已从报头中消失。最后，IPv6 加入了两个新字段：数据流类型和流标识。12 功能的差异 （1）IPv6地址字段由IPv4的32位设计到了128位，相对IPv4，增加了296倍的地址空间，地址空间一下子变的广阔很多； （2）简化的报头格式 。一些IPv4报头字段被删除或变为了可选项，IPv6基本报头被固定为40bit，使路由器可以加快对数据包的处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量，使信息传输更加快速； （3）标识流的能力。增加了一种新的能力，使得标识属于发送方要求特别处理（如非默认的服务质量获“实时”服务）的特定通信“流”的包成为可能，使得业务可以根据不同的数据流进行更细的分类，实现优先级控制和QoS保障，极大地改善了IPv6的服务质量； （4）认证和加密能力。IPv6中指定了支持认证、数据完整性和（可选的）数据机密性的扩展功能。从IPv4和IPv6两种协议的对比来看，IPv6的优势是非常明显的，符合未来互联网的发展需求，因此IPv6替代IPv4是必然的。2 过渡遵循的基本原则 考虑到Internet的飞速发展和现实世界的商业需求，在进行IPv4网络向IPv6网络过渡策略的设计中，必须遵循以下的过渡原则： (1) 过渡方式应该是逐步的和渐进的，保护IPv4网络设备的投资，确保在一个相当长的历史阶段，IPv4网络设备可以在过渡时期中正常地独立使用。 (2) IPv4网络世界和IPv6网络世界相互渗透，长期并存，这就要求IPv4和IPv6网络设备彼此可以互连互通，实现互操作。 (3) IPv4网络世界向IPv6网络世界过渡过程中，IPv4向IPv6升级的费用应尽可能地低，过渡技术应尽可能地简单，以尽快地吸引广大用户主动的向 IPv6过渡。 由于IPv4协议和IPv6协议之间不具有兼容性，因此IPv4和IPv6体系结构之间还需要构建相关的过渡机制来支持二者无缝地并存，使得互联网的各项应用受到尽可能少的影响。3 双协议栈（Dual Stack）工作原理 双协议栈的目标是实现网络中的双协议栈节点之间的相互通信的一种机制，可以在单一的网络设备上实现，也可以是在一个双栈的骨干网。使用双协议栈技术使得基于IPv4的各种应用在IPv6网络中不受影响；同样的，IPv6的各种应用也不会在IPv4网络中受到影响，实现了IPv4到IPv6的无缝共存。31 原理双协议栈技术是指在单个网络节点上同时支持IPv4和IPv6两种网络协议栈。对于IPv6的节点来说，为了直接有效的兼容IPv4保留一个完整的IPv4协议栈。当双栈节点接收数据包，首先链路层会将接收到数据段拆封并检查包头。如果包头中的第一个字段,即IP包的版本号字段是4,该数据包就由IPv4协议栈来处理;如果版本号字段是6,则由IPv6协议栈处理，无需对原有的IPv4或IPv6数据包进行包头的二次封装和拆封，直接转发IPv4和IPv6报文。如此，可以确保基于IPv4或IPv6的应用和数据传输能够顺利进行。具体如下图1所示： 图3 双协议栈原理图 32 工作方式约定在实际的网络通信过程中,数据包的目的地址是作为路由选择的主要参数, 因而必须得根据应用程序所使用的目的地址的协议类型对双协议栈的工作方式做出部分的约定:（1）若应用程序使用的目的地址为IPv4地址, 则使用IPv4协议； （2）若目的地址为IPv6地址, 且为本地在线网络, 则使用IPv6协议； （3）若应用程序使用的目的地址为IPv4兼容的IPv6地址, 并且非本地在线网络, 则使用IPv4协议, 此时的IPv6将封装在IPv4中； （4）若应用程序使用的目的地址是非IPv4兼容的IPv6地址, 非本地在线网络, 则使用IPv6协议。类似约定( 2) , 使用IPv6协议能够保证通信正常进行,而如果是跨越纯IPv4网络的通信, 将采用隧道等机制实现通信; 而如果通过本地网络, 则无须隧道机制即可完成通信； （5）若应用程序使用域名作为目标地址, 则先从域名服务器得到相应的IPv4/IPv6地址, 然后根据地址情况进行相应的处理。3.3双协议栈的模型 双协议栈在实际网络环境当中的应用，分为完全双协议栈模型（Dual Stack Model）和有限双协议栈模型(Limited Dual Stack Model)。完全双协议模型即是在网络当中的任意节点都是同时支持IPv4和IPv6协议，节点发送IPv4的数据包所经过的各个节点都由IPv4协议栈来处理。同理，当节点发送IPv6的数据包的时候则由IPv6协议栈来处理，如图2所示。这时该网络就不会存在IPv4节点和IPv6节点之间的相互通信的问题，而且配置简单易行。但是该模型仍然会占用IPv4地址资源，没能解决IPv4地址资源不足的问题，因此适用于早期的迁移过。 图4 完全双协议栈原理有限双协议栈是为了解决完全双协议栈占用IPv4地址资源所提出的一种改进型模型，服务器和路由器还是同时支持双协议栈的，而非服务器的主机则只需支持IPv6协议栈，但是在纯IPv4与纯IPv6节点的相互通信将会有问题，因此往往需要再结合其他的过渡技术一起适用，较为典型的是DSTM（Dual Stack Transition Mechanism）。DSTM主要有三个组成部分：DSTM server、DSTM tep和host，如图3所示。在纯的IPv6网络中，ipv6 host需要发送一个IPv4数据包的时候，首先向负责为客户机分配IPv4地址的DSTM server发送一个临时IPv4地址请求（ip address request），DSTM server在地址池中选择并在有效的时间内保留一个IPv4地址，在回复ipv6 host消息中将该地址相关信息和DSTM tep的信息写入。ipv6 host接收到回复信息后，使用申请的IPv4地址配置其IPv4协议栈，将所要发送的IPv4数据包通过ipv4-over-ipv6隧道发送到DSTM tep,由DSTM tep将数据包拆封成IPv4数据包发送出去的同时，建立一个相应的主机IPv4和IPv6地址的映射表，根据该映射表对数据包进行IPv4包的封装和拆封。 图5 有限双协议栈原理4 网络环境模拟 41 网络环境模拟软件 为了模拟真实的IPv4向IPv6过渡的网络环境，需要用GNS3来搭建网络环境，使用VMware workstation来模拟真实的服务器和IPv6节点，以下是这两款软件的简单介绍。 4.1.1 GNS3 GNS3是一款具有图形化界面可以运行在多平台的网络虚拟软件。通过它来完成相关的网络模拟操作。同时它也可以用于虚拟体验Cisco网际操作系统IOS或者是检验将要在真实的路由器上部署实施的相关配置。简单说来它是dynamips的一个图形前端，相比直接使用dynamips这样的虚拟软件要更容易上手和更具有可操作性。本文将利用该软件搭建如下面图2的虚拟网络环境，并外接到VMware workstation上的作为IPv6和IPv4的虚拟主机上。 4.1.2 VMware workstation VMware Workstation 是一款功能强大的桌面虚拟计算机软件，用户可在单一的桌面上同时运行不同的操作系统和进行开发、测试 、部署新的应用程序。它可在一部实体机器上模拟完整的网络环境，允许操作系统(OS)和应用程序(Application)在一台虚拟机内部运行。虚拟机是独立运行主机操作系统的离散环境。42 过渡方案设计 4.2.1 试验环境：三台CentOS 5.4虚拟主机；两台CISCO C3700，ios版本为12.4，支持IPv6。在VMware Workstation安装的三台虚拟主机，分别作为IPv4和IPv6的节点，由GNS3来搭建模拟的网络环境，并外接VMware Workstation上的虚拟主机。模拟拓扑图如下图4所示：图6 模拟网络拓扑图在模拟网络拓扑图中，PC1、PC2、Router1和Router2都配置成了双协议栈节点，Router1和Router2通过串行线连接，两者间的链路可同时传送IPv4和IPv6数据包。具体各个设备的IP地址配置如下表1-1：表1-1 设备IP地址配置设备接口IPv4地址IPv6地址PC1eth0172.16.8.2/242011:10:2/112PC2eth0172.16.10.2/242011:1:1/112PC3eth010.10.10.2/24Router1F0/0172.16.8.1/242011:10:1/112F0/110.10.10.1/24S2/0192.168.10.1/242011:12:1/112Router2F0/010.10.10.1/24S2/0192.168.10.2/242011:12:2/1124.2.2 模拟网络配置Router1配置：（1） 开启IPv6路由功能Router1(config)# ipv6 unicast-routing (2)配置双协议栈接口 Router1(config)# int f0/0Router1(config-if)# ipv6 address 2011:10:1/112Router1(config-if)# ip address 172.16.8.1 255.255.255.0Router1(config-if)# no shutdown相应的接口做同样的配置即可。 (3)配置路由协议RIPngRouter1(config)# router ripRouter1(config-router)# version 2Router1(config-router)#network 172.16.8.0Router1(config-router)#network 192.168.10.0Router1(config)# ipv6 router rip dstmRouter1(config-if)# int f0/0Router1(config-if)# ipv6 rip dstm enable在相应端口应用RIPng即可Router2的配置与Router1的配置命令是一样的，同样要开启IPv6路由功能，配置双协议栈接口和启用RIPng,只是要注意接口地址和网络不一样即可。 PC1的配置 eth0网卡配置： #cd /etc/sysconfig/network-script/#vi ifcfg-eth0DEVICE=eht0BOOTPROTO=noneHWADDR=GATEWAY=2011:10:1/112 /网关设置为IPv6地址网关IPV6ADDR=2011:10:2/112 /IPv6地址IPADDR=172.16.8.2 /IPv4地址NETMASK=255.255.255.0IPV6INIT=yesIPV6_AUTOCNF=noTYPE=Ethernet:wq添加路由条目：#route -A inet6 add default gw 2011:10:1 /添加静态路由#route -A inet add default gw 172.16.8.1 /添加静态路由)#service network restart#service network restart /重启网络配置 对于PC2和PC3的eth0网卡使用和PC1同样的命令配置，注意对IP地址和路由条目做相应的更改即可。 4.2.3 模拟测试结果 在PC1上使用ping和ping6命令来测试网络的连通性，结果如下图所示： 图7 PC1 ping PC2 IPv6地址结果 图8 PC1 ping PC3 IPv4地址结果 从测试的结果来看，PC1和PC2之间通过IPv6协议进行通信，PC1和PC3可以通过IPv4协议通信，说明双协议栈在该模拟网络部署成功。5 总结 双协议栈技术作为一项网络过渡的基本性技术，是最简单和易行的实施方案，也为大多数技术人员所易于理解的。它将一直在IPv4向IPv6过渡的整个阶段发挥着重要的作用，完全把握了该项技术，将非常有利于结合其他过渡技术有针对性地在IPv4向IPv6网络的过渡解决各种不同需求的情况。通过基于双协议栈的模拟试验来实现IPv4向IPv6过渡，初步掌握了双协议栈技术的基本原理和通信方式，对于进一步的课题研究积累了宝贵的经验。 参考文献： 1 Joseph Davies美. 深入解析IPv6（第二版）M.杨秩，苏啸鸣，吴超译.北京:人民邮电出版社，20092 Qing Li美，Tatuya Jinmei，Keiichi Shima日.IPv6详解M.卷1/卷2 陈涓, 赵振平译.北京:人民邮电出版社，20093 Ciprian Popoviciu，Eric Levy-Abegnoli, Patrick Grossetete美.部署IPv6网络M.王玲芳, 张武, 赵志强译.北京:人民邮电出版社，20074 Diane Teare, Catherine Paquet美.CCNP学习指南：组建可扩展的Cisco互联网络(BSCI)M.陈宇, 袁国忠译.北京:人民邮电出版社，20075 Regis Desmeules美. CISCO IPv6网络实现技术M. 北京:人民邮电出版社， 2005.6 张宏科，苏伟IPv6路由协议栈原理与技术M北京:邮电学院出版社，20067W.Richard Stevens美.TCP/IP详解卷1：协议M.范建华译.北京：机械工业出版社，20008Gary R.Wright，W.Richard Stevens美.TCP/IP详解卷2：实现M.陆雪莹译.北京：机械工业出版社，20009伍孝金IPv6技术与应用.M.北京：清华大学出版社，201010Ciprian Popoviciu, Eric Levy-Abegnoli, Patri