（通信与信息系统专业论文）校园网ipv6升级关键技术研究.pdf

摘要 互联网的迅速发展对人类的生产和生活产生了重大影响，成为最快捷的获取 信息的手段。d v 4 协议自从互联网诞生起就几乎没有改动过，随着新的移动通 信和流媒体传输、实时互动通信等的要求的日益增多，碑v 4 由于自身地址空间 不足、服务质量差、配置复杂、移动性支持和安全性等诸多问题，必然要向i p v 6 过渡。而互联网不可能在短期内从现有的i p v 4 网络升级到i p v 6 ，所以在相当长 的一段时间内i p v 4 网络将于i p v 6 网络共存，那就必须保证d v 4 和i p v 6 网络之 间的通信。在i p v 4 向i p v 6 过渡的技术中主要有以下几类：双协议栈技术、隧道 技术、协议转换技术和i 技术。 目前校园网i p v 6 升级项目正在开展，驻地网已经部署完毕，采用双栈技术 来实现i p v 4 到i p v 6 的过渡。本文采用理论与实践相结合的方式，以校园网i p v 6 升级关键技术为研究内容，分析了目前主要的过渡技术之间的优劣，主要对 n a t p t 和m 做了对比。i 是一个特定前缀和无状态地址映射的方案，它支 持地址的透明性，使用i p v 6 地址的一部分与全部的口v 4 地址做一一映射，有助 于口v 4 向i p v 6 平滑过渡。在纯口v 4 和纯i p v 6 网络的通信中，r v i 机制结合不 同的应用层网关来实现不同的应用层业务，以实现业务之间的互访，本文主要分 析了d n s a l g 和f t p a l g 的实现。 本文以l i n u x 为平台搭建i v 实验环境，对i p v 4 和i p v 6 网络之间的互通性 进行了测试，结果表明i v i 机制能够很好地实现口v 4 和i p v 6 网络之间互通。 关键词：i p v 4i p v 6 过渡i v i a bs t r a c t i n t e m e t , b e i n gt h ef a s t e s tw a y o ff i n d i n gu s e f u li n f o r m a t i o n ，h a sp l a y e dah u g e i m p a c to nh u m a ns o c i e t ya n dp e o p l e sw a y so fl i f e s i n c et h ef i r s tv e r s i o no fi n t e m e t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si p v 4a c t u a l l yh a su s e dal o n gt i m e w i t ht h ei n c r e a s i n g d e m a n df o rd i v e r s i f i c a t i o n ，f o re x a m p l e ，t h en e wm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dr e a l t i m e i n t e r a c t i v em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n i p v 4w i l lu l t i m a t e l yt r a n s i tt oi p v 6d u et o m a n y o fi t sp r o b l e m s ，s u c ha sl a c ko fa d d r e s ss p a c e ，p o o rq u a l i t yo fs e r v i c e ，c o m p l e x c o n f i g u r a t i o n ，p o o rm o b i l i t y s u p p o r ta n ds e c u r i t y b u ti nal o n gp e r i o do f t i m ei p v 4 n e t w o r ka n di p v 6n e t w o r kw i l lc o e x i s t i tm u s tb eg u a r a n t e e dc o m m u n i c a t i o no f b e t w e e ni p v 4a n di p v 6n e t w o r k t h e r e r em a n yt r a n s i t i o nt e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g d u a l - s t a c kt e c h n o l o g y ，t u n n e l i n gt e c h n o l o g y ：n a t p tt e c h n o l o g ya n di v it e c h n o l o g y i v ii san e w t e c h n o l o g yo ft r a n s i t i o n t h ep r o j e c to f l p v 6u p g r a d ei sd e v e l o p e di nc a m p u sn e t w o r kn o w i tu s e s d u a l - s t a c kt e c h n o l o g yt or e a l i z et h 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 6 n e t w o r k t h i st h e s i ss t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yo f l p v 6u p g r a d ei nc a m p u sn e t w o r k a n dd i s c u s s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tt r a n s i t i o n a lt e c h n o l o g y i n c l u d i n gn a t p ta n di ii sap r e f i x - s p e c i f i ca n ds t a t e l e s sa d d r e s sm a p p i n g m e c h a n i s mf o ri p v 4 i p v 6c o e x i s t e n c ea n dt r a n s i t i o n i ts u p p o r t sa d d r e s st r a n s p a r e n c y a n das m a l lp a r to f l p v 6a d d r e s s e si su s e df o rr e p r e s e n t a t i o no ft h eg l o b a li p v 4 a d d r e s s e s t h ef e a t u r e so fi v im e n t i o n e da b o v ea r eh e l p f u lf o ri p v 4t oi p v 6t r a n s i t i o n d u r i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np u r ei p v 4n e t w o r ka n dp u r ei p v 6n e t w o r k , i v i c a na c h i e v ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o n su s i n gd i f f e r e n tg a t e w a y si na p p l i c a t i o n - l e v e l ，a n dw e m a i n l ya n a l y s i st h ei m p l e m e n t a t i o no fd n s a l ga n df t p a l gi nd e t a i l i nt h i st h e s i s ，b a s e do nl i n u xp l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ti sb u i l tt o t e s tc o n n e c t i v i t yo f l p v 4n e t w o r ka n di p v 6n e t w o r ku s i n gi v i t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ei v im e c h a n i s mc a l le f f e c t i v e l ya c h i e v et h 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 k a n di p v 6n e t w o r k k e yw o r d s - i p v 4 i 、，6t r a n s i t i o nn 厂i h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：史坷 签字日期： 加尹年6 月乒 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字同期：渺歹年1 1 月4 同 签字日期：7日 第一章绪论 1 1 背景和意义 第一章绪论 人类社会已经进入了信息时代，信息成为我们每个人、每个企业、每个国家 乃至整个世界的最为重要的关键资源。现代社会，互联网作为人民获取信息的重 要工具，在人们日常工作和生活中起着不可替代的作用。 现代i n t e m e t 的基础是i p v 4 ，到现在为止已经有3 0 多年的历史了。3 0 多年 来，处理器的性能已经提高了1 0 0 0 倍，典型的存储器大小提高了4 0 0 倍，i n t e m e t 网主干带宽提高1 5 0 ，0 0 0 倍，但d v 4 协议却基本上没有改动过。由于i n t e m e t 的 迅猛发展，据统计平均每年i n t e r n e t 的规模就扩大一倍，口v 4 已经表现出很大的 局限性。一开始i n t e m e t 的使用者主要是大学、政府部门等，现在i n t e m e t 的使 用大大超出了这个范围，电脑、网络已经进入寻常百姓家，如此大规模的扩张使 得地址资源紧缺，尽管我们采取了一系列的技术措施( 3 nn a t 等) ，但按照目前 的发展趋势，预计i p v 4 地址将于2 0 1 0 年左右耗尽。其次，随着计算机网络、有 线电视网和电信网的进一步融合，人们对于网络的使用要求更高了。有可能每台 电视都要进行视频点播，这就要求网络传输流媒体的质量和速度要有所改善。再 次，机器终端的多样化，微型化，它被安装在各处，如标签、徽章或作为高温控 制来使用，在这些环境下，系统必须支持即插即用、实时通信、移动通信、低功 耗、容易管理等功能。 基于以上种种，i p v 4 表现出了很大不足：【l 】 ( 1 ) 地址空间不足：不断增长的互联网需要更多的资源，这导致了地址空间 的不足。d v 4 理论上约有4 3 亿个地址，但是除去保留地址、广播地址网络地址 以及划分子网时用去的地址，目前可用的口v 4 地址已经基本上分配完了。 ( 2 ) 配置复杂：i p v 4 地址主要采用手工配置的方法为用户分配地址，这样管 理起来就比较困难，移动性服务的支持也比较差。虽然也可以采用d h c p 的方 式获取d ，但是这需要额外的服务器以及额外的操作及维护。 ( 3 ) i l l 务质量差：i p v 4 设计的初期，主要面向数据业务，没有考虑对语音、 视频等业务的支持。虽然能完成传输，但是服务质量问题一直得不到很好的解决。 随着互联网的发展，人们的要求越来越高，这显然不能满足需要。 第一章绪论 ( 4 ) 安全性支持不高：随着网络的商业化，互联网的安全已经成为一个大问 题，各种安全问题层出不穷。 ( 5 ) 移动支持性差：当初m v 4 设计时没有考虑到移动性的需求，但是现代无 线、移动业务的需求要求互联网能够提供这方面的支持。口v 4 在这方面显然需 要更进步的提高。 为了解决以上问题，1 9 9 2 年i e t f ( 百_ 联网工程任务组织：i n t e m e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 开始着手开发d 的新版本。它的主要目标有：嘲 ( 1 ) 地址空间无限大，地址永远不会被用尽。 ( 2 ) 缩短路由表的长度。 ( 3 ) 简化协议，使路由器处理分组的速度更快。 ( 4 ) 提供更好的i p 层安全支持。 ( 5 ) 增加对服务质量的支持，特别是要支持实时通信。 ( 6 ) 通过定义范围来实现多点传送。 ( 7 ) 支持即插即用，主机可以不改变口地址即可实现漫游。 ( 8 ) 协议必须具有良好的可扩展性。 ( 9 ) 允许新旧协议共同存在一段时间。 到2 0 0 2 年，世界范围内发生了两个变化。一是全球移动用户数超过固定用 户数，二是全世界网上传送的数据业务量超过话音业务量。这反映了随着时代和 技术的进步，人类对移动性和信息需求呈现急剧上升的趋势，隐含着大量更高价 值的下一代服务与应用。当前的网络，不管是电话网，还是互联网或移动网，均 不能适应这个发展趋势，必须向下一代发展。因此，n g n 成为网络界描述未来 电信网共同使用的一个新概念。它涵盖了固定网、互联网、移动网、核心网、城 域网、接入网、用户驻地网等许多内容。 信息时代的来临，人们对于网络更加依赖，邮件、即时通信、网上购物、多 媒体交互等已经成为人们生活中不可或缺的一部分。这样一来，就对网络提出了 更高的要求。下一代互联网就是朝着“更快、更大、更安全、更及时、更方便” 方向发展的计算机网络技术。 所谓“更快”，就是其速度比现有的互联网络快1 0 0 0 倍至1 0 0 0 0 倍， 允许大容量的媒体传输；所谓“更大”，就是比现在的互联网络的发展空间更 大，拥有比现在的互联网络地址多得多的地址，实现无处不在的连接；所谓 “更安全”，就是拥有广泛的安全网络传输机制和网络用户认证机制；所谓“更 及时”，就是满足数据、话音和视频等各种不同业务的实时传输需求；所谓“更 方便”，就是用户使用网络各种服务要像现在使用电话机和电视机一样的方便。 2 第一章绪论 下一代互联网的发展，给了大家共同发展的可能与机会。1 9 6 9 年美国开始 第一代互联网研究，我国则在1 9 9 4 年才由中国教育和科研计算机网建设了第 一个全国性试验网络。而正因为互联网的发展，让彼此之间的差距大大缩小。1 9 9 6 年美国政府出台下一代互联网计划，建立试验床，研究下一代网的先进组网技术， 1 9 9 8 年中国专家就开始了这方面的研究工作。在经济上，网络体系的变革，给 了大家共同的机会。下一代互联网，从i p v 4 到i p v 6 所有配套的软硬件都将逐 渐面临一个挑战，产业面临新一轮洗牌，这给很多企业以新的机会，有可能打破 现有网络经济的格局。比如路由器可能就不再是“思科”公司一家独大，有可 能出现一个新的公司替代。在各种应用上则将会给无数国家及公司更多机会， 经济格局的打破必然给整个社会发展乃至国家带来变化，同时技术的变革、经 济实力的变化、也必然影响到政治、军事。 虽然网络经济目前遇到了巨大挑战，但任何一个人都不得不承认这样一个现 实，对于未来的社会，网络是一个基本要素，它将对社会经济、科技教育发展， 乃至国防政治都将起到决定性的影响，如果我们失去对下一代互联网的发言权， 我们也将在很大程度上受制于别人。因此，研制与建设下一代互联网，对我国 有着举足轻重的意义。从这个角度出发，专家建议，国家应对这一具有战略意义 的研究工作制定系统规划，把下一代互联网建设上升到国家层面，并加大对其投 资及关注力度。 校园作为知识和人才基地，它一直是信息技术应用最成功的典范，是先 进技术的领头羊。目前，国内大专院校中，大多已实现了校园局域网连接，通过 c e r n e t ( 中国教育科研网) 的资源接入i n t e r n e t ( 国际互联网) 。然而，由于 目前c e r n e t 自身的设备和带宽已远远无法适应日益增加的用户的需要，国家 计委和教育部又开始了名为“中国教育科研网c e r n e t 高速主干网”的新一轮 的网络建设。在国外，早在1 9 9 6 年1 0 月美国政府就提出了n g i ( 下一代互联 网络1 规划；1 9 9 8 年美国的1 0 0 多所大学联合成立一个名为u c 的机构， 开始了i n t e m e t 2 研究计划。n g i 和i n t e r n e t 2 计划的目的，是提供高速互联网服 务。因此，如何组建与外部环境相适宜的新一代的校园网，建设数字校园成为当 今一大热点。 由于新一代的校园网是基于下一代互联网络这一大环境下的，而下一代计算 机互联网络，就是朝着“更快、更大、更安全、更及时、更方便”的方向发展的 计算机互联网技术。因此新一代校园网的建设目标也应该朝着一下几方面努力 【3 】： 1 建设数字化校园 第一章绪论 新一代校园网的建设目标就是：一切为学生的教学和生活服务，大力发展 扩大教学规模的远程教育、虚拟图书馆、虚拟实验室等教学形式和手段，真正实 现没有围墙的大学。通过改造学校内部的网络环境，利用最新技术，建立智能化 的、数字化的校园局域网，而后出现统的类似美国现行的i n t e r n e t 2 的网络 联盟组织。新一代的校园应该是一个数字校园，今后应在现有的校际联网的基础 上，最终建成一个全国或世界范围内的专属化的校园信息综合网络。 2 传输速率更快 美国的“i n t e r n e t 2 ”目标计划，要在端到端的速率方面比目前的互联网 快1 0 0 到1 0 0 0 倍，即达到1 0 0m b i t s 至1g b i t s 。在这样的外部环境下，新 一代的校园网的传输速率也要比以往快得多。 3 功能更强 除了提供早期校园网的功能外，新一代的校园网主要提供远程教育、数字图 书馆等服务。 1 2 国内外现状 由口地址危机产生和发展起来的i p v 6 作为下一代互联网协议已经得到了各 方的公认，未来互联网的发展离不开i p v 6 的支持和应用。目前各个国家都在加 紧对疋v 6 的研究和应用开发。 从区域上看，目前美国和欧洲国家对i p v 6 的发展以研究和实验为主，日本 和韩国等亚洲国家则在i p v 6 的商业及业务开展方面取得了一系列成就，中国的 起步晚于日本和韩国等国家，但是中国互联网和通信市场的巨大空间和前景，都 使中国有机会、有潜力成为未来i p v 6 产业化进程中举足轻重的一部分。 i p v 6 作为下一代互联网协议，已经引起了各地区、各运营商的足够重视。 中国对于i p v 6 技术的态度是“积极跟踪、把握机遇、稳妥推进”，并且在部分 地区实行了网上实验。目前中国高校和科研机构已经与国外一些运营商合作，对 i p v 6 进行研究实验。目前天津大学、北京邮电大学、上海交通大学等 c n g i c e i e t 2 驻地网已经部署完毕。虽然如此，i p v 6 协议在中国的大规模应 用还要有一段时间。 i p v 6 在美国主要是有一些研究中心、协调中心等，如6 b o n e 、6 r e n 、e s n e t 和i n t e m e t 2 等。6 b o n e 于1 9 9 6 年8 月由i e t f 创建，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。到2 0 0 2 年，6 b o n e 的规模已经扩展大盘 4 第一章绪论 包括中国在内的5 7 个国家和地区，连接了近千个节点，成为i p v 6 研究者、开发 者和实践者的主要平台。 欧洲的移动通信事业非常发达，因此他们在i p v 6 的研究和商业化应用方面 更注重移动通信领域的扩展，采取“先移动，后固定”的基本战略，在第三代网 中率先引入i p v 6 。如欧洲6 i n i t 项目、6 n e t 和e u r 0 6 i x 计划、法国的r e n a t e r 2 等。 从2 0 世纪9 0 年代末起，在相关部委科技计划的支持下，一批i p v 6 关键技 术研究课题作为国家重大专项立项，并陆续取得了突破性成果，为我国开展一 i p v 6 为基础核心协议的下一代互联网的研究奠定了较好的基础。与此同时，我 国相关研究机构、高校、厂商以及运营商也已经陆续开始跟踪与关注i p v 6 技术 的发展，并相继建成i p v 6 试验床及实验网络，如6 t n e t ( i p v 6t e l e c o mt r i a ln e t w o r k ) 下一代i p 电信实验网、中国电信集团i p v 6 实验网、中国教育与科研c e r n e ti p v 6 试验网和中科院i p v 6 城域网等，在i p v 6 核心技术研发、协议标准制定组网、过 渡策略、测试、应用示范等方面累积了宝贵的知识与经验 4 1 。 c e r n e t 国家网络中心于1 9 9 8 年6 月加入6 b o n e ，同年1 1 月成为其骨干网 成员。我国第一个i p v 6 主干网c e r n e t 2 试验网已经开通并提供服务，它是“中 国下一代互联网示范工程( c n g i ) ”中最大的核心网和惟一的学术网。c e r n e t z 是中国下一代互联网示范工程核心网的重要组成部分，将是世界上规模最大的纯 i p v 6 国家主干网。c e m 屺t 2 主干网连接分布在我国2 0 个主要城市的c e r n e t z 核心节点，传输速率为2 5 1 0 g b p s ，将实现全国2 0 0 余所著名高校的高速接入， 同时为全国其他科研院所和研发机构就近接入提供条件。并通过下一代互联网交 换中心与国内其他下一代互联网、国际下一代互联网实现高速互联，从而形成我 国开展下一代互联网及其应用研究的重要实验环境。c e r n e t 2 还将部分采用具 有我国自主知识产权的核心网络技术及产品，成为我国研究下一代互联网技术、 开发基于下一代互联网的重大应用、推动下一代互联网产业发展的关键性基础设 施。 当然，l p v 6 的最终实现还需要很长时间。i p v 6 网络进入大规模实施阶段之 后脚4 和i p v 6 将保持长时间共存，并最终过渡到i p v 6 。如何实现i p v 4 向i p v 6 的平稳过渡是i p v 6 首先必须解决的问题，也是成功的关键【4 j 。 第一章绪论 1 3 研究内容与章节安排 i p v 6 虽然已经不是什么新鲜事物，但i p v 6 大规模的应用还有很长一段时间。 如何平稳地过渡到i p v 6 是一个关键性的问题，本文将对d v 4 向i p v 6 过渡的技 术进行分析，并建立实验环境对其中的一种技术进行实践论证。 本论文共分为5 章。第1 章绪论，介绍了课题研究的背景和意义、国内外现 状等；第2 章介绍了i p v 6 协议，第3 章阐述当前主要过渡方案以及他们的优缺 点；第4 章对i 过渡方案的研究，搭建实验环境进行测试并给出一个纯i p v 6 网络的设计方案：第5 章进行总结，给出结论。 6 第二章i p v 6 协议研究 2 i i p v 6 协议的产生 第二章i p v 6 协议研究 i p v 6 是“i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写，也被称为下一代互联网协议， 是由i e t f 设计用来替代m v 4 协议的新的i p 协议。 信息时代的发展，使得互联网的应用越来越广泛。随着互联网的进一步发展， i p v 4 地址首先显示出了地址空间不足的问题。为了扩大地址空间，想通过l p v 6 来重新定义地址空间。i p v 6 采用1 2 8 位地址长度，几乎可以不受限制地提供地 址。另一方面，人们对于网络的要求也越来越高，移动终端、微型化设备越来越 多，i p v 4 协议在支持这些方面凸显出了不足。i p v 6 的设计除了解决了地址问题 之外，还考虑了端到端的口连接、服务质量、多播、移动性、即插即用等。 5 1 2 2 i p v 6 的特点 本文前言讨论了口v 4 的不足之处以及设计i p v 6 的主要目标，i e t f 针对用 户将来可能的需求和p v 4 的不足最终设计出i p v 6 。i p v 6 相对与i p v 4 有许多新的 特点，如简化的p 包头格式、主机地址自动配置、认证和加密以及较强的移动 能力等【6 1 。 1 扩大地址空间 原来口v 4 地址是3 2 位的，d v 4 采用3 2 位地址长度，只有大约4 3 亿个地址， 估计在2 0 0 5 2 0 1 0 年间将被分配完毕，而i p v 6 采用1 2 8 位地址长度，几乎可以 不受限制地提供地址。按保守方法估算i p v 6 实际可分配的地址，整个地球每平 方米面积上可分配1 0 0 0 多个地址，“地球上的每一粒沙子都将有一个p 地址 。 2 移动性 人们使用的移动终端越来越多，移动终端需要一个独立的i p 。i p v 4 没有足 够的地址空间可以为在i n t e r n e t 上运行的每个移动终端分配一个这样的地址。 i p v 6 协议在设计之初就考虑了对移动性的支持。移动i p v 6 能够通过简单的扩展， 满足大规模用户的需求。移动i p v 6 从移动i p v 4 中借鉴了许多概念和术语。i p v 6 中仍有移动节点和家乡代理，但没有外地代理、家乡地址、家乡链路、转交地址 和外地链路的概念。移动i p v 6 中同时采用隧道和源路由技术向连接在外地链路 7 第二章i p v 6 协议研究 上的移动节点传送数据包，而在移动i p v 4 中则只用了隧道技术。移动i p v 6 的高 层功能和i p v 4 一样，大概也和l p v 4 的三大元素相似，即代理搜索、注册和选路。 3 内置的安全特性 这一点相对于l t r v 4 有了较大的提高。口v 6 协议内置安全机制，并己经标准 化。i p v 6 把i p s e c 作为必备协议，保证了网络层端到端通信的完整性和机密性。 i p v 6 同口安全性( i p s e c ) 机制和服务一致。除了必须提供网络层这一强制性机制 外，i p s e c 还提供两种服务。首先，认证报头( a 1 1 ) 用于保证数据的致性，而封 装的安全负载报头( e s p ) 用于保证数据的保密性和数据的一致性。在p v 6 包中， a h 和e s p 都是扩展报头，可以同时使用，也可以单独使用其中一个。其次，作 为i p s e c 的一项重要应用，i p v 6 还集成了v p n 的功能。 4 q o s 从协议的角度看，i p v 6 的优点体现在能提供不同水平的服务。这主要是由 于d v 6 报头中新增加了字段“业务级别”和“流标记”。有了它们，在传输过 程中，中间的各节点就可以识别和分开处理任何口地址流。尽管对这个流标记 的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它会用于基于服务级别的新计费系 统。另外，在其他方面，i p v 6 也有助于改进q o s ，这主要表现在支持“实时在线” 连接、防止服务中断以及提高网络性能方面。 5 其他 另外，i p v 6 还支持即插即用、能够更好的实现多播功能、提高网络的吞吐 量等。 2 3i p v 6 的地址 2 3 1i p v 6 地址的表示 i p v 6 位址为1 2 8 位元长度，用文本方式表示的i p v 6 地址有三种规范的形式 【2 】【7 1 ： 1 优先选用的形式是x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ，其中x 是1 个1 6 位地址段的十六 进制值。例如：2 0 0 1 ：0 d b 8 ：8 5 a 3 ：0 8 d 3 ：1 31 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 2 0 0 1 ：0 ：0 ：0 ：0 ：8 ：8 0 0 ：2 0 1 c ：4 1 7 a 每一组数值前面的0 可以省略，如0 0 0 8 可以写成8 。如果一组数值中思维 全是0 ，可以省略不写，但是“：”符号在一个地址中只能出现一次。 例如： 8 第二章i p v 6 协议研究 2 0 0 l ：0 d b 8 ：8 5 a 3 ：0 0 0 0 ：1 3 1 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 可以写为： 2 0 0 1 ：0 d b 8 ：8 5 a 3 ：1 3 1 9 ：8 a 2 e ：0 3 7 0 ：7 3 4 4 2 特殊形式的i p v 6 地址会包含长串0 位的地址，为了简化包含0 位的书写， 可以使用“：”符号简化多个0 位的1 6 位组，该符号也是在一个地址中只能出现 一次，可以用来压缩地址中前部和尾部的0 。例如： f f 0 1 ：o ：o ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 0 1 多点传送地址 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 环回地址 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 未指定地址 可用下面的压缩形式表示： f f 0 1 ：1 0 1 多点传送地址 ：1 回送地址 ：未指定地址 3 i p v 6 还有一种表达方式，即x ：x ：x ：x ：x ：x ：d d d d ，其中x 是地址中1 个 高阶1 6 位段的十六进制值，d 是地址中低阶8 位字段的十进制值( 按照口v 4 标 准表示) 。例如：下面是两个嵌入i p v 4 地址的i p v 6 地址。 0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：2 0 2 2 0 4 1 1 2 7 9 嵌入口v 4 地址的i p v 6 地址 o ：0 ：o ：0 ：o ：f f f f ：2 0 2 2 0 1 1 1 2 1 0 嵌入口v 4 地址的i p v 6 地址 写成压缩形式为： ：2 0 2 2 0 1 1 1 2 7 9 ：f f f f ：2 0 2 2 0 1 1 1 2 1 0 另外还可以在地址后面跟一个斜杠和一个指定位数的数字，i p v 6 可扩展为 似c i d r d 的一记法。这就是i p v 6 地址前缀的表示方法： i p v 6 a d d r e s s p r e f i x 1 e n g t h ，i p v 6 的子网前缀和一条链路关联，多个子网前缀可分 配给同一条链路。其中i p v 6 - a d d r e s s 为16 进制表示的1 2 8 b i t 地址，p r e f i x - l e n g t h 为1 0 进制表示的地址前缀长度。例如： 1 2 a b ：c d 3 0 ：o ：o ：o ：0 6 0 指的是地址的前六十位或1 2 a b ：c d 3 ( 十六进制表示) 。 2 3 2i p v 6 地址的类型 同时，i p v 6 地址按寻址方式和功能的不同，又可分为单播地址、任播地址、 组播地址等基本地址类型。与i p v 4 相比，取消了广播地址类型，以更丰富的组 播地址代替，同时增加了任播地址类型【8 1 。 9 第二章i p v 6 协议研究 1 i p v 6 单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) 口v 6 单播地址标识了一个接口，由于每个接口都属于一个节点，因此每个 节点的任何接口上的单播地址都可以标识这个节点。发往单播地址的报文由此地 址标识的接口接收。每个接口上至少有一个链路本地单播地址，另外还可以分配 任何类型( 单薄、任播、组播) 或者范围的i p v 6 地址。 所有格式前缀不是组播格式前缀( 1 111 11 1 ) 的i p v 6 地址都是i p v 6 单播格式 ( 任播和d v 6 单播格式相同) 。i p v 6 单播地址和p v 4 单播地址一样可聚合。目前 定义了多种i p v 6 单播地址格式，包括可聚合全球单播地址、n s a p ( n e t w o r ka c c e s s s e r v i c e sp o i n t ) 地址、i p x 层次地址、站点本地地址、链路本地地址和具有口v 4 能力的主机地址。目前泛使用的是可聚合全球单播地址、站点本地地址和链路本 地地由e 。 表2 1i p v 6 单播地址格式 nb i t s 1 2 8 n b i t s s u b n e t p r e f i x i n t e r f a c ei d i p v 6 单播地址由子网前缀和接口i d 两部分组成。网络前缀分成全球路由选 择前缀和子网前缀。一个接口m 用于标识子网中的具体连接。与v 4 不同，i p v 6 后缀选择得很大，足以适应对接口硬件地址的直接编码，将硬件地址编码到口 地址。 2 i p v 6 任播地址( a n y c a s ta d d r e s s ) i p v 6 任播地址和i p v 6 单播地址格式相同，用来标识一组接口的地址。目的 站是共享一个地址的一组计算机的集合。一般这些接口属于不同的节点，发往任 播地址的报文被送到这组接口中与其最近的一个接口( 由使用的路由协议判断哪 个是最近的) 。 i p v 6 任播地址的用途之一是用来标识属于同一因特网服务的组织的一组路 由器。这些地址可以在i p v 6 路由报头中作为中间地址，以使报文能够通过特定 聚合或者聚合顺序发送。另一个用途就是标识特定子网的一组路由器，其中有些 任播地址已经进行了定义，如路由器任播地址。 表2 2i p v 6 任播地址格式 nb i t s1 2 8 nb i t s s u b n e t p r e f i x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l o 第二章i p v 6 协议研究 子网路由器任播地址中“s u b n e tp r e f i x 域用来标识特定链路。发送到子网 路由器任播地址的报文会被送到子网中的一个路由器中。所有路由器都必须支持 子网任播地址。 3 i p v 6 组播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) ( 1 ) i p v 6 组播地址格式定义 i p v 6 组播地址格式用来标识一组接口，一般这些接口属于不同的节点。一 个节点可能属于0 到多个组播组。发往组播地址的报文被组播地址标识所有借口 接收。i p v 6 组播中不使用h o pl i m i t 域( 相当于口v 4 的t t l ) 。 表2 3i p v 6 组播地址格式 8 b i t s 4 b i t s 4 b i t s 1 2 b i t s 1 1 1 1 1 l l l f l a g ss c o p eg r o u pi d 其中： “1 1 1 11 l1 l ”8 b i t ，标识此地址为组播地址。“f l a g s ”4 b i t 。定义如下： 目前只使用了最后一位：t = 0 表示i n t e m e t 地址分配机构永久分配的“熟知” 组播地址，t = i 表示是临时使用的组播地址。该字段的前3 b i t 标记为保留域， 必须被初始化为0 。 “s c o p e ”4 b i t ，用来标记此组播组的应用范围。 “g r o u pi d ”标识组播组( 可能是永久的，也可能是临时的，范围由s c o p e 定 义1 。 ( 2 ) i p v 6 永久分配的组播地址 目前的永久分配的“熟知”组播组如下： 保留的组播地址： f f o o ：o ：o ：0 ：o ：o ：0 ：0 ；f f 01 ：0 ：0 ：o ：0 ：o ：0 ：0 ：f f 0 3 ：0 ：0 ：o ：0 ：o ：0 ：0 ：f f 0 4 ：0 ：0 ：o ：0 ：o ：0 ：o ； f f 0 5 ：o ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：o ；f f 0 6 ：o ：o ：o ：o ：o ：0 ：0 ：f f 0 7 ：o ：0 ：o ：o ：o ：0 ：0 ；f f 0 8 ：o ：0 ：0 ：o ：0 ：o ：0 ； f f 0 9 ：0 ：o ：o ：0 ：o ：o ：o ：f f o a ：0 ：0 ：o ：o ：o ：0 ：0 ；f f o b ：0 ：o ：0 ：0 ：0 ：o ：0 ； f f o c ：0 ：o ：0 ：0 ：o ：0 ：0 ： 第二章i p v 6 协议研究 f f o d ：0 ：0 ：o ：o ：o ：o ：o ；f f o e ：0 ：o ：o ：o ：0 ：0 ：0 ；f f 。0 f 。：o ：o ：o ：0 ：0 ：0 ：0 所有节点的地址： f f 0 1 ：o ：o ：o ：o ：0 ：0 ：l ( 节点本地) f f 0 2 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：1 ( 链路本地) 所有路由器地址： f f 0 1 ：0 ：0 ：o ：0 ：0 ：o ：2 ( 节点本地) f f 0 2 ：0 ：o ：0 ：0 ：0 ：0 ：2 ( 链路本地) f f 0 5 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：0 ：2 ( 站点本地) 被请求节点的地址： f f 0 2 ：0 ：0 ：0 ：1 ：f f x x ：x x x x 上述地址有被请求节点的单播或者任播地址形成：取被请求单播或任播地址 的低2 4 b i t ，在前面增加前缀f f 0 2 ：0 ：0 ：0 ：1 ：f f 0 0 ：1 0 4 构成。例如，和i p v 6 地址 4 0 3 7 ：0 1 ：8 0 0 ：2 0 0 e ：8 c 6 c 对应的被请求节点组播地址是f f 0 2 ：0 ：0 ：0 ：1 ：f f o e ：8 c 6 c 。 1 2 第三章i p v 4 向i p v 6 过渡的方案 第三章i p v 4 向i p v 6 过渡的方案 i e t f 从1 9 9 2 年起就开始着手制定下一代互联网协议，i p v 6 协议的设计都在 最初的“口下一代协议建设”规范f r f c1 7 5 2 ) ，定义了以下的过渡原则：r 7 】 ( 1 ) 现有的i p v 4 主机可以在任何时候升级，它本身的升级与其他主机和路由 器的升级无关。 ( 2 ) 仅使用i p v 6 协议的新主机可以在任何时候加入到网络中，并且不依赖于 其他主机或路由结构。 ( 3 ) 现有的安装了i p v 6 协议的矾4 主机可以继续使用它们的i p v 4 地址，而 并不需要其他的地址。 ( 4 ) 将现有的i p v 4 节点升级到i p v 6 ，或者部署新的i p v 6 节点，都只需要很少 的改动。 i p v 4 向i p v 6 过渡可以采用分阶段演进的方式，如下：i s 第一阶段，p v 4 “海洋”中有比较少的i p v 6 “孤岛”，可以采用各种适当的 过渡机制。可供选择的隧道机制主要有隧道代理、6o v e r 4 、6 t 0 4 、n a t p t 技术。 第二阶段，i p v 6 “孤岛”越来越多，并逐渐变大，这时采用i p v 4 i p v 6 过渡 机制会更好一些。 第三阶段，这时i p v 6 成为整个网络世界的主流，p v 4 成为一些“孤岛”， 形成i p v 4 “孤岛”和i p v 6 “海洋”并存的局面，可以采用的过渡机制有n a t p t 、 隧道技术等。 第四阶段，i p v 6 成功应用，全部都是纯i p v 6 的“海洋”，这时各节点都采 用基于i p v 6 的通信方式。 目前已有多种策略和技术方案可以实现从d v 4 到i p v 6 的转换，有些已经相 当成熟并且形成了r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s ) ，有的还有待于进一步完善。按 工作原理划分有以下三种：双协议栈( r f c2 8 9 3o b s o l e t er f c1 9 3 3 ) 、隧道技术 ( r f c2 8 9 3 ) 、n a t p t ( r f c2 7 6 6 ) 。这几种方式可以帮助用户由口v 4 向i p v 6 过渡。 3 1 双协议栈( d u a ls t a c k ) 主机同时运行口v 4 和i p v 6 两套协议栈，同时支持两套协议，目前主流操作 系统正处于这一转变中。 1 3 第三章i p v 4 向i p v 6 过渡的方案 现在i p v 6 结点与i p v 4 结点互通的最直接的方式是在i p v 6 结点中加入l p v 4 协议栈。具有双协议栈的结点称作“i p v 6 f l p v 4 结点”，这些结点既可以收发m v 4 分组，也可以收发i p v 6 分组。它们可以使用i p v 4 与i p v 4 结点互通，也可以直 接使用1 1 ，v 6 与i p v 6 结点互通。双栈技术不需要构造隧道，但后文介绍的隧道技 术中要用到双栈。i p v 6 i p v 4 结点可以只支持手工配置隧道，也可以既支持手工 配置也支持自动隧道。 优点：互通性好，易于理解。 缺点：每个i p v 6 节点都需要使用一个内嵌口v 4 地址的i p v 6 地址，这样比 较浪费i p v 4 地址。 适用情况：一般适用于v 4 地址不缺乏的企业或运营商，起临时过渡支持 v 6 网络的作用。 o ，一7 一+ 、