IPv4及IPv6网络互连

1、IPv4与IPv6网络互连的探讨与实现摘 要现如今，IPv4地址资源已经接近枯竭，IPv4向IPv6过渡属于必然趋势，这迫使在部署下一代互联网时，不得不将如何使IPv4向IPv6的平稳过渡纳入考虑的问题内。目前比较成熟的几种IPv4/IPv6转换技术中，比较成熟的有NAT-PT，隧道以及双协议栈技术。但这些也都只是初期技术，大部分的IPv6网络还都处在实验阶段。目前的网络技术是IPv6的海洋，某些IPv6网络只是其中零散的小小的岛屿。在现阶段需求IPv6访问IPv4网络时，对于目前过渡期间的访问技术的研究和完善则成为必需。本文分析了新的网络协议IPv6出现的必然性及必要性，并对IPv6的新特性

2、与新技术做了简单的介绍。讨论了过渡阶段IPv6访问IPv4所采用的多种过渡技术，在对各种技术进行比较的基础之上，提出了自己的见解。最后对某些技术的实践进行了实践测试。关键字：IPv6 隧道技术 双协议栈 NAT-PT 第一章 绪论1.1 IPv6技术国内外的发展现状中国是当前全球最急需IP地址的国家之一，因此在IPv6标准制订以及产业化和商业化的进程中都显得非常积极。在中国的IPv6产业化进程中，我国政府对IPv6技术及产业发展给予了极大的关注与支持， “积极跟踪、把握机遇、稳妥推进”是中国对于IPv6技术的态度，在大力推行政策支持的同时会进行网上实验，掌握IPv6在实际运行中的各种技术。但是

3、IPv6协议在全国全面实现短时间内还不可能完成。中国密切关注着IPv6的发展，目前很多的内地高校和科研机构已经与国外一些运营商合作，对IPv6进行研究实验。美国之前拥有着全球74%的IP地址资源，所以对IPv6的态度一直略显得不关心17】。直到思科于2001年7月10日宣布与微软、IBM、惠 普、SUN和摩托罗拉结成伙伴关系，共同推进IPv6硬件和软件的开发。这也体现出了IPv6的重要性。在欧洲，各国政府对IPv6的发展都给予了高度的关注与支持。欧洲各国虽没有像亚太地区一样紧缺IP地址，但在IPV6的发展上不想落后于日本这样的国家，并且想通过IPV6挽回同美国之间的差距。目前欧洲各国正大力发展

4、IPv6技术，专家认为欧洲的3G将在1-2年内进入全面应用阶段。在亚太地区，IP地址的资源相对比较紧张，所以大多数国家起步较早，并且走在了世界前列。此中，日本对IPV6表现的兴趣最大，政府已制定了“E-JAPAN”的战略。其他的经济较发达国家对新的技术也很有兴趣。新加坡，韩国都投入大量的技术和资金，去尝试IPv6的普及。第二章 IPv6协议研究2.1 IPv6协议基础2.1.1 IPv6协议基础介绍IPv6的全称是“互联网协议第六版”。1993年发布提案征求，有三个方案纳入考虑： l 因特网公共结构（CATNIP），提议用网络业务接入点（NSAP）地址融合CLNP、IP和IPXl 增强得简单因

5、特网协议（SIPP），提议将IP地址长度增加到64比特，改进IP包头l CLNP 贬值网络上的TCP/UDP,建议用无连接的网络协议CLNP，代替IP，TCP/UDP和其它上层协议运行在CLNP之上。2.1.2 专业术语下面列出IPv6协议中常用的几个专业术语：l 节点：任何运行IPv6的设备，包括路由器和主机。l 主机：只能接受数据信息，而不能转发数据信息的节点。IPv6中的主机不仅包括计算机等，还包括各种家用电器和其他电子器械。l 子网：使用相同的64位IPv6地址前缀的一个或多个链路。一个子网可以被内部子网路由器分为几部分。l 路由器：路由器是一种连接多个网络的网络设备，它能将不同网络之

6、间的数据信息进行转发。IPv6网络中，路由器是一个非常重要的角色，它会把一些配置信息向外通告。l 邻节点：连接到同一链路上的节点。这是一个非常重要的概念。因为IPv6的邻节点发现机制具有解析邻节点链路层地址的功能，并可以检测和见识灵节点是否可以到达。l 上层协议：紧挨着IPv6之上的一层协议，将IPv6用作运输工具。主要包括Internet层协议和传输层协议，但不包括应用层协议11。 l 目的地址：标明接收方的地址。长度为128位。2.3 IPv6地址2.3.1 IPv6地址的类型IPv6地址可分为三大类：单播地址，组播地址，任意播地址。（1）单播 - unicast：one to one（2

7、）组播地址 - Multicast（3）任意播地址 - Anycast address任意播是多个设备共享一个地址，它应用在one-to-nearest（一到近）模式。像组播地址一样，任意播地址能够识别多个接口，但他们之间有很大的不同：任播包只被传送到一个距离本路由器最近的那个接口地址5.单播地址用来分配任意播地址。对于那些没有配置任意播的地址就是单播地址，但是当一个单播地址分配给不止一个借口的时候，单播地址就成了任意播地址。例如，当手机通信和其他的移动设备离开本地，漫游到其他区域时，不必接入原始的接入点，只需要找到最近的网络服务接入点即可。2.3.2 寻址模型IPv6寻址模型与IPv4相类似

8、。即每个单播地址可以表示一个单独的网络接口。IP地址会被分配到接口，而不是节点。因为每个接口属于节点，每个节点可以具备多个IPv6地址，任何一个地址都可以坐标表示该节点的标识符。但是一个单播地址只能与一个网络接口相关联，而每个网络接口都至少必须拥有一个单播地址。另一方面，具有大于链路范围的单播地址，对这样的接口是不需要的。也就是从非邻居到非邻居的接口，这并不是IPv6数据的源地址或目的地址。这种模式的寻址模型有一种例外，即当多个接口同时被处理时，一个单播地址或者一个单播地址可以同时分配给多个接口。这种情况对于建立在接口上的负载共享会起到较大的帮助。当前网络的发展情况要求了每个网络接口只分配一个

9、全球唯一的单播地址，这限制了IPv4地址的扩展，一个提供通用服务的服务器在需求量较大的情况下可能发生崩溃。2.3.3 IPv6地址分配（1） IPv6地址分配原则：l 唯一性。被分配出去的IPv6地址必须保证在全球范围内是唯一的，以保证每台主机都能被正确的识别。l 可记录性。已分配出去的地址块必须记录在数据库中，为定位网络故障提供依据l 可聚合性。地址空间应该尽量划分为层次，以保证聚合性，缩短路由表长度。同时，对地址的分配要尽量避免地址碎片出现。l 节约性。地址申请者必须提供完整的书面报告，证明它确实需要这么多地址，同时，应该避免闲置被分配出去的地址。l 公平性。所有的团体，无论其所处地理位置

10、或所属国家，都具有公平的使用IPv6全球单播地址的权力、l 可扩展性。考虑到网络的高速增长，必须在一段时间内留给地址申请者足够的地址增长空间，而不需要它频繁的向上一级组织申请新的地址。 1（2） IPv6地址分配策略目前，IPv6的地址空间管理是按规定的等级结构在全球范围内分配的，即按IANA-区域注册机构RIR-国家注册机构NIR-ISP/本地注册机构LIR-最后用户或ISP的层次结构进行地址分配。IPv6地址分配有两种策略：第一种是主机分配策略，在该策略下，上册注册机构将地址划分给下层注册机构进行分配与管理；另一个是指派策略，注册机构直接将地址分配给用户使用。为了Internet发展的长远

11、利益，IPv6地址空间管理的目标确定为保证世界范围内IP地址的唯一性，统一在注册数据库中注册、尽最大可能保证易聚合、避免空间浪费、分配公平公正及注册管理开销的最小化等。一般情况下，在IPv6地址分配策略中，聚合的目标被认为是最重要的。 6（3） 三种地址规划方案目前，IPv6地址共有三种地址规划方案：l 根据地理范围进行划分，为在地理上术语统一范围所有子网分配共同的网络前缀。l 根据组织范围进行划分，为属于同一组织的所有团体分配共同的网络前缀。l 根据服务类型进行划分，为预定义好的服务分配特定的网络前缀。7第三章 IPv4与IPv6互连技术的实现3.1 模拟器简介及配置命令基本介绍在配置IPv

12、4与IPv6互连的实验中，我们使用的是Dynamips GNS3模拟器。这款模拟器基于硬件模拟的思科路由模拟器，该模拟器可以加载真实的思科路由器的IOS，实验效果和真实的网络环境基本没有区别，它模拟出路由器的硬件环境，然后在这个环境下直接运行思科的IOS，其模拟的真实性几乎可以完成所有的路由配置实验。在实验配置的过程中，给路由器做配置的过程中我们输入的命令都包括一定的功能，下面我们对一些较常见的命令做简单的介绍：l en：enable 的缩写，此命令可使操作者进入路由器的全功能模式。l conf t：configure terminal的缩写，表示从终端执行配置命令。l no sh：no sh

13、utdown的缩写，此命令取消了路由器的自动关闭功能。l ipv6 unicast-routing：这条配置语句可以启动路由协议，开启IPv6单播路由功能，一些简单的路由网络的联通都会依靠此命令。l ipv6 nat：对此命令的当前接口开启NAT-PT转换。l tunnel mode ipv6ip：此命令标明配置的隧道模式是IPv6到IPv4。l ipv6 nat prefix 2001:/96 ：这条配置语句声明了IPv6转换报文的前缀长度，例子中的前缀长度即为96。 了解这些简单的配置语句，对理解实验配置会起到很好的帮助作用。3.2 实现局域网内部的IPv6主机互连的实验在IPv6局域网中

14、，实现IPv6主机的互通是比较简单的一种配置。本实验使用了两台2691路由器来模拟IPv6主机。下面是本实验的拓扑图3.1:图3.1 IPv6局域网中IPv6主机互连拓扑图下面是在路由器上做的配置:在PC1上的配置: Router> Router>en Router#conf t Router(config)#ho PC1 PC1(config)#int f0/0 PC1(config-if)#ipv6 add 2000:1/64 PC1(config-if)#no sh在PC2上做的配置: Router>Router>enRouter#conf tRouter(con

15、fig)#ho PC2PC2(config)#int f0/0PC2(config-if)#ipv6 add 2000:2/64PC2(config-if)#no sh我们来检验实验结果:在PC1上ping PC2：PC1#ping 2000:2Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2000:2, timeout is 2 seconds:!Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 16/41/64 ms在PC2上ping PC

16、1：PC2#ping 2000:1Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2000:1, timeout is 2 seconds:!Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 16/36/100 ms这表明，在IPv6局域网内两台IPv6主机的互通已经实现。3.3 IPv4与IPv6网络互连的实现本实验通过隧道技术，来实现IPv4网络与IPv6网络的互连的实现。隧道机制在现有的IPv4基础设施中配置IPv6时，会以IPv4网络作为

17、传输层，将一个IPv6孤岛内的IPv6主机、路由器等设备通过数据传输给另外一个IPv6孤岛，实现IPv6孤岛间的通信。采用隧道技术，可以利用现有的IPv4网络，将小的IPv6孤岛合并成大型的IPv6网络，最终通过技术和设备的更新，完成大规模范围内的纯IPv6网络。本实验所配置的隧道实验环境，由4台Cisco2691路由器来完成。2台路由器模拟IPv4路由器，另外2台分别模拟两个IPv6孤岛。本实验的配置拓扑图3.2:图3.2 IPv4与IPv6互连隧道技术拓扑图在R1上的配置如下:Router>enRouter#conf tRouter(config)#ho R1R1(config)#i

18、nt f0/0R1(config-if)#ip add 192.168.0.1 255.255.255.0R1(config-if)#no shR1(config-if)#exiR1(config)#int tunnel 0R1(config-if)#ipv6 add 2000:1/64R1(config-if)#tunnel source 192.168.0.1R1(config-if)#tunnel destination 192.168.0.2R1(config-if)#tunnel mode ipv6ipR1(config-if)#exiR1(config)#int lo 0R1(co

19、nfig-if)#ipv6 add 2001:1/64R1(config-if)#exiR1(config)#ipv6 unicast-routingR1(config)#ipv6 route 2002:/64 tunnel 0在R2上的配置如下:Router>enRouter#conf tRouter(config)#ho R2R2(config)#int f0/0R2(config-if)#ip add 192.168.0.2 255.255.255.0R2(config-if)#no shR2(config-if)#exiR2(config)#int tunnel 1R2(conf

20、ig-if)#ipv6 add 2000:2/64R2(config-if)#tunnel source 192.168.0.2R2(config-if)#tunnel destination 192.168.0.1R2(config-if)#tunnel mode ipv6ipR2(config-if)#exiR2(config)#int lo 0R2(config-if)#ipv6 add 2002:2/64R2(config-if)#exiR2(config)#ipv6 unicast-routingR2(config)#ipv6 route 2001:/64 tunnel 1配置完成，

21、检验结果.在R1上ping IPv6孤岛2002:2，结果如下:R1>ping 2002:2Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2002:2, timeout is 2 seconds:!Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 72/104/172ms在R2上ping 另一个IPv6孤岛2001:1，结果如下：R2#ping 2001:1Type escape sequence to abort.Sending 5,

22、100-byte ICMP Echos to 2001:1, timeout is 2 seconds:!Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 84/112/160ms隧道配置的过程并不是很复杂，但要求在每个路由器上都配置隧道的目的地址，同时每两个路由器之间都需要建立一个隧道机制，这个配置工作量比较大，只适用于小型网络。3.4 6to4隧道配置6to4隧道的配置与配置隧道不同，6to4隧道的目的地址不需要配置，而是由IPv6地址转化生成。在运行过程中，在6to4站点内，IPv6主机在请求通过域名访问6to4站点内

23、的其他IPv6主机时，访问方的主机会优先选择带有6to4前缀的IPv6地址发送一个数据包到最近的一个路由器，依此步骤，直至到达目的站点旁的路由器。下面将配置一个6to4隧道的实验，由4台Cisco2691路由器来完成。2台路由器模拟IPv4路由器，另外2台模拟IPv6站点。6to4隧道实验的拓扑图如图4.3:图4.3 6to4隧道实现IPv4/IPv6互连拓扑图在R1上的配置如下: Router>enRouter#conf tRouter(config)#ho R1R1(config)#int f0/0R1(config-if)#ip add 192.168.0.1 255.255.25

24、5.0R1(config-if)#no sh R1(config-if)#exiR1(config)#int lo 0R1(config-if)#ipv6 add 2002:c0a8:1:1/64R1(config-if)#int tunnel 0R1(config-if)#tunnel source 192.168.0.1R1(config-if)#ipv6 unnumbered lo 0R1(config-if)#tunnel mode ipv6ip 6to4R1(config-if)#exiR1(config)#ipv6 unicast-routingR1(config)#ipv6 ro

25、ute 2002:/16 tunnel 0在R2上配置如下:Router>enRouter#conf tRouter(config)#ho R2R2(config)#int f0/0R2(config-if)#ip add 192.168.0.2 255.255.255.0R2(config-if)#no shR2(config-if)#exiR2(config)#int lo 0R2(config-if)#ipv6 add 2002:c0a8:2:2/64R2(config-if)#int tunnel 0R2(config-if)#tunnel source 192.168.0.2R

26、2(config-if)#ipv6 unnumbered lo 0R2(config-if)#tunnel mode ipv6ip 6to4R2(config-if)#exiR2(config)#ipv6 unicast-routingR2(config)#ipv6 route 2002:/16 tunnel 0配置完成，检验配置。在R1上ping 2002:c0a8:2:2，结果如下:R1#ping 2002:c0a8:2:2Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2002:C0A8:2:2, timeo

27、ut is 2 seconds:!Success rate is 100 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 92/120/156 m在R2上ping 2002:c0a8:1:1，结果如下:R2#ping 2002:c0a8:1:1Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2002:C0A8:1:1, timeout is 2 seconds:.!Success rate is 80 percent (4/5), round-trip min/avg/max = 8

28、4/109/136 ms数据包发送接收显示正常，6to4隧道建立完成。3.5 IPv6网络NAT-PT动态映射实验配置本实验配置了NAT-PT技术来进行IPv4与IPv6 的转换，NAT-PT将协议进行翻译，作为通信的中间设备，使IPv4与IPv6站点间可以相互通信。实验中使用三个2691路由器，连接另外两台路由器的中间路由器模拟NAT设备，实现网关转换。图3.4是本实验的拓扑图：图3.4 NAT-PT实验拓扑图在IPv4网络上配置如下：Router>enRouter#conf tRouter(config)#int s0/0Router(config-if)#ip add 192.16

29、8.0.2 255.255.255.0Router(config-if)#no shRouter(config-if)#exitRouter(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.0.1在IPv6网络上配置如下：Router>enRouter#conf tRouter(config)#int s0/1Router(config-if)#ipv6 add 2000:2/64Router(config-if)#no shRouter(config-if)#exitRouter(config)#ipv6 route :/0 2000:1Router(

30、config)#ipv6 unicast-routing在NAT上配置如下：Router>enRouter#conf tRouter(config)#int s0/1Router(config-if)#ipv6 add 2000:1/64Router(config-if)#no shRouter(config-if)#ipv6 natRouter(config-if)#exiRouter(config)#int s0/0Router(config-if)#ip add 192.168.0.1 255.255.255.0Router(config-if)#no shRouter(confi

31、g-if)#ipv6 natRouter(config-if)#exiRouter(config)#ipv6 nat v4v6 source 192.168.0.2 2001:1Router(config)#ipv6 nat v6v4 source 2000:2 192.168.1.1Router(config)#ipv6 nat prefix 2001:/96Router(config)#ipv6 unicast-routing至此配置工作完成，下面来检验配置结果：在IPv4网络上尝试ping 192.168.1.1Router#ping 192.168.1.1Type escape seq

32、uence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 192.168.1.1, timeout is 2 seconds:.!Success rate is 60 percent (4/5), round-trip min/avg/max = 100/113/128 ms在IPv6网络上检验配置结果：Router#ping 2001:1Type escape sequence to abort.Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 2001:1, timeout is 2 seconds:!Success rate is

33、 60 percent (5/5), round-trip min/avg/max = 132/162/224 ms通过检验，NAT-PT动态实验配置实现3.6本章小结本章节主要验证了再目标网络内通过6to4隧道实现IPv4网络与IPv6网络的互连，并对实验结果做出了分析，验证了本文提出的目标网络内通过6to4隧道实现IPv4网络与IPv6网络互连的可行性和实验工具的可用性。然而在实际的工作中，要根据实际需求，准确的分析应用的使用范围、类型和系统要求，合理使用转换机制，实现网络互连。第四章 总结与展望4.1 本文主要完成工作在IPv6网络完全取代IPv4网络之前，IPv4与IPv6网络的互连及

34、互相存在、相互依靠会是一直存在的研究课题。而且IPv4与IPv6网络的互连技术的实现也关系到了IPv4能否向IPv6平稳过渡，因此对相关技术的研究和相关软件开发有着理论价值和实际意义。本文详细研究了IPv6协议中几个比较重要的基本原理，包括：IPv6协议的新特性、IPv4与IPv6报头的比较、IPv6地址技术及IPv4与IPv6网络的转换机制，通过对IPv6协议系统的分析与研究，主要完成了下面的一些工作：（1） 分析了当今网络环境下IPv6发展的必然性及研究该课题的目的和意义。通 过比较国内外发展状况，展现国内对IPv6的重视程度。（2） 对IPv4与IPv6的报头进行详细的比较，分析了IPv

35、6的地址格式并罗列出IPv6的寻址模型，对IPv6地址分配策略做出了解释，体现出IPv6的优势所在。（3） 分析了几种IPv4与IPv6的转换机制，研究了几种机制工作所需要的环境及条件。同时，对双协议栈、NAT-PT技术和隧道技术这三种网络过渡技术做出对比。详细列出了这三种过渡技术在使用环境中的要求。比如隔着IPv4网络环境中的IPv6网络节点间如何通信以及IPv4节点与IPv6节点间的通信问题等等。（4） 使用Dynamips模拟器模拟网络环境，分别完成了IPv6局域网内IPv6主机的通信、建立隧道实现IPv4网络环境中IPv6孤岛的互连和6to4配置隧道实现IPv6站点互连的三个实验。证明了隧道技术实现IPv4网络与IPv6网络互连的可行性4.2 前景与展望IPv6互联网的建设和应用已被列为国家重要的战略发展规划项目之一，国家也大力支持IPv6网络的开发