ipv6路由技术分析及其与ipv4的互连探讨.docx
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ipv6路由技术分析及其与ipv4的互连探讨
昌吉学院论文（设计）分类号：
本科毕业论文（设计）密级：
无
毕业论文题目
IPv6路由技术分析及其与IPv4的互连探讨
系院计算机工程系
学科门类工学
专业计算机科学与技术
学号1025829006
姓名王鑫
指导教师马志欣
教师职称副教授
2014年3月28日
毕业论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果或作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
毕业论文版权使用授权书
本毕业论文作者完全了解学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学院保留并向有关毕业论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权本学院及以上级别优秀毕业毕业论文评选机构将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库以资检索，可以采用复印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。
声明人签名：
导师签名：
年月日年月日
摘要
Internet经历了几十年的高速发展，已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
作为整个网络基石的IPv4也已经十分成熟。
但是由于自身的限制，己经逐渐暴露了许多问题和缺点，其中最突出的是IP地址空间将被耗尽和主干路由表不断增长的问题。
于是IPv6被IETF设计出来用以替代IPV4。
作为下一代的互联网协议的IPV6，对比IPV4有如下的特点：
简化的报头和灵活的扩展；足够大的地址范围和层次化的地址结构；即插即用的连网方式；网络层的认证与加密；服务质量的满足；对移动通讯更好的支持。
IPv6必将替代IPv4。
整个网络从IPv4过渡到IPv6需要比较长的时间，两种网络将在今后长期共存。
所以探讨IPv4与IPv6的互联性和过渡技术有重要的意义。
本论文将介绍IPv4的缺点，以及IPv6的诸多优点，分析几种常见通信技术：
双栈技术、隧道技术、NAT-PT协议转换。
在对各种技术进行对比分析的基础之上，提出了自己的见解，对当前的理论进行补充，最后对某些技术的实现进行了实验测试。
关键词：
IPv4；IPv6；互连；隧道技术
AnalysisofIPv6routingtechnologyanditsinterconnectionwiththeIPv4
Abstract
Internethasexperiencedseveraldecadesofrapiddevelopment,hasbecomeanindispensablepartoflife.AsacornerstoneoftheentirenetworkofIPv4hasbeenverymature.However,duetoitsownlimitations,hasbeengraduallyexposedthemanyproblemsandshortcomings.Oneofthemost prominentis theaddressspaceofIP willbeexhausted and themainroutingtable growingproblemtherefore,IETFIPv6wasdesignedtoreplaceIPv4.Asthenextgeneration InternetProtocol IPV6, comparedtoIPV4hasthefollowing characteristics:
simplified header and extension; big enough address space and hierarchy address architecture; Plug and Play internet working; authentication and encryption on network layer; support on service quality; better support on mobile communication. IPv6will replaceIPv4.TheentirenetworkfromIPv4transitiontoIPv6needforalongtime,thetwonetworkswillcoexistforalongtimeinthefuture.SoexploretheIPv4andIPv6connectivityandtransitiontechnologyhasimportantsignificance.
Thispaper introduces thedisadvantagesofIPv4, and themanyadvantagesofIPv6.Analyzeseveralcommoncommunicationtechnology:
dualstack,tunneling,NAT-PTprotocolconversion.On thebasisofcomparison ofvarious technology, putforwardmyviews.Finally,theexperimentaltestsofcertaintechniquesrealization.
KeyWords：
IPv4；IPv6;Interconnection;TunnelTechnology
1绪论
IPv6是“InternetProtocolversion6”的缩写，人们将IPv6称为“下一代IP”。
Internet的迅猛发展，使得网络规模急剧膨胀，信息量直线上升，新应用层出不穷，原有的己发展20多年的网络互连协议版本4——IPv4协议由于其先天的缺陷（地址空间不足、路由选择效率不高、安全性差、服务质量不高以及缺乏对移动的有效支持等），己经不能从根本上适应网络发展的需要。
在这样的背景下，下一代网络标准——IPv6协议应运而生。
IPv6的到来，首先可以立竿见影的缓解IPv4地址枯竭带来的尴尬，其次在灵活性，有效性，功能优化等方面，也大大优于过去的IPv4协议。
经过一个较长的IPv4和IPv6共存的时期，IPv6最终会完全取代IPv4。
1.1论文课题研究的目的与意义
我们为什么需要IPv6？
这个问题可以用一个比较形象的比喻来解释：
传统的马车传递与广袤天空中的航空邮寄，孰优孰劣，众人皆知。
目前使用的IPv4协议已经不堪重负，为此我们做出了不懈的努力包括使用了VLSM可变长子网掩码技术，但却在每时每刻新连接到网络中的设备与人数的巨大压力下，显得杯水车薪
2011年2月4日，互联网域名管理机构（ICANN）在美国迈阿密宣布，IPv4地址库已经告罄。
表1-1
2011年4月，亚太互联网络信息中心（APNIC）宣布，亚太地区互联网协议第四版（IPv4）地址资源仅剩下最后一组。
这意味着亚太地区将率先成为全球第一个IPv4地址资源全部分配完的区域，并意味着IPv6将成为建立全新的互联网网络和服务的必要因素。
1.2IPv6技术国内外发展现状
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。
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。
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。
2012年3月，国家发改委、工信部等多个部委联合发布了关于下一代互联网十二五发展建设的指导意见，提出了2013年以前为商用网的商用试点阶段，2014年到2015年将进入全面商用部署阶段。
过去的几年我们国家的IPv6产业界各方做了围绕着系统和设备研制网络和网站升级改造等重要环节做了大量的工作，目前已有超过1800余款设备和系统通过了全球IPv6论坛，IPv6Ready测试认证，基本涵盖了原有IPv4产品的类型，IPv4和IPv6网络互通产品领域也取得了实质性的进展，能够满足网络不断需求，在网络改造方面，中国电信、中国移动、中国联通三家基础电信企业累计开展了146个城域网的IPv6改造，累计完成了126个数据中心的升级改造工作，在互联网企业改造方面，我部联合发改委通过国家专项资金支持了腾讯、XX、阿里巴巴、新浪等商业网站，及蓝讯、世界互连等CDN和服务平台的IPv6改造工作，网站应用改造工作也取得了积极进展。
我国IPv6用户从2013年8月的2.5%升至目前3%，IPv4向IPv6过渡产品成熟，技术不成屏障，IPv6双栈方案是中国的主流方案。
并且经过几年的努力解决了从.CN域名解析到新预级域名（NewgTLD）解析的域名体系支持IPv6技术步署。
因此，当我们面向IPv6时代时，域名体系技术已经能够稳定地支撑了。
在移动网络方面，LTE给IPv6应用提供了完善接口。
尽管已经取得了巨大的成就，我们也清醒的意识到,国内乃至全球下一代互联网发展进程，相对还是比较缓慢，实现下一代十二五互联网发展建设目标的任务将十分艰巨。
2IPv6协议技术
2.1IPv6协议基础
IPv6是Internet Protocol Version 6的缩写，其中Internet Protocol译为“互联网协议”。
IPv6是IETF（互联网工程任务组，Internet Engineering TaskForce）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。
目前IP协议的版本号是4（简称为IPv4），它的下一个版本就是IPv6。
2.1.1专业术语
下面列出IPv6协议中常用的几个专业术语：
节点：
任何运行IPv6的设备，包括路由器和主机。
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。
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。
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。
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。
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。
2.1.2IPv6与IPv4的比较
（1）IPv4的不足之处
IPv4的不足主要体现在以下几个方面：
1 地址空间的不足
在Internet发展的初期，人们认为网络地址是不可能分配完的，这就导致了对于网络地址分配时的随意性，其结果就是IP地址的利用率较低。
由于组织的存在，IP地址不是一个接一个的分配的，而且由于缺乏经验的地址分类的做法，造成了大量的地址浪费。
分配的过程是按时间顺序进行的，刚开始的时候一个学校可以拥有一个A类网络，而后来一个国家可能只能拥有一个C类网络。
A类网络的数目并不多，因此问题的焦点就集中在B类和C类网络地址上，A类的网络太大，而C类的网络太小，因为后来的几乎所有的申请者都愿意申请一个B类网络，一个B类网络可以拥有65534个主机地址，而往往实际上根本用不了这么多的地址，由于这样的低效率的分配方法，导致了B类地址消耗得特别快。
这样就导致了对现有的IP地址的分配速率很快，导致了IP地址即将被分配完的局面。
2 对现有路由技术的支持不够
由于历史的原因，今天的IP地址空间的拓扑结构都只有两层或者三层，这在路由选择上来看是非常糟糕的。
各级路由器中路由表的数目过度增长，最终的结果是使路由器不堪重负，Internet的路由选择机制因此而崩溃。
当前，Internet发展的瓶颈己经不再是物理线路的速率，ATM技术，百兆/千兆以太网技术的出现使得物理线路的表现有了显著的改善，现在路由器的处理速度成为阻碍Internet发展的主要因素。
而IPv4天生设计上的缺陷更大大加重了路由器的负担。
首先，IPv4的分组报头的长度是不固定的，这样不利于在路由器中直接利用硬件来实现分组中路由信息的提取、分析和选择。
其次，目前的路由选择机制仍然不够灵活，对每个分组都进行同样过程的路由选择，没有充分利用分组间的相关性。
再次，由于IPv4设计时未能完全遵循端到端通信的原则，加上当时物理线路的误码率比较高，使得路由器还要具备以下两个功能:
a）根据线路的MTU来分段和重组过大的IP分组
b）逐段进行数据校验
这样同样会造成路由器处理速度降低。
3 无法提供多样的QOS
随着Internet的成功和发展，商家们己经把更多的关注投向了Internet，他们意识到这其中蕴含着巨大的商机，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和带宽要求很高的实时多媒体业务如语音、图像等，包括对安全性要求很高的电子商务业以及发展越来越迅猛的移动IP业务等。
这些业务对网络QoS的要求各不相同。
但是，IPv4的设计时没有引入QOS这样的概念，在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。
虽然人们提出了一系列的技术例如：
NAT、CIDR、VLSM、RSVP等来缓解这些问题，但这些方法都只是权宜之计，解决不了因地址不多及地址结构不合理而导致的地址短缺的根本问题。
最终IPv6应运而生。
（2）IPv6的众多优点
IPv6的优点主要有以下几点
1 128比特地址长度，大大增加了地址空间
IPv6地址长度为128比特，也就说IPv6协议最多支持2的128次方个地址，较于IPv4的32比特地址长度，其地址空间增加了2的96次方比特，很好的解决了IPv4地址空间不足的致命缺陷。
2 层次化的地址结构，提高路由效率
IPv6的地址空间采用了层次化的地址结构，利于路由快速查找，同时借助路由聚合，可减少IPv6路由表的大小，提高路由设备的转发效率。
3 地址自动配置
为了简化主机配置，IPv6支持有状态地址配置（Stateful Address Autoconfiguration）和无状态地址配置（Stateless Address Autoconfiguration）。
对于有状态地址配置，主机通过服务器获取地址信息和配置信息。
对于无状态地址配置，主机自动配置地址信息，地址中带有本地路由设备通告的前缀和主机的接口标识。
如果链路上没有路由设备，主机只能自动配置链路本地地址，实现与本地节点的互通。
4 IPv6报文头简洁，灵活，效率更高，易于扩展
IPv6和IPv4相比，去除了IHL、identifiers、Flags、Fragment Offset、Header Checksum、Options、Padding域，只增了流标签域，因此IPv6报文头的处理较IPv4大大简化，提高了处理效率。
另外，IPv6为了更好支持各种选项处理，提出了扩展头的概念，新增选项时不必修改现有结构就能做到，理论上可以无限扩展，体现了优异的灵活性。
5 支持端到端安全
因此，在IPv6中支持端到端的安全要容易的多。
IPv6中支持为I P 定义的安全目标：
保密性（只有预期接收者能读数据）、完整性（数据在传输过程中没有被篡改）、验证性（发送数据的实体和所宣称的实体完全一致）。
6 支持移动特性
IPv6协议规定必须支持移动特性，任何IPv6节点都可以使用移动IP移动功能。
和移动IPv4相比，移动IPv6使用邻居发现功能可直接实现外地网络的发现并得到转交地址，而不必使用外地代理。
同时，利用路由扩展头和目的地址扩展头移动节点和对等节点之间可以直接通信，解决了移动IPv4的三角路由、源地址过滤问题，移动通信处理效率更高且对应用层透明。
7 新增流控标签，更利于QoS
IPv6报文头中新增了流标签域（Flow Label字段），源节点可以使用这个域标识特定的数据流。
转发路由器和目的节点都可根据此标签域进行特殊处理，如视频会议和VOIP等数据流。
2.2IPv6的报头结构
图2-1为IPv6与IPv4报文头部对比。
IPv4报头格式
Version
IHL
TypeofService
TotalLength
Identification
Flags
FragmentOffset
TimeToLive
Protocol
HeaderChecksum
SourceAddress
DestinationAddress
Options
Padding
IPv6报头格式
Version
TrafficClass
FlowLabel
PayloadLength
NextHeader
HopLimit
SourceAddress
DestinationAddress
图2-1IPv6和IPv4报头格式对比
从图2.1中我们可以看出，与IPv4报头相比，虽然IPv6大大增加了地址部分的长度，但其基本的报头区只占用了更少的信息量。
这样的设计可以弥补IPv6较长地址所占用的带宽。
现在我们简单的分析IPv6报头所包含的信息：
版本（Version）：
长度为4位。
该区段标明了报头的基本格式、该字段的数值为6.
传输类别（TrafficClass）：
长度为8位。
主要作用于信源节点和转发路由器。
用于区分报头的优先级级别。
流标签字段（FlowLabel）：
长度为20位。
是一个特定的数据包序列。
用于标识这个数据包术语源节点和目标之间的信息。
是IPv6新增的字段。
负载长度（PayloadLength）：
长度为16位。
它是指紧跟IPV6报头的数据包的其他部分。
相当于IPv4的头长度减去固定长度。
下一跳包头（NextHeader）：
长度为8位。
相当于IPv4的protocol字段或者表示扩展包头类型。
跳数限制（HopLimit）：
这一字段的设置是为了防止环路的产生。
IPv6只改变TTL，没有校验和，取消了校验位。
信息源地址（SourceAddress）：
标明发送方的地址。
长度为128位。
目的地址（DestinationAddress）：
标明接收方的地址。
长度为128位。
IPv6使用了固定和简化的报头格式，报头中只保留了最重要的功能，而对于一些非关键性的功能则放在了扩展报头中实现，使设计更加透明。
使用层次化的网络结构，提高了路由效率。
总的来说，IPv6的报文头相对于IPv4更加简洁，灵活，效率更高，易于扩展。
2.3IPv6地址
2.3.1IPv6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）地址
IPv6单播地址标识了一个接口，由于每个接口属于一个节点，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。
每个接口上至少要有一个链路本地单播地址，另外还可分配任何类型（单播、泛播和多播）或范围的IPv6地址。
所有格式前缀不是多播格式前缀（11111111）的IPv6地址都是IPv6单播格式（泛播和IPv6单播格式相同）。
IPv6单播地址和IPv4单播地址一样可聚合。
目前定义了多种IPv6单播地址格式，包括可聚合全球单播地址、NSAP地址、IPX层次地址、站点本地地址、链路本地地址和具有IPv4能力的主机地址（嵌入IPv4地址的IPv6地址）。
目前广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址。
128-nbits
nbits
subnetprefix
InterfaceID
图2-2IPv6单播地址格式
IPv6单播地址由子网前缀和接口ID两部分组成。
子网前缀由IANA、ISP和各组织分配。
接口标识符目前定义为64比特，可以由本地链路标识生成或采用随机算法生成以保证唯一性。
（2）组播（multicast）地址
组播地址也称多播地址。
组播地址也被指定到一群不同的接口，送到组播地址的数据包会被传送到所有的地址。
组播地址由皆为一的字节起始，亦即：
它们的前置为FF00:
:
/8。
其第二个字节的最后四个比特用以标明"范围"。
如图2.2
8
4
4
112
11111111
标志
范围
组标示符
图2.2IPv6组播地址格式
标志位为0000表示是永久保留的组播地址，分配给各种技术使用。
标志位为0001表示是用户可使用的临时组播地址。
范围段定义了组播地址的范围，其定义如下：
00011本地接口范围
00102本地链路范围
00113本地子网范围
01004本地管理范围
01015本地站点范围类似组播的私网地址
10008组织机构范围
1110E全球范围类似组播的公网地址
下面是一些组播指定地址：
FF02:
:
1allnodes在本地链路范围的所有节点，包括路由器，电脑，只要运行IPV6。
相当于Ipv4中的244.0.0.1
FF02:
:
2allrouters在本地链路范围的所有路由器，相当于Ipv4中的224.0.0.2
FF02:
:
5allOSPFrouters
FF02:
:
9allriprouters所有运行RIP的路由器，相当于Ipv4中的224.0.0.9
FF02:
:
Aallrigrprouters运行所有eigrp的路由器
FF05:
:
2在一个站点范围内的所有路由器
（3）任意播地址----Anycastaddress
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。
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。
2.3.2IPv6地址的格式
IPv6地址包括128比特，由使用由冒号分隔的16比特的十六进制数表示。
16比特的十六进制数对大小写不敏感。
如：
FEDC:
BA98:
7654:
3210:
FEDC:
BA98:
7654:
3210。
另外，对于中间比特连续
升级会员 