ipv6与ipv4互联技术的探讨大学论文.docx

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ipv6与ipv4互联技术的探讨大学论文

IPv6与IPv4互联技术的探讨

摘要：

随着Internet的发展尤其是规模爆炸式的增长，IPv4固有的一些缺陷也逐渐暴露出来，包括地址枯竭、路由瓶颈、安全和服务质量难以保障等问题。

在此背景下，新的网络层协议IPv6它克服了IPv4的诸多不足而显示出许多新的特性。

但IPv6网络完全替代IPv4网络并非是一朝一夕的事情，IPv4现已具备相当完善的网络环境与设备生产，各种网络协议和通信协议都是以IPv4为技术基础，在未来几十年内网络世界将会出现IPv6与IPv4共存互联的局面，针对这种状况IETF也提出了很多的过渡互联技术，主要包括双栈、隧道和协议转换三种技术，但却没有一种互联技术是通用的，都有各自的局限性，现在更多的采用几种过渡互联技术混合使用，实现以最小的代价达到平稳过渡。

本论文分析和论述了IPv6提出的背景和必要性，同时深入讨论了IPv6协议显示出的新特性及在过渡期间存在的问题，着重探讨了双栈、隧道和协议转换三种过渡互联技术，以及每种过渡互联技术采用的方法与机制，并对其进行了模拟与分析，最后基于xxx校园网给出了自己的过渡设计方案

关键词：

IPv4；IPv6；互联技术；过渡策略；校园网

ResearchontheTransitionStrategy

fromIPv4toIPv6

Abstract：

WiththedevelopmentoftheInternetisthescaleoftheexplosivegrowthoftheIPv4inparticular,aspectsofIPv4networkexposestheproblemsanddisadvantages,includingaddressdepletionandroutingbottlenecks,safetyandservicequalitydifficulttoguarantee.Inthecontext,akindofnetworkprotocol,namedIPv6,itovercomesanumberofshortcomingstoshowthemanynewfeaturesthatareinlinewiththedemandoftodaynetwork.However,IPv6replacingtotallyIPv6neverbenotanovernight.IPv4networkhasalreadyownexcellentnetworkstructureandproductionequipment,avarietyofnetworkandcommunicationprotocolsbasedonIPv4.SotherewillbeasituationofIPv6andIPv4coexistenceoverthecomingdecades.Inthefaceofthis,IETFhaveputforwardthetransitionstrategies,includingdualstack,tunnelandNAT-PTbutanyofallkindsofstrategiesiscommonthathasitsownlimitations.Now,thecoexistenvironmentofIPv4andIPv6adoptseveralstrategiesatthesametime,thathelpsmooththetransitionwiththeleastprice.

ThispaperleadstothebackgroundandnecessityaboutIPv6proposed,meanwhile,discussedtheIPv6protocolshowsthenewfeaturesandtheproblemsduringthetransitionperiod.Thepaperfocusonthreetransitionstrategies,includingdualstack,tunnelandNAT-PT,aswellasdiscussedeachoftransitionstrategiesusingavarietyofmethodsandmechanisms.Basedontransitiontechnology,buildanetworkenvironmentforthecommunicationcrossnetwork.Finally,basedonmycampusoftheSWUST,Iproposeowntransitionprogram.

Keywords:

IPv4,IPv6,interconnectiontechnique,transitionstrategy,campusnet

目录

第1章绪论1

1.1背景及研究意义1

1.2国内外研究现状1

1.3研究内容2

第2章IPv4向IPv6过渡概述3

2.1IPv4局限性3

2.2IPv6的新特性4

2.2.1IPv6协议结构5

2.2.2IPv6地址结构7

2.2.3IPv6路由协议的变化9

2.2.4QOS11

2.2.5安全性11

2.2.6移动性12

2.3IPv6过渡存在的问题12

2.3.1技术上的问题12

2.3.2商业政治的问题13

第3章IPv6与IPv4互联技术15

3.1互联技术的概述15

3.2双栈技术15

3.2.1双栈技术工作原理15

3.2.2基本双栈（DSM）17

3.2.3有限双栈（LDSM）17

3.2.4双栈翻译技术（DSTM）17

3.3隧道技术18

3.3.1隧道技术工作原理18

3.3.2手工配置隧道19

3.3.3基本的自动隧道技术19

3.3.4多播隧道6over420

3.3.56to4机制21

3.3.6ISATAP21

3.4协议转换技术22

3.4.1协议转换概述22

3.4.2SIIT23

3.4.3NAT-PT23

3.4.4BIS24

3.4.5BIA24

3.4.6TRT25

3.4.7SOCK6425

3.5过渡技术的模拟与分析25

3.5.1基于双栈技术的模拟与分析25

3.5.2基于隧道技术的模拟与分析28

3.5.3基于协议转换技术模拟与分析31

第4章基于xxx校园网的过渡方案设计35

4.1xxx校园网概述35

4.2校园网过渡三阶段36

4.3xxx校园网过渡方案设计36

4.3.1设计原则37

4.3.2升级的内容37

4.3.3过渡设计方案39

4.3.4综合分析41

4.4Windows操作系统下IPv6协议安装与配置41

4.4.1IPv6协议的安装41

4.4.2PC主机隧道配置43

4.5校内网双栈交换机升级配置44

4.6新增cisco7602路由器升级配置45

结论47

致谢47

参考文献49

第1章绪论

1.1背景及研究意义

尽管IPv4的发展带给了整个世界的巨大成功，但伴随着网络世界的发展，IPv4也开始显示出它的局限性，特别是地址不够用，虽然后来推出了CIDR和NAT技术，但这只能延缓IPv4地址的殆尽，不仅不能解决根本问题，反而增加了地址解析与处理方面的开销。

此外，IPv4设计之初在安全性、服务支持考虑的不够周全，如今也不断暴露出问题，为了能够从根本上解决问题，IETF提出了发展下一代Internet网络协议—IPv6协议，来替代IPv4协议。

IPv6技术的升级虽已是全世界公认的事实，但从现有的IPv4网络直接过渡到IPv6网络还面临着想当大的困难，这其中包括技术问题、商业问题，甚至还牵扯到政治问题。

因此如何将IPv6的小岛与IPv4的大海互联才是现在所要解决的，即如何使24位地址与128位地址互相通信的问题，这也是本论文要研究的双栈、隧道、地址协议转换三大过渡技术以及它们所采用的方法与机制。

1.2国内外研究现状

美国是IPv4的发源地，当然也想在IPv6的发展中占有优势，一直以来，美国都在积极的做着IPv6的研究与生产应用，如今，一些研发IPv6技术的主要国际组织也集中在美国，如IETF，6Bone。

在欧洲，3GPP组织已将未来的IP基本协议定位为IPv6，2001年成立的IPv6taskforce以及2002年启动的6net与euro6ix实验网都显示了欧洲国家对IPv6发展的重视。

然而，我们这些面临着IPv4地址极度匮乏的亚太国家，IPv6新技术其实对我们信息技术的发展无疑是一次重大的机遇，早在1998年，韩国电子与电信研究院就建设了第一个IPv6实验网，并引入6boneKR，后来还制定了IPv4向IPv6演化的三个阶段。

日本更是把握先机，成为全世界研究和应用推动IPv6技术和网络最快的国家，如今，日本已经形成了IPv6运营商、IPv6设备提供商、IPv6终端提供商、IPv6用户这样一个完整的产业链，日本的IPv6也因此走在了世界的最前端。

20世纪末，我国也开始有关于IPv6关键技术的重大项目的立项，同时，我国各高校、研究院等也相继建成了IPv6的试验床或实验网络。

虽然中国IPv6的研究明显晚于韩国、日本等国，但中国的网络及其通信市场的巨大空间和前景，也将有机会和潜力在未来的IPv6产业化进程中显示着举足轻重的作用。

1.3研究内容

本论文先介绍了IPv4协议的局限性以及IPv6显示出的新特性，引出IPv4向IPv6过渡的必要性，再着重探讨和实现了IPv6与IPv4互联的三大技术,最后基于xxx校园网，根据实际情况，提出自己过渡设计方案

1）首先介绍了IPv6出现的背景与意义，以及当今国内国外对IPv6研究及发展的现状。

2）接着对IPv4向IPv6的过渡进行一个概述，主要介绍了IPv4的局限性和IPv6基于IPv4显示出的新特性，并分析了在过渡期间面对的一些必不可少的问题。

3）然后介绍了IPv6与IPv4互联技术，着重探讨了双栈、隧道和协议转换三种过渡互联技术，以及每种过渡互联技术采用的方法与机制，并对其进行了模拟与分析。

4）最后基于xxx校园网，结合理论和实际，提出了自己的一些过渡设计方案

第2章IPv4向IPv6过渡概述

2.1IPv4局限性

1、地址空间的缺乏

IPv4地址采用的是32位长的结构，理论上会出现2^32-1个地址编码，但40多亿个地址只能是按照顺序式分配这种理想情况，即世界上的所有主机只能按照IPv4地址为1、2、3的顺序依次分配。

然而事实上，IPv4地址采用的是分类的层次结构，造成了大量的地址的浪费，虽然后来NAT和CIDR技术的出现，缓解了IP地址的危机，但是随着物联网的出现，IPv4也明显不够用了。

在IPv4枯竭之前，找到更多的地址空间是整个网络世界必须解决的问题。

2、没有足够的安全性

IPv4设计初期，安全性问题并没有受到足够的重视，之前认为只要高层的安全性做的足够强，底层的安全性就显得不那么重要了。

然而随着网络的发展，源地址伪装、拒绝服务的攻击（DOS）等专门针对于网络层攻击的出现，底层的网络安全问题也逐渐暴露。

虽然IPSec组采用AH和ESP协议对网络层进行认证或加解密，也同时支持IPv4和IPv6，但是对于IPv4，IPSec协议不是强制加载的，目前IPv4网络中，大部分的节点均不支持IPSec。

3、IPv4网络节点配置复杂

在我们将一台主机节点接入网络中，需要对其进行IP地址、子网掩码、DNS服务器及网关地址进行配置，有些网络节点还需要配置路由，这些稍微复杂一点的配置很可能都需要专业的管理员来协助操作。

对于大多数网民或管理员来说，更希望能够即插即用，网络设置或终端设备能够实现自动识别与配置，这样则能大大减少网络管理员的工作量。

4、缺乏服务质量（QOS）的支持

IPv4支持尽力交付（best-effort）的服务，这种简单高效的服务起初也成为了IPv4的一大优点，但随着新业务如实时多媒体的出现，用户对QOS的要求也越来越高，特别是在互联网上的带宽、时延、实延抖动和误码率等方面，尽管现在又提出了综合服务（IntServ）、区分服务（DifServ）、多协议标记交换（MPLS）、实时传输协议（RTP）等为提高服务质量的协议，但是这些也导致了网络构建的复杂性以及成本的增加。

5、IPv4路由问题

IPv4采用的分配规划方法导致地址块不连续，不能实现绝对有效的聚合路由，而随着网络数量的增加，路由表也在不断膨胀。

目前全球的BGP路由表已经达到近20万，并仍在不断的增加，虽然采用了CIDR聚合技术以及IP回收再分配的方式，但BGP路由表仍超过10多万。

这种超长的路由表不仅会占用大量的内存，在路由查询时耗时也会特别长，不仅增加了时延还严重影响着网络的性能，这在一定程度上对设备有了更高的要求，增加了商家在设备成本上的投资。

6、网络地址翻译（NAT）技术问题

为了缓解IPv4地址的匮乏，网络中引入了NAT技术，这种技术在一定程度上确实解决了IP地址的分配效率，但同时也伴随着诸多问题。

首先，合并两个以上的局域网，为避免重复IP地址，则要对网络中所有节点的IP地址重新进行分配。

其次，容易引起单点故障，由于NAT技术使用在专用网络和公用网络的接口处，专用网络的所有私有地址均要在此接口进行NAT技术转换成公用网络地址才能与外界通信，也将单点故障的问题引入其中。

最后，NAT技术破坏了端到端的IP连接，端到端连接实际上是IP协议最初的涉及理念，NAT技术具有连接单向性，使得端到端连接在此处不可用，此外，局域网的网络性能也直接受到NAT系统性能的影响。

2.2IPv6的新特性

了解了IPv4的诸多问题，IPv6则在IPv4存在的缺陷与不足进行了改进，比如路由、地址分配等方面，现将IPv6的新特征与IPv4做一个简单的比较，如图表2-1:

表2-1IPv6与IPv4协议比较

内容

IPv6

IPv4

改进

协议结构

基本首部+扩展首部

固定首部+可变部分

增添选项更灵活，安全性更强，网络性能得到改善

地址容量

2^128

2^32

更大的地址空间

组播/广播

支持组播

两者均使用

提高带宽利用率的有效性

任播

支持

不支持

实现移动性及其他方面的应用

地址管理

即插即用

基本上为手动

管理简单、方便

质量服务

通信类型和流标签

DifServ等服务

Qos质量更高

安全性

IPsec为必需部分

IPsec为可选部分

网络环境安全性更高

移动性

转交地址

借助外地代理

移动性更好、服务更多

IPv6有明显优于IPv4的新特征，如简化的协议报头、层次化的地址分配、网络安全性更强等等，这也是IPv6将最终完全代替IPv4的重要原因。

2.2.1IPv6协议结构

IPv6简化了IPv4协议头，并改进和拓展了部分功能，增加了地址部分位数，保证IPv6具有更大的地址空间的同时，也不过多的占用带宽。

1、IPv6协议的基本首部

别于IPv4协议数据单元被称为数据包，IPv6协议中则被称为分组，它提供的是无连接网络服务，一个IPv6分组是有固定首部和有效载荷两部分组成，协议数据单元的格式如表2-2：

表2-2IPv6协议数据单元结构

版本号（4）

通信类型（8）

流标签（20）

有效载荷（16）

下一个首部（8）

条数限制（8）

源地址（128）

目的地址（128）

扩展首部/数据（最大到64KB）

固定首部包含版本号、通信类型等八个字段，有效载荷包括扩展首部和数据两大部分，扩展首部是可选的，长度是可变的。

先将固定首部的八个字段进行一个描述：

Ø版本号：

该字段占4bit，主要描述IP协议的版本，在IPv6协议报头中，值为6。

Ø通信协议：

该字段占8bit，主要用来区分与识别IPv6分组的类型或优先级，作用于通信终端和路由器的转发。

Ø流标签：

该字段占20个字节，是一个新添加的字段。

该字段主要用来标识从源节点发往目的节点的一个特定的数据包序列。

在这个序列的数据包流经的路由器要保证相应的服务质量。

Ø有效载荷长度：

该字段占16bit，用于指出有效载荷的字节数，也就是除固定首部之外的长度，该字段的最大长度为64KB。

Ø下一个首部：

该字段占8个字节，用来指定紧跟着IPv6固定首部的扩展首部的类型，若不存在扩展首部的类型，则指定上层协议的类型。

Ø条数限制：

该字段占8bit，功能与IPv4协议中的TTL值一样，限制数据包在网络中不停地路由转发下去。

该值在发送数据包时根据协议规则设定，该数据包每经一个路由器转发值便减一，当值变为零时则丢弃此数据包。

Ø源地址：

该字段占128bit，标识发送该分组的IP地址。

Ø目的地址：

也占128bit，标示接受该分组的IP地址。

2、IPv6协议扩展首部

IPv6协议对IPv4协议的字段进行了删除、增添或修改的操作，特别是将IPv4中的一些可选项的功能，在IPv6中通过扩展首部实现，这样设计减轻了路由器的处理负担。

之前路由器在处理IPv4协议数据包时，会检测所有可选字段是否存在，但很多的字段对于路由器都是不使用的，没必要对其进行处理，这就不免降低了路由器的转发效率，IPv6将这些可选字段都统一归入到扩展首部，除开逐跳选项扩展首部和路由扩展首部，路由器则不再需要对其他扩展首部进行处理，这些任务均交给了源端和目的端节点进行处理。

一个IPv6分组会出现多个扩展首部，特殊情况下，同一扩展首部则会出现多次，扩展首部也有特别的顺序，如下图2-1：

图2-1IPv6首部与扩展首部的出现顺序

IPv6基本首部能够实现大部分的转发功能，但是却不能完全满足端到端的IP通信类型，部分功能的实现则需要运用到扩展首部。

2.2.2IPv6地址结构

1、表示方法

IPv6采用128位地址结构，即16个字节。

将128位地址划分为每16位为一组，每组用4个十六进制的数字表示，这样IPv6就是8个四位的16进制来表示的，且每组以冒号划分。

其表示方法有以下三种：

Ø首选格式：

是标准的IPv6地址配置方式，基本表达式为X:

X:

X:

X:

X:

X:

X:

X，其中一个X代表一个4位的16进制，这种方式叫做冒号十六进制表示法。

采用十六进制标识IPv6的二进制地址，是因为二进制更容易转换成十六进制。

Ø压缩表示格式：

此格式也可称作零压缩表示法。

若某字段的首字母为0，格式中则可以省略；但若整个字段的四个数字均为0，则可简写为0；若一个IPv6地址中有连续多个字段为零时，这些连续的字段可以用两个冒号表示，简写为“：

：

”，又被称作双冒号表示法。

注意在一个IPv6地址中，双冒号只能使用一次。

Ø内嵌IPv4地址的IPv6地址格式：

在IPv4向IPv6过渡时期，则可以采用这种内嵌IPv4地址的IPv6地址。

IPv6地址将其最低的32位用来表示所要内嵌的IPv4地址，格式为X:

X:

X:

X:

X:

X:

D.D.D.D，X代表IPv6中的一个位段，四个D则代表传统中的IPv4地址。

2、地址分类

IPv6地址用于对网络接口的标识，而非网络节点，网络节点是由分配给其网络接口的单播地址来标识，IPv6地址分类的结构图如2-2：

图2-2IPv6地址分类结构

Ø单播地址：

与IPv4单播地址基本类似，单播地址可唯一确定IPv6节点的接口地址，若目标地址为单播地址，则将数据包发送到以该单播地址为标识的网络接口。

一个IPv6网络地址可以允许多个网络接口同时使用，只要通过一定的机制，使这些接口在每个主机的IPv6协议上看起来是同一个接口，这样就有效的实现了均衡负载的功能。

单播地址根据传输范围可分为可汇聚全球单播地址、本地使用单播地址和内嵌IPv4地址的IPv6地址。

Ø多播地址：

是一组标识多个网络接口的地址，若发送地址为多播地址时，数据包会发往这组多播地址的所有接口，多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。

多播地址用最高8位全为1（二进制格式）的特定地址前缀来标识。

RFC2373不再有关于广播地址的定义，IPv4中广播地址的功能在IPv6中均由多播地址来实现。

Ø任播地址：

在RFC1546中对任播地址进行了定义与说明，一个任播地址会被分配到多个接口上，而这些接口通常又属于不同的节点。

当目的地址为任播地址时，数据包就会发往任播地址这些接口中距离最近的节点接口，这里的距离主要以路由度量为衡量指标。

与多播地址一样，IPv6任播地址只能用于目的地址，且通常情况下只能分配给路由器。

Ø特殊地址：

主要包括未指明的地址和环回地址。

2.2.3IPv6路由协议的变化

由于IPv6的地址位数提高到128位，之前的路由协议算法则不再可用，IPv6对之前的路由协议进行了改进与更新，IPv6运用的路由协议仍包括两种，内部路由协议和外部路由协议。

内部路由协议包括RIPng、OSPFv3以及IS-ISv6路由协议；外部路由协议则有BGP4+。

下面对IPv6路由协议的主要改进点进行阐述：

1、RIPng

RIPng是一个距离向量路由协议，将条数作为度量（跳数范围为0~15），此协议是基于RIPv1和RIPv2改进而来的，主要区别如下：

ØRIPng仅能支持TCP/IP协议簇，RIPv1、RIPv2还可以支持其他网络协议簇。

ØRIPv1、RIPv2采用路由验证性报文来保证路由选择的机密性和安全性，RIPng直接采用IPv6协议的安全策略来保证。

ØRIPng路由中有专门的RTE路由条目表项来记录下一跳地址，用来提高数据的传输效率。

Ø与RIPv1、RIPv2采用广播方式传递路由信息不同的是，RIPng采用多播的方式来传输路由信息，大大减少了路由信息的数量，也增强了网络的性能。

ØRIPng的路由报文的长短，以及RTE的个数都没有做具体的限制。

ØIPv6的地址前缀都有特定的含义，路由表项中则不用再对网络、子网和主机路由作区分。

2、OSPFv3

OSPFv3是一种链路状态路由协议，它保留了IPv4中OSPF路由的大部分算法，但仍然还有很大的更新，如下：

ØOSPFv3路由协议的处理是基于链路的，而不是IPv4网络中OSPFv2基于子网处理的，两个不同子网的主机可以被分配到同一条链路。

之前IPv4中的OSPFv2中关于子网的概念与术语都被IPv6中的OSPFv3的链路所代替。

ØOSPFv3直接封装于IPv6中，IPv6地址将不再出现于OSPF协议首部中，因此，网络LSA和路由LSA将不再包含IPv6的地址信息，使得网络拓扑信息的描述变得简化。

ØOSPFv3泛洪地址范围增加，包括本地链路、区域与自治系统，此地址范围由LSA类型字段的内容规定。

Ø每个链路上可以运行多个OSPF的实例，这样多个OSPF实例和单独的AS可以同时使用一条公共链路，也导致一个链路上存在多个区域，该功能在OSFPv3协议首部的实例字段中