ipv4到ipv6的過渡方案設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 是任播地址不能作為 IPv6 數據包的源地址，一個任播地址不能分配給一個主機，只能分配給路由器。 任播地址被分配在正常的 IPv6 單播地址空間外。因為任播地址在形式上與單播地址無法區分開，一個任播地址的每個成員，必須顯示地加以配置，以便識別任播地址 [3]。 . IPv6 新特性 服務質量 IP 協議 是無連接的協議， 是一種簡單的盡力而為的服務方式 ， 只是盡最大的努力來滿足客戶的要求。 因此最初的 IP 網絡中沒有服務質量（ QoS）的概念，不能保證符合要求的傳送延時以及 足夠的吞吐量 。 隨著 Inter 規模迅速擴展 ，網絡 實時 業務種類的增加，對傳輸時延和延時抖動有了更加嚴格的要求。 IPv6 對 QoS 的支持主要體現在 IPv6 的基本報頭和擴展報頭中包含了與特定 QoS 有關的服務元素：業務類型（ traffic class）和流標簽（ flow label）。 業務類型有助于處理實時數據以及任何需要特別處理的數據； 而流標簽字段用于區分需要相同處理的數據包，以此來促進實時性流量的處理 [2]。 安全性 7 IPv6提出了全新的網絡安全體系結構 — IPsec標準。 IPsec的目標是提 供既可用于 IPv4也可用于 IPv6的安全機制，該服務由 IP 層提供 [3]。 IPsec 提供的安全服務包括：訪問控制、無連接的完整性、數據包來源認證、有限的業務流機密性、抗數據重發攻擊。這些安全服務是通過 AH（ Authentication Header）和 ESP（ Encapsulating Security Payload）頭相結合的方式來提供。 AH 和 ESP 頭既可用于 IPv4 中，也可用于 IPv6 中。 在 IPv6 中 AH 和 ESP 都 屬于 擴展報頭，可以同時使用，也可以單獨使用其中一個。 . 移動性 IPv6 的出 現 成為移動計算機的一個里程碑。 移動 IP 為移動的計算機傳送信息解決方案，與所采用的物理媒介無關。移動 IP 的目標是：不管連接在歸屬鏈路還是移動到外地網絡，它總是通過歸屬地被尋址。 移動 IP 的在網絡層加入了新特性，它允許網絡節點發生改變時，移動節點上 應 用程序不用修改或重新配置仍然可用。 相對于移動 IPv4，移動 IPv6 的優點主要有： 路由優化、入口過濾、廣播數據包、外地代理、安全機制、消除黑洞、流量控制等等。 3． IPv4 到 IPv6 的 過渡 策略 目前 網絡上的設備幾乎都是 IPv4 設備，若把這些設備全部替換為 IPv6 設備，所需的成本巨大 ；另外，網絡的升級換代要保證不中斷現有的通訊業務。如何漸進的，以合理的代價由目前的 IPv4 的網絡過渡到基于 IPv6 的下一代網絡，并盡可能減少過渡成本，是人們目前所面臨的主要問題 。綜合以上因素， IPv4 到 IPv6 的過渡 必定 是一個循序漸進的過程，在體驗 IPv6 帶來的好處的同時仍能與網絡中其余的 IPv4 用戶通信。能否順利地實現從 IPv4 到 IPv6 的過渡也是 IPv6 能否取得成功的一個重要因素。 根據網絡發展的現實情況，在向 IPv6 過渡時，要解決兩種場合下的通信問題。一是在現有的，占主導地 位的 IPv4 路由體系中相隔的局部 IPv6 網絡之間如何通信，即在 IPv4 海洋中的 IPv6 孤島間的通信問題；二是如何使局部配置的 IPv6 網絡能夠無縫的訪問現有的 IPv4 資源，反之亦然。 針對以上兩類問題， IETF 成立了專門的工作組，研究 IPv4 到 IPv6 的轉換問題。目前提出的較為成熟的過渡技術主要包括雙協議棧技術，隧道技術和協議翻譯（ NATPT）這三種。 ．雙協議棧技術 . 基本雙協議棧技術 雙棧協議 是指單個網絡節點 既 支持 IPv4 協議棧又支持 IPv6 協議棧。 雙棧節點同時支持與 IPv4 和IPv6 節 點的通信，當和 IPv4 節點通信時需要采用 IPv4 協議棧，當和 IPv6 節點通信時需要采用 IPv6 協議棧。 IPv4 和 IPv6 都屬于 網絡層協議， 他們功能相近， 基于相同的物理平臺。如果一臺主機同時支持 IPv6和 IPv4 兩種協議，那么該主機既能與支持 IPv4 協議的節點通信，又能與支持 IPv6 協議的節點通信 ，這就是雙協議棧的工作原理 [4]。雙協議棧層次模型如圖 31 所示。 應用層協議 TCP/UDP IPv4 IPv6 鏈路層 圖 31 雙協議棧模 型 8 雙協議棧的工作方式可以描述如下： 若目的地址是一個 IPv4 地址，則使用 IPv4； 若目的地址是 IPv4 兼容 IPv6 地址，則將 IPv6 分組封裝在 IPv4 報文里； 若目的地址是其它類型的兼容地址，則使用 IPv6，有可能要進行封裝。 雙協議棧技術是 IPv6 所有 過渡技術中應用最廣泛的一種過渡技術，是其他過渡技術的基礎，如：隧道機制和翻譯機制 的研究都是建立在雙棧協議的基礎上 。 這種方式對 IPv4 和 IPv6 提供了完全的兼容， 互通性好， 簡單易 理解。 但由于需要雙路由基礎設施，增加了網絡的復雜度， 且每個 IPv6 節點 都需要使用一個 IPv4 地址， 依然無法解決 IP 地址耗盡的問題。 協議棧 技術 有限雙棧技術是針對雙棧技術的一種改進。 它 要求 網絡中部分網絡設備、用戶終端采用雙協議棧，這些用戶可使用 IPv4 或 IPv6 與其它用戶互聯互通，但新增的網絡設備和用戶終端則僅使用 IPv6 協議棧，應用基于 IPv6 協議棧。 這種有限的雙棧協議的優點在于它只需要相對較少的緊缺的 IPv4 地址資源 ，節省大量的 IPv4 地址 。但他并不能完全解決雙協議棧網絡的投入問題，并且無法支持網絡中純 IPv4 網絡節點 和 純 IPv6 的服務器節點之間的通信 。 雙協議棧過渡機制 DSTM DSTM(Dual Stack Transition Mechanism)用于解決純 IPv6 網絡中的主機和其他 IPv4 主機及應用程序之間的通信問題 ，其主要原理是為 IPv6 為主的網絡中的雙棧節點臨時分配 IPv4 地址，并采用 IPv4 over IPv6 隧道機制實現。 IPv4 的應用程序不必修改就可運行在純 IPv6 網絡中的 DSMT 節點上。 DSTM 的結構示意圖如圖 32[12]。 圖 32 DSTM 結構示意圖 在 IPv6 發展初期， 存在著 局部的純 IPv6 網絡，這些 純的 IPv6 網絡被 IPv4 骨干網絡隔離開來，為了使這些 “ IPv6 孤 島 ” 互通，就采取隧道技術的方式來解決。 隧道 （ Tunnel）是指將一種協議報文封裝在另一協議報文中，這樣一種協議就可以通過另一種協議的封裝進行通信 [4]。隧道技術使 IPv6 數據包能夠穿透 IPv4 網絡， 就 好像在 IPv4 網絡中開通了一條隧道。對于采用隧道技術 的設備來說，在起始端（隧道入口） 將 IPv6 的數據報文封裝裝入 IPv4， IPv4 報文的源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的 IPv4地址。在隧道的出口處，再將 IPv6 報文取出轉發給目的節點 [4]。 如圖 33 所示。 9 I P V 6 網 絡I P V 4 網 絡I P V 6 網 絡 圖 33 隧道技術示意圖 隧道 技術的關鍵點在于如何決定隧道的入口和出口以及數據報的封裝 ，解封裝 過程。 利用隧道方式實現的方案很多，如手工配置隧道、自動配置的隧道、 6to 6over Tunnel brnker 和 BGP tunnel 等 。 . 手工配置隧道 這種隧道 需要 隧道兩個端點所在網絡的管理員 手工配置， 協作完成 ，完成的僅僅是點到點的連接 。手工配置隧道主要應用在個別 IPv6 主機或網絡需要通過 IPv4 網絡進行通信的場合 。手動隧道通過 IPv4骨干網連接的兩個 IPv6 域的永久鏈路，這個永久鏈路用于兩個邊緣路由器或終端系統與邊緣路由器之間定期安全通信穩定連接 [4]。 手動隧道不需要為站點分配特殊的 IPv6 地址，端點地址由配置來決定。兩個經常通信的 IPv6 站點之間適用手工配置隧道 。 采用手工配置隧道 的站點中每個主機都需要支持 IPv6，路由器需要支持雙棧協議。 其封裝格式如圖 34 所示 [7]。 圖 34 封裝格式 . 兼容地址 自動 配置 隧道 自動 隧道 完成的是 點到多點的連接， IPv4 兼容 IPv6 自動隧道技術能夠使隧道自動生成 ，隧道的建立和拆除都是動態的，它的端點根據分組的目的地址確定，適用于 IPv4 網絡中 IPv6 節點間的隨機通信[2]。 這種隧道需要采用一種特殊的地址 — IPv4 兼容 IPv6 地址， 是一類專門指定給這種自動配置隧道方式使用的 IPv6 地址 ，前綴是 0： 0： 0： 0： 0： 0，最后 32 位是 IPv4 地址，它 的格式如圖 所示。 可以看出這種 IPv6 地址可以方便隧道起點設備通過該地址取得內嵌的 IPv4 地址 ，從而確定隧道的目的地址 。 在自動隧道中，只需告訴設備隧道的起點，設備 可以 自動生成 隧道 的終點 。 80 bits 16bits 32bits 0000 0000 0000 IPv4 Address 圖 35 兼容地址結構示意圖 和手工隧道相比，自動隧道 不用手動配置隧道的終點 ，配置和使用時更加靈活，簡單直觀的實現了隧道的配置。但是，采用這種機制的主機都需要一個全球唯一的 IPv4 地址，擴展性差，不能解決 IPv4地址空間耗盡的問題；隧道兩端的主機或路由器必須支持雙棧，在隧道要經過 NAT 設施的情況下，這種機制不 可以用 ，原因是 NAT 設施可能不支持 IPv6。 此外， IPv6 報文中的地址前綴 為 0： 0： 0： 0： 0：0， 表明 所有節點處于同一個 IPv6 網段中，因此它 不能通過隧道進行報文轉發，而只能做到節點本身的通信。 ． 6to4 隧道 10 6to4 隧道也是一種自動構造隧道的方式，具有自動隧道 配置簡便 的優點，同時又克服了兼容地址隧道不能互聯 IPv6 網絡的缺陷。 這種方式要求每個 IPv6 孤島至少有一個全網唯一的 IPv4 地址 ，稱為 6to4地址，地址格式如圖 36 所示 。 圖 36 6to4 地址格式 也就是 2020::xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx。其中 是 IPv4 地址。 6to4 的基本思路是，任何一個 IPv6 孤島都使用其全網唯一的 IPv4 地址構造自己的 IPv6 地址前綴，因此前綴也是全網唯一的 [1]。 地址中的后 80 位都是由用戶自己分配的，每個 IPv6 孤島只需全網唯一的 IPv4 地址，就可以構造自己的 IPv6 地址前綴。孤島子網中的一臺設備使用公開的 IPv4 地址，稱為 6to4 路由。兩站點通過邊界路由器建立隧道連接。 ． 6over4 6over4 是一種自動建立隧道的機制，采用鄰居發現的方法確定隧道端點的 IPv4 地址。 技術 使用 IPv4組播 機制 來 實現虛擬鏈路 ， 通過 IPv6 組播地址和 IPv4 組播地址的映射關系 ，實現 ND 協議， 使孤立 IPv6主機之間形成 IPv6 互聯 。 通過這種機制， IPv6 可以可以跨越支持組播的 IPv4 子網 ，獨立于底層 。 主機的 IPv6 地址由 64 位的單播地址前綴和規定格式的 64 位接口標識符：： ABCD： EFGH 組成，其中 ABCD：EFGH 是其 IPv4 地址的十六進制表示。 6over4 技術要求 在 IPv4 網絡中支持組播功能， 使孤立的 IPv6 主機可以將 IPv4 廣播域作為它們的虛擬鏈路， 在實際應用中很少被利用。 . 隧道代理 （ Tunnel Broker,TB） 從某種意義上說， 隧道代理 相當于虛擬 IPv6 的 ISP， 通常應用于獨立的小型的 IPv6 站點，特別是獨立的分布在 IPv4 互聯 網中的 IPv6 主機需要連接到已有的 IPv6 網的情況。 隧道代理技術簡化了隧道的配置，解決了人工 隧道配置對網絡管理者所帶來的繁重工作量這一困難。 用戶可以通過 TB 從支持 IPv6 的ISP 處獲得持久的 IPv6 地址和域名 [2]。它要求隧道的雙方都支持雙棧。通過 TB，用戶可以很方便地和 IPv6 ISP 建立隧道連接，從而訪問外部 的 IPv6 網絡 ； ISP 通過專用的隧道服務器提供了一種非常簡捷的接入方式，并自動管理用戶發出的隧道請求。 TB 的結構如圖 37 所示。 雙 棧 節 點T u n n e lB r o k e r隧 道 服 務 器隧 道 服 務 器隧 道 服 務 器D N ST E PT E P 圖 37 隧道代理結構圖 隧道