ipv6與ipv4互聯(lián)技術(shù)的探討-本科畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 站選項(xiàng)首部。逐跳選項(xiàng)與目的節(jié)點(diǎn)選項(xiàng)都是為了支持特殊的應(yīng)用而預(yù)留的，網(wǎng)絡(luò)中間的節(jié)點(diǎn)要根據(jù)某種策略來(lái)處理。當(dāng)需要使用這些選項(xiàng)首部實(shí)現(xiàn)用戶(hù)特殊需求，或者IPv6協(xié)議有擴(kuò)展需求的時(shí)候，現(xiàn)在只有NP等可編程硬件能很快的適應(yīng)這些變化并設(shè)計(jì)系統(tǒng)，而ASIC實(shí)現(xiàn)則很難快速應(yīng)對(duì)升級(jí)和市場(chǎng)需求變化。報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)效率IPv6協(xié)議的一個(gè)設(shè)計(jì)思想是減少轉(zhuǎn)發(fā)的負(fù)擔(dān)，采用了一些幾個(gè)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)措施：基本報(bào)文首部長(zhǎng)度固定，沒(méi)有多余的首部長(zhǎng)度字段；轉(zhuǎn)發(fā)接點(diǎn)并不計(jì)算校驗(yàn)和；中間節(jié)點(diǎn)不得分段。相對(duì)于其他硬件平臺(tái)來(lái)說(shuō)，ASIC平臺(tái)在硬件轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)上具有優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)直接通過(guò)ASIC硬件查表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。在轉(zhuǎn)發(fā)性能、轉(zhuǎn)發(fā)延遲方面，IPv4的環(huán)境中，ASIC遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的平臺(tái)，然而IPv6的這些信特性，其他硬件平臺(tái)的IP報(bào)文首部上的開(kāi)銷(xiāo)將大大減小，導(dǎo)致其他平臺(tái)和ASIC平臺(tái)之間的差距在縮小。QOS的實(shí)施IPv6協(xié)議首部在IP基本首部和擴(kuò)展首部中包含了少量特定于QOS的服務(wù)，但并沒(méi)有從根本上改變IPv4技術(shù)盡力交付、提供無(wú)連接這一最本質(zhì)的特點(diǎn)。在IPv4網(wǎng)絡(luò)中QOS技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還在不斷產(chǎn)生，而IPv6的QOS問(wèn)題還根本沒(méi)有被廣泛提及，隊(duì)列機(jī)制、調(diào)度機(jī)制等標(biāo)準(zhǔn)的指定工作還處于初級(jí)階段。這些機(jī)制將涉及隊(duì)列的緩沖區(qū)涉及、時(shí)延處理策略等，通過(guò)ASIC可以將這些處理機(jī)制都固化在芯片中，但在現(xiàn)有環(huán)境中，用ASIC實(shí)現(xiàn)將來(lái)的IPv6QOS策略顯然不現(xiàn)實(shí)，采用可編程硬件是有效實(shí)現(xiàn)將來(lái)QOS策略的唯一選擇。 商業(yè)政治的問(wèn)題目前IPv4網(wǎng)絡(luò)還算穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商以及網(wǎng)絡(luò)連接提供商正在從中獲益，他們還不想這么快部署IPv6網(wǎng)絡(luò)，不然意味著他們現(xiàn)有的設(shè)備將被淘汰或進(jìn)行全面升級(jí)，這里面所要投入的成本在短時(shí)間內(nèi)也是不可能收回的對(duì)于大量設(shè)備的全面升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)管理員也是抵制的。不僅配置繁瑣，還得對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行修改等等，對(duì)他們而言，會(huì)認(rèn)為這些是不必要的麻煩。之前人們對(duì)IPv4網(wǎng)絡(luò)的建造和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)已經(jīng)投入血本，IPv6網(wǎng)絡(luò)的部署也不能直接進(jìn)行升級(jí)就能實(shí)現(xiàn)，為了配合IPv6網(wǎng)絡(luò)的性能，還必須從芯片一層進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，IPv4還能正常運(yùn)行的情況下，人們不會(huì)輕易改造成IPv6。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的各種應(yīng)用和業(yè)務(wù)都是基于IPv4并還在不斷開(kāi)發(fā)，基于IPv6的還很少，在目前IPv4還能滿(mǎn)足人們的各種需求下，IPv6則很難實(shí)施和推廣。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以說(shuō)是推動(dòng)IPv6最大的一個(gè)動(dòng)力，但如果沒(méi)有足夠大的需求，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也不會(huì)想要重新部署設(shè)備或升級(jí)網(wǎng)絡(luò)。目前的操作系統(tǒng)如微軟都不能完全支持IPv6，這也讓設(shè)備制造商不能適時(shí)的推出支持IPv6的設(shè)備，或開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，自然用戶(hù)沒(méi)機(jī)會(huì)更多的接觸和熟悉IPv6網(wǎng)絡(luò)。缺乏成熟的IPv6安管和安全產(chǎn)品。理論上。IPv6網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)終端都擁有一個(gè)全球的IP地址，這也讓有惡意用途的人在訪(fǎng)問(wèn)Internet網(wǎng)時(shí)攻擊其他終端，不像目前IPv4防火墻設(shè)備的嚴(yán)格保護(hù)，IPv6防火墻在研發(fā)上還未成熟，這也是IPv6推廣的一個(gè)很大問(wèn)題。美國(guó)在Internet上的技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位，并且現(xiàn)擁有大量的IPv4地址和設(shè)備，因此也不急于推行IPv6網(wǎng)絡(luò)。再加上IPv6的關(guān)鍵組織IETF似乎要等到IPv6的每個(gè)細(xì)節(jié)都解決后才會(huì)想要正式推行，都是IPv6遲遲未推行的原因。第3章 IPv6與IPv4互聯(lián)技術(shù) 互聯(lián)技術(shù)的概述如何完成IPv6向IPv4的完全轉(zhuǎn)換，這是當(dāng)今發(fā)展IPv6需要解決的問(wèn)題。但目前看來(lái)，IPv6不可能立即替換IPv4，兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還得共存一段時(shí)間，為了保護(hù)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，使IPv6從IPv4平穩(wěn)的過(guò)渡過(guò)來(lái)，則需要我們?cè)O(shè)計(jì)和研發(fā)一種有效的過(guò)渡機(jī)制。目前還沒(méi)有一種完全通用的方案來(lái)適用于IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)并存的任何通信情況，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和通信要求，主要有三種過(guò)渡技術(shù)：雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)和地址協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，目前使用最多的是雙棧技術(shù)和隧道技術(shù)，如圖31：圖31 三種主要過(guò)渡技術(shù) 雙棧技術(shù)工作原理雙協(xié)議棧技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中同時(shí)支持IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議，擁有兩個(gè)棧：一個(gè)IPv4棧和一個(gè)IPv6棧，雙協(xié)議棧是三種過(guò)渡技術(shù)中比較容易實(shí)現(xiàn)的一種，是IPv6與IPv4保持兼容的最直接的方式，雙協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖32：應(yīng)用層協(xié)議TCP/UDP協(xié)議IPv6協(xié)議IPv4協(xié)議鏈路層協(xié)議物理層協(xié)議圖32 IPv4/IPv6雙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)在源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)將進(jìn)行分組時(shí)，首先需要確定網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用的是IPv6版本的協(xié)議還是IPv4版本的協(xié)議，可通過(guò)DNS獲取的IP地址判定，若獲取的是IPv4地址，源節(jié)點(diǎn)主機(jī)則進(jìn)行IPv4分組；若獲取的是IPv6地址，源節(jié)點(diǎn)主機(jī)則進(jìn)行的IPv6分組。以下為雙棧節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程： 若應(yīng)用程序的目的地址為IPv4地址，則采用IPv4協(xié)議。 若應(yīng)用程序的目的地址為IPv4地址所兼容的IPv6地址，則仍采用IPv4協(xié)議，需要將IPv6地址封裝與IPv4地址中進(jìn)行分組。 若應(yīng)用程序的目的地址為IPv4地址所不兼容的IPv6地址，此時(shí)則需采用到IPv6協(xié)議，但在傳輸IPv6分組時(shí)，會(huì)采用到隧道等機(jī)制進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)。 若應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)的是一個(gè)域名地址，則現(xiàn)通過(guò)DNS域名服務(wù)器將其域名解析成相應(yīng)的IP地址，通過(guò)IP地址的協(xié)議版本進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。雙棧技術(shù)是目前最穩(wěn)妥最通用的方式，是另外兩種過(guò)渡技術(shù)的基礎(chǔ)，但在實(shí)際環(huán)境中，部署雙棧網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)確會(huì)遇到很多的問(wèn)題，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由器同時(shí)啟用IPv4和IPv6的轉(zhuǎn)發(fā)，在現(xiàn)有的路由器系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行升級(jí)以同時(shí)支持兩個(gè)協(xié)議棧，配置兩種協(xié)議的協(xié)議路由，存儲(chǔ)兩個(gè)協(xié)議的路由表等。除此之外，也給網(wǎng)絡(luò)管理帶來(lái)了一些麻煩，比如不同的協(xié)議還得采取不同的協(xié)議命令等。IPv4/IPv6根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)方式，目前主要的模式有：基本雙棧協(xié)議模式（DSM）、有限雙棧協(xié)議模式（LDSM）與雙棧翻譯技術(shù)模式（DSTM）。 基本雙棧（DSM）這種模式下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的任意節(jié)點(diǎn)同時(shí)擁有IPv4和IPv6兩種地址，這樣IPv6與IPv4之間的通信則不存在問(wèn)題，但是IPv6的出現(xiàn)主要是解決IPv4地址即將耗用殆盡的現(xiàn)在，此技術(shù)不僅沒(méi)解決這個(gè)問(wèn)題，反而加重了IPv4地址的負(fù)擔(dān)，這種技術(shù)也只能適用于早期IPv4向IPv6過(guò)渡的使用中，隨著IPv6站點(diǎn)的增多，這種技術(shù)也不會(huì)優(yōu)先考慮。 有限雙棧（LDSM）這種模式只要求路由器和服務(wù)器是雙棧節(jié)點(diǎn)，非服務(wù)器的主機(jī)只應(yīng)用IPv6協(xié)議，這樣大大節(jié)約了IPv4地址的使用，但是這樣卻無(wú)法支持IPv4主機(jī)去訪(fǎng)問(wèn)IPv6的純網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為解決這種情況的通信，則需要應(yīng)用到代理網(wǎng)關(guān)的技術(shù)。 雙棧翻譯技術(shù)（DSTM）這種技術(shù)主要為IPv6網(wǎng)絡(luò)中的雙棧節(jié)點(diǎn)提供臨時(shí)的IPv4地址，并結(jié)合IPv4 over IPv6的隧道機(jī)制，實(shí)現(xiàn)純IPv6網(wǎng)絡(luò)中雙棧節(jié)點(diǎn)與IPv4節(jié)點(diǎn)之間的通信。DSTM系統(tǒng)是由DSTM服務(wù)器與DSTM客戶(hù)節(jié)點(diǎn)組成，DSTM為客戶(hù)節(jié)點(diǎn)提供臨時(shí)的IPv4地址，以及指定隧道端點(diǎn)（TEP）將IPv4地址封裝于IPv6地址中，這樣不需要對(duì)IPv4節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用程序進(jìn)行任何的修改。這種技術(shù)主要是在過(guò)渡后期，IPv6網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從孤島變成海洋時(shí)，想要與IPv4通信時(shí)。DSTM網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)如圖33：圖33 DSTM網(wǎng)絡(luò)的組成與實(shí)現(xiàn)在IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，若兩個(gè)IPv6主機(jī)之間需要通信，則需穿過(guò)IPv4的網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)需要將IPv6協(xié)議分組作為數(shù)據(jù)部分被封裝于IPv4協(xié)議分組當(dāng)中來(lái)進(jìn)行通信，這樣有點(diǎn)類(lèi)似于我們平時(shí)說(shuō)到的隧道概念，因此被稱(chēng)作隧道技術(shù)。隧道技術(shù)的定義與配置技術(shù)主要分為兩種：手工配置隧道和自動(dòng)隧道。 手工配置隧道，用于不被IPv4地址兼容的IPv6地址，這些IPv6地址分組作為數(shù)據(jù)部分被封裝與IPv4分組中，然后再I(mǎi)Pv4網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這種點(diǎn)到點(diǎn)的隧道傳輸需要手動(dòng)進(jìn)行配置方可正常通信。 自動(dòng)隧道，其隧道是可以自動(dòng)建立和刪除。用于特殊的IPv6地址，可以用于不同的類(lèi)型，如6to4地址、可被IPv4地址兼容的IPv6地址、ISATAP地址等，其IPv6地址里面都包含一個(gè)IPv4地址，可動(dòng)態(tài)的建立IPv4隧道在其網(wǎng)絡(luò)中傳輸。 隧道技術(shù)工作原理隧道技術(shù)主要針對(duì)于兩個(gè)IPv6純網(wǎng)絡(luò)跨過(guò)IPv4純網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖34：圖34 隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程 IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)PCA將訪(fǎng)問(wèn)PCB的數(shù)據(jù)包發(fā)往R1。 R1在收到數(shù)據(jù)包后對(duì)其進(jìn)行IPv4協(xié)議報(bào)頭的封裝并發(fā)往R2。R2收到R1發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解封，去掉IPv4首部，通過(guò)原來(lái)的IPv6首部并發(fā)往IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)PCB。隧道端點(diǎn)分為入口點(diǎn)和出口點(diǎn)，IPv6數(shù)據(jù)包在兩個(gè)端口的的封裝步驟如下： IPv6數(shù)據(jù)包在隧道入口點(diǎn)進(jìn)行IPv4協(xié)議的封裝，但先要將IPv6的條數(shù)減去1，再將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，封裝后的IPv4數(shù)據(jù)包也可能進(jìn)行分段處理。 封裝后的數(shù)據(jù)包到達(dá)隧道出口點(diǎn)后，若IPv4有進(jìn)行分段，則在隧道出口處重新組裝，再將封裝的IPv4首部去掉，繼續(xù)發(fā)往之前的IPv6目的地址。 手工配置隧道手工配置隧道主要用于經(jīng)常通信的兩個(gè)IPv6節(jié)點(diǎn)，因此需要兩個(gè)端點(diǎn)管理員的協(xié)作，配置各自的端點(diǎn)地址，這樣也不需要分配特殊的IPv6地址才能進(jìn)行通信。采用手工隧道機(jī)制必須滿(mǎn)足三個(gè)條件：通信站點(diǎn)之間的IPv4網(wǎng)絡(luò)必須可用；通信站點(diǎn)所封裝的源IPv4地址和目的IPv4地址必須是全球唯一；隧道不能經(jīng)過(guò)含有NAT機(jī)制的設(shè)備。手工配置隧道的過(guò)程如圖35所示。圖35 手工配置隧道例子IPv6網(wǎng)絡(luò)跨過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，源節(jié)點(diǎn)的IPv6分組到達(dá)IPv4網(wǎng)絡(luò)的路由器時(shí)，隧道入口的路由器會(huì)對(duì)IPv6分組進(jìn)行封裝，將入口的IPv4地址作為分組的源地址，以隧道出口的IPv4地址作為目的地址，被封裝后的數(shù)據(jù)包被送到隧道出口后，取出封裝在內(nèi)IPv6分組，再發(fā)生至目的地址。當(dāng)IPv6分組發(fā)往隧道的出入口路由器時(shí)，路由器無(wú)法從中獲得IPv4的目的地址，因此需要在路由器上對(duì)隧道的出口地址進(jìn)行人工配置，當(dāng)IPv6分組到達(dá)路由器后，路由器將配置的IPv4目的地址封裝于IPv6分組上。對(duì)于起始節(jié)點(diǎn)必須配置存儲(chǔ)和維護(hù)終節(jié)點(diǎn)的地址信息的隧道技術(shù)，我們稱(chēng)之為手工配置隧道技術(shù)。 基本的自動(dòng)隧道技術(shù)由于其隧道能自動(dòng)建立和刪除，隧道中的IPv4目的地址也是由IPv6分組中的目的地址所決定，不需要手工對(duì)其進(jìn)行配置。采用自動(dòng)隧道技術(shù)的五個(gè)條件：需要采用IPv4所兼容的IPv6地址；通信站點(diǎn)之間的IPv4網(wǎng)絡(luò)必須可用；兩個(gè)端點(diǎn)都必須支持雙協(xié)議棧；IPv6地址中映射的IPv4地址必須是全球唯一的地址；隧道同樣不能經(jīng)過(guò)含有NAT機(jī)制的設(shè)備。自動(dòng)隧道的過(guò)程如圖36：圖36 自動(dòng)隧道例子源節(jié)點(diǎn)的IPv6分組到達(dá)IPv4邊界路由時(shí)，會(huì)將IPv6內(nèi)嵌的IPv4地址作為目的地址并發(fā)送出去。若目的節(jié)點(diǎn)為雙協(xié)議棧，則目的節(jié)點(diǎn)可以直接發(fā)來(lái)的IPv4分組，通過(guò)讀取IPv4首部的協(xié)議字段值為41，得知IPv4數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)部分為IPv6分組，并將其取出交給IPv6軟件處理。 多播隧道6over4多播隧道6over4也是采用自動(dòng)建立隧道的機(jī)制，在RFC2592中有對(duì)其進(jìn)行定義與說(shuō)明。主要針對(duì)沒(méi)與IPv6路由器在物理鏈路上直接相連，而呈現(xiàn)孤立狀態(tài)的IPv6主機(jī)，將IPv6分組封裝于IPv4協(xié)議組里根據(jù)IPv4組播的特性，通過(guò)路由器發(fā)往外部。與手動(dòng)配置隧道技術(shù)不同的是，6over4不需要在隧道節(jié)點(diǎn)對(duì)出口隧道和入口隧道地址進(jìn)行配置；而與基本的自動(dòng)隧道技術(shù)不同的是，分組節(jié)點(diǎn)地址不必是IPv4兼容的IPv6地址，它采用的是IPv4鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議的方法來(lái)確定。但這種機(jī)制需要IPv4網(wǎng)絡(luò)支持多播。6over4將IPv4組播域虛擬成一個(gè)物理鏈路，將IPv6的組播地址映射成IPv4組播地址，借此實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議。在默認(rèn)情況下，6over4主機(jī)會(huì)為每個(gè)6over4接口配置一個(gè)本地鏈路的接口，地址格式為FE80：：AABB：CCDD，其中AABB：CCDD是IPv4地址十六進(jìn)制的表示。 6to4機(jī)制6to4仍是一種自動(dòng)構(gòu)造隧道機(jī)制的技術(shù)，它采用特殊的IPv6地址，格式為2002：：：/48，它根據(jù)IPv4地址自動(dòng)生成一個(gè)IPv6的48位前綴，因此不需要分配IPv6地址，也讓其它區(qū)域的邊界路由器自動(dòng)區(qū)分隧道的接受點(diǎn)是否在本區(qū)域內(nèi)，這種機(jī)制的隧道端點(diǎn)IPv4地址直接在分組中的IPv6地址中獲取，因此隧道是自動(dòng)建立的。6to4不需要再I(mǎi)Pv4路由條目中增添路由項(xiàng)，IPv6中的路由表中也只增添一條。采用6to4機(jī)制時(shí)，一個(gè)IPv6子網(wǎng)至少有一個(gè)公開(kāi)的IPv4地址，且必須保證IPv4地址是全球唯一，同時(shí)隧道兩端路由器要支持雙棧協(xié)議，6to4主機(jī)至少要支持IPv6協(xié)議。這種機(jī)制將IPv4網(wǎng)絡(luò)作為點(diǎn)與點(diǎn)之間通信的的鏈路層。6to4隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)了IPv6之間通信可以不實(shí)現(xiàn)向IPv4隧道事先聲明，6to4地址是一種特殊的IPv6地址，它以2002+IPv4地址作為前綴，如表31”表31 6to4地址格式FP001(3)TLA0x0002（13）IPv4地址（32）SLAID(16)接口ID（64）剩下的80位，用16位表示網(wǎng)絡(luò)地址，身形64位則用來(lái)表示接口地址。 ISATAPISATAP是一種站點(diǎn)內(nèi)自動(dòng)隧道協(xié)議，主要用于IPv4內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)沒(méi)有IPv6路由器時(shí)，IPv6主機(jī)之間的相互通信。通過(guò)ISATAP相關(guān)配置，不用IPv6路由器就可以實(shí)現(xiàn)IPv6主機(jī)之間跨越IPv4網(wǎng)絡(luò)的通信。與其他自動(dòng)隧道協(xié)議一樣，ISATAP機(jī)制下的IPv6地址也內(nèi)嵌一個(gè)IPv4地址，當(dāng)IPv6主機(jī)之間跨越IPv4網(wǎng)絡(luò)相互通信時(shí)，則自動(dòng)采用內(nèi)嵌的IPv4地址作為源地址和目的地址來(lái)進(jìn)行通信。ISATAP機(jī)制下的IPv6地址格式如表32：表32 ISATAP機(jī)制下的IPv6地址格式前綴（64位）00005EFE（32位）IPv4地址（32位）當(dāng)ISATAP機(jī)制下的雙棧主機(jī)與其它主機(jī)或路由