ipv4向ipv6过渡方案

摘要

CERNET2的正式投入运行将使IPv6在CERNET2上由实验阶段转入应用阶段，在国内大多高校校园网也将由逐步完成基于IPv4的CERNET2接入，本文分析比较了IPv4与IPv6网络的各种优缺点；研究了现阶段IPv4向IPv6的过渡技术，在调研考察现阶段高校校园网接入CERNET2的技术和方案的基础上，给出了基于隧道技术的网络中心纯IPv6接入；基于双隧道以及双栈协议的某学院办公室的IPv4与IPv6的同时接入；以及基于ISATAP 模式隧道的校内单点客户的IPv4与IPv6的同时接入三种可行的IPv6网络的接入方案，并搭建了模拟实验环境，完成了一定意义上可用性的测试。

关键词：CERNET2；IPv6；IPv4；隧道；双栈协议；过渡技术。

Abstract

CERNET2 formal operational IPv6 will CERNET2 by the experimental stage in the application stage, most of campus network in the country will also be gradually completed the CERNET2 IPv4-based access, this paper compares IPv4 and IPv6 networks of all kinds of advantages and disadvantages; of the current IPv4 to IPv6 transition technology, at this stage in the research study CERNET2 campus network access technologies and programs based on the tunneling technology is presented based on pure IPv6 network center access, and dual stack based on double tunnel agreement, the office of a college, while IPv4 and IPv6 access, and school-based ISATAP tunnel mode single point of customer access to IPv4 and IPv6, while three possible IPv6 network access solutions, and built a simulation environment, completed a certain sense, usability testing.

Key words: CERNET2; IPv6; IPv4; tunnel; Dual stack; transitional technology.

毕业论文（设计）原创性声明

本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：日期：

毕业论文（设计）授权使用说明

本论文（设计）作者完全了解**学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。

作者签名：指导教师签名：日期：日期：

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7）参考文献

8）致谢

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4）图表应绘制于无格子的页面上

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5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

目录

1 绪论 (1)

1.1选题背景 (1)

1.2研究的主要内容 (3)

1.3研究意义 (4)

2 IPv6协议的基本框架 (6)

2.1 变化概述 (6)

2.2 包头结构 (10)

2.3 流标签 (11)

2.4 业务流类别 (12)

2.5 分段 (13)

2.6 扩展头 (13)

3 IPv6的优势与现状 (16)

3.1 IPv6相对于IPv4的优势 (16)

3.2 IPv6的国内外现状 (17)

4 IPv4到IPv6的过渡技术 (20)

4.1 隧道技术 (21)

4.2 双栈协议 (24)

4.3 网络地址转换-协议转换 (26)

5 不同需求下的三种接入方案 (28)

5.1 网络中心工作小组的接入方案 (28)

5.2 某学院办公室IPv4/IPv6的同时接入 (38)

5.3 校园网内某一用户要IPv4/IPv6网络接入方案 (51)

6 结束语 (56)

致谢辞 (57)

参考文献 (58)

附录一 (59)

外文文献 (59)

附录二 (70)

中文翻译 (70)

1 绪论

1.1选题背景

1.1.1 何时升级IPv4网络

我们都知道岁月的流逝并不会使一些美好的事物消失。但不幸的是，一些现在看来不错的事物并不意味着能够永远使用下去----无论他现在是多么的辉煌，他或者将会过时，或者将被开始殆尽，总会有新鲜的事物遮盖它原有的光芒。IPv4就是这样一种东西，而当这种好的事物已经成为基础设施的一部分的时候，对它的维护变得非常重要，而了解何时对它进行升级以及如何以最少的混乱、最低的代价进行升级则显得尤其重要。

按照目前基于IPv4网络各种业务开展的速度计算，亚太地区的IPv4地址在3年内将会消耗殆尽。由于互联网对IP地址的需求是不断增加的，如果不将IPv4升级到 IPv6，IP地址的耗尽就会导致互联网效率变低，“网络塞车”会在很大程度上限制互联网的发展。网络调查显示，截至2009年6月，中国大陆共分得IPv4地址2.05亿个，仅次于美国，排名世界第二。CNNIC 作为APNIC最大的国家级IP地址注册管理机构(NIR)，目前的IPv4地址自主分配能力位居世界第一，能一次分配26万多个IP 地址。到今年6月，CNNIC分配 IPv4地址已经累计达到5395万个，在一定程度上缓解了我国IP地址资源的压力。

然而，尽管如此，中国已获得的IPv4地址数量却还不到全球已分配总量的 4.5%，未来国内的需求量会不断增大，并且增

速会高于全球增速均值。特别是近三年，我国IPv4地址的增长量远远落后于网民的增长量，3G引发的移动互联网热潮对IP地址的海量需求更会让中国IP地址捉襟见肘。据中国移动研究院黄晓庆院长预测，在未来5年中，仅仅是移动互联网的IP地址需求，预计就会达到5-9亿，全球剩余的IPv4地址也不能满足中国的需求，解决IPv4地址的短缺问题已进入倒计时。

1.1.2 现有IPv4的局限性及其缺点

在当前计算机工业飞速发展的步伐下，指出IPv4的局限性和缺点如同指出小汽车和卡车的内燃机是有缺陷的动力源一样。IP的确是一个非常强壮的协议，并已经证明了他能够连接小至几个节点，大至Internet上难以计数的主机。为交通工具选择动力源时，只要能够像汽油机或柴油机一样提供动力，任何人都可以使用包括电能、太阳能或是风能作为上路的动力而不会影响别人，与此不同的是，IP的升级将对所有使用IP的人产生重大影响。TCP/IP的工程师和设计人员早在80年代初期就意识到了升级的需求，因为当时已经发现IP地址空间随着Internet发展只能支持很短的时间，1994年ALEI工作组已经估算出IPv4会在2005到2011的某一时间耗尽，同一时间在多伦多IETF会议上专家组提出了创建Ipv6的建议。

IPv4网络的一些局限性以及缺点主要体现在以下几个方面：

●IP地址空间危机：IP地址空间的危机由来已久，并正式升级

的主要动力。

●IP性能可以进一步提升：尽管IP表现的不错，一些源自20

年甚至更早以前的设计还能够进一步改进。

●IP安全性缺陷：安全性一直被认为是由网络层以上的层来负

责，但它现在已经成为IP的下一个版本可以发挥作用的地方●自动配置：对于IPv4节点的配置一直比较复杂，而网络管

理员与用户则更喜欢“即插即用”，即：将计算机插在网络上然后就可以开始使用。IP主机移动性的增强也要求当主机在不同网络间移动和使用不同的网络接入点是能提供更好的配置支持。

1.2研究的主要内容

基于国内外对现有IPv4网络以及下一代IPv6网络的研究现状，文章总结了IPv4向IPv6网络的过渡的必要性，以及通过何种技术来实现一个完美的衔接，让网络上的每一个用户在不知不觉中完成这次网络的过渡。

具体研究内容如下：

1.IPv6协议的基本框架

这部分内容介绍了IPv4的更新，描述了新的协议头中各个字段及IPv6的地址空间，着重介绍了IPv6中包含的变化和新特性。

2.IPv6网络的现状以及相对于IPv4的优势

这部分主要介绍了目前国内外IPv6网络的发展现状，着重分析了国内IPv6网络的发展情况，同时对比了IPv6相比于IPv4的一些优势。

3.IPv4网络向IPv6网络过渡的技术

总结国内外研究实现IPv4向IPv6过渡的两种主要技术，详细分析了这两种技术的实现原理以及运行部署情况。

4.在不同技术支持下的模拟与测试

通过对以上两种技术的分析总结，再结合现实中遇到的不同情况，借助GNS3软件运行CISCO设备的IOS来完成对不同情况的实验模拟与测试。

1.3研究意义

IPv6作为下一代网络，具有更好的扩展性与安全性，在我国IPv6的发展还属于起步阶段，所以我们要存分利用国外IPv4向IPv6网络过渡的各种技术，积极挖掘适合我国实际情况以及行之有效的过渡方案，为国内各大高校，乃至全国向IPv6网络的过渡提供一个技术支持。本文的研究意义主要有以下几个方面：

（1）通过对IPv6网络的理解与学习，掌握下一代网络的运行机制，以便更好的在基于IPv6的网络上开展业务。

目前国内的很多业务都是基于IPv4来开展的，但是几年来由于受到IPv4网络地址资源枯竭的影响，很多网络业务受到了影响，如果我们能掌握好下一代网络的运行机制，将现在和各种业务需求完美的迁移到IPv6网络上，在将是我们占去IPv6网络优势的一个先机。

（2）通过对IPv4向IPv6网络过渡的研究，可以推动高校尽早的走入下一代网络。

将目前常用的两种过渡技术作为本次研究的主要对象，主要是为了掌握的技术可以带来真正的实用价值，通过对高校现有网

络与下一代网络的对比分析，将大大推动高校IPv6网络的早日接入。

（3）站在个人发展的角度来看，相信本次研究学习将会为我以后的网络人生带来不小的益处。眼看现有网络的寿命即将殆尽，如果自己提前学习并掌握了IPv4到IPv6的改造技术相信不久的将来会有自己的用武之地，毕竟这个改造工程是一个全球性的大蛋糕，只要自己分得一小块足矣。

2 IPv6协议的基本框架

对IPv4的升级最早在两个RFC中进行了定义。 RFC 1883中描述的是协议本身，而 RFC1884介绍的是IPv6的地址结构。现在RFC1884已经被RFC 2373所替代，1998年夏天I E T F批准了一个草案来替换RFC 1883。从3 2位地址到1 2 8位地址的变化代表了一个重大的转变，但如何制定和分配IPv6地址直到1998年秋天也没有定论。

2.1 变化概述

IPv6中的变化体现在以下五个重要方面：

●扩展地址

●简化头格式

●增强对于扩展和选项的支持

●流标记

●身份验证和保密

对于IP的这些改变对IAB于1991年制定的IPv6发展方向中的绝大部分都有所改进。IPv6的扩展地址意味着IP可以继续增长而无需考虑资源的匮乏，该地址结构对于提高路由效率有所帮助；对于包头的简化减少了路由器上所需的处理过程，从而提高了选路的效率；同时，改进对头扩展和选项的支持意味着可以在几乎不影响普通数据包和特殊包选路的前提下适应更多的特殊需求；流标记办法为更加高效地处理包流提供了一种机制，这种办法对于实时应用尤其有用；身份验证和保密方面的改进使得

IPv6更加适用于那些要求对敏感信息和资源特别对待的商业应用。

1. 扩展地址

IPv6的地址结构中除了把32位地址空间扩展到了128位外，还对IP主机可能获得的不同类型地址作了一些调整。例如IPv6中取消了广播地址而代之以任意点播地址。IPv4中用于指定一个网络接口的单播地址和用于指定由一个或多个主机侦听的组播地址基本不变。

2. 简化的包头

IPv6中包括总长为40字节的8个字段(其中两个是源地址和目的地址 )。它与IPv4包头的不同在于，IPv4中包含至少12个不同字段，且长度在没有选项时为20字节，但在包含选项时可达60字节。IPv6使用了固定格式的包头并减少了需要检查和处理的字段的数量，这将使得选路的效率更高。包头的简化使得IP的某些工作方式发生了变化。一方面，所有包头长度统一，因此不再需要包头长度字段。此外，通过修改包分段的规则可以在包头中去掉一些字段。IPv6中的分段只能由源节点进行：该包所经过的中间路由器不能再进行任何分段。最后，去掉IP头校验和不会影响可靠性，这主要是因为头校验和将由更高层协议(UDP和TCP)负责。

3. 对扩展和选项支持的改进

在IPv4中可以在IP头的尾部加入选项，与此不同，IPv6中把选项加在单独的扩展头中。通过这种方法，选项头只有在必要的时候才需要检查和处理。为便于说明，考虑以下两种不同类型的扩展部分：分段头和选路头。 IPv6中的分段只发生在源节

点上，因此需要考虑分段扩展头的节点只有源节点和目的节点。源节点负责分段并创建扩展头，该扩展头将放在 IPv6头和下一个高层协议头之间。目的节点接收该包并使用扩展头进行重装。所有中间节点都可以安全地忽略该分段扩展头，这样就提高了包选路的效率。另一种选择方案中，逐跳( hop-by-hop)选项扩展头要求包的路径上的每一个节点都处理该头字段。这种情况下，每个路由器必须在处理IPv6包头的同时也处理逐跳选项。第一个逐跳选项被定义用于超长IP包(巨型净荷)。包含巨型净荷的包需要受到特别对待，因为并不是所有链路都有能力处理那样长的传输单元，且路由器希望尽量避免把它们发送到不能处理的网络上。因此，这就需要在包经过的每个节点上都对选项进行检查。

4. 流

在IPv4中，对所有包大致同等对待，这意味着每个包都是由中间路由器按照自己的方式来处理的。路由器并不跟踪任意两台主机间发送的包，因此不能“记住”如何对将来的包进行处理。IPv6实现了流概念，其定义如RFC1883中所述：

流指的是从一个特定源发向一个特定(单播或者是组播)目的地的包序列，源点希望中间路由器对这些包进行特殊处理。

路由器需要对流进行跟踪并保持一定的信息，这些信息在流中的每个包中都是不变的。这种方法使路由器可以对流中的包进行高效处理。对流中的包的处理可以与其他包不同，但无论如何，对于它们的处理更快，因为路由器无需对每个包头重新处理。

5. 身份验证和保密

RFC1825(IP的安全性体系结构)描述了IP的安全性体系结构，包括IPv4和IPv6。它发表于在1995年8月，目前正在进

行修改和更新。1998年3月发表了一个更新版Internet草案。IP安全性的基本结构仍然很坚固，且已经进行了一些显著的改变和补充。

IPv6使用了两种安全性扩展：IP身份验证头(AH )首先由RFC1826(IP身份验证头)描述，而IP封装安全性净荷(ESP )首先在RFC1827(IP封装安全性净荷( ESP ) )中描述。

报文摘要功能通过对包的安全可靠性的检查和计算来提供身份验证功能。发送方计算报文摘要并把结果插入到身份验证头中，接收方根据收到的报文摘要重新进行计算，并把计算结果与A H头中的数值进行比较。如果两个数值相等，接收方可以确认数据在传输过程中没有被改变；如果不相等，接受方可以推测出数据或者是在传输过程中遭到了破坏，或者是被某些人进行了故意的修改。

封装安全性提供机制，可以用来加密 IP包的净荷，或者在加密整个IP包后以隧道方式在Internet上传输。其中的区别在于，如果只对包的净荷进行加密的话，包中的其他部分 (包头)将公开传输。这意味着破译者可以由此确定发送主机和接收主机以及其他与该包相关的信息。使用ESP对IP进行隧道传输意味着对整个IP包进行加密，并由作为安全性网关操作的系统将其封装在另一IP包中。通过这种方法，被加密的IP包中的所有细节均被隐藏起来。这种技术是创建虚拟专用网(VPN)的基础，它允许各机构使用Internet作为其专用骨干网络来共享敏感信息。

2.2 包头结构

在IPv4中，所有包头以32位为单位，即基本的长度单位是4个字节。在IPv6中，包头以64位为单位，且包头的总长度是40字节。IPv6协议为对其包头定义了以下字段：

●版本：长度为4位，对于IPv6，该字段必须为6

●类别：长度为8位，指明为该包提供了某种“区分服务”。

RFC1883中最初定义该字段只有4位，并命名为“优先级字段”，后来该字段的名字改为“类别”，在最新的IPv6 Internet 草案中，称之为“业务流类别”。该字段的定义独立于IPv6，目前尚未在任何RFC中定义。该字段的默认值是全0。

●流标签。长度为20位，用于标识属于同一业务流的包。一个

节点可以同时作为多个业务流的发送源。流标签和源节点地址唯一标识了一个业务流。在RFC1883中这个字段最初被设计为24位，但当类别字段的长度增加到8位后，流标签字段被迫减小长度来作补偿。

●净荷长度。长度为16位，其中包括包净荷的字节长度，即

IPv6头后的包中包含的字节数。这意味着在计算净荷长度时包含了IPv6扩展头的长度。

●下一个头。这个字段指出了IPv6头后所跟的头字段中的协议

类型。与IPv6协议字段类似，下一个头字段可以用来指出高层是TCP还是UDP，但它也可以用来指明IPv6扩展头的存在。

●跳极限。长度8位。每当一个节点对包进行一次转发之后，

这个字段就会被减1。如果该字段达到0，这个包就将被丢弃。

IPv4中有一个具有类似功能的生存期字段，但与IPv4不同，人们不愿意在IPv6中由协议定义一个关于包生存时间的上限。这意味着对过期包进行超时判断的功能可以由高层协议完成。

●源地址。长度为128位，指出了IPv6包的发送方地址。

●目的地址。长度为128位，指出了IPv6包的接收方地址。这

个地址可以是一个单播、组播或任意点播地址。如果使用了选路扩展头 (其定义了一个包必须经过的特殊路由 )，其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址而不必是最终地址。

2.3 流标签

IPv4通常被描述为无连接协议。就像任何一个包交换网络一样， IPv4设计为让每个包找到自己的路径以到达其目的地。每个包都分别处理，而结果是两个从相同数据源发往相同目的地的包可以采用完全不同的路由来穿越整个网络。这对于适应网络突发事件来说是个好办法，因为突发事件意味着任何一条路由都可能在任何时间出现故障，但只要两主机间存在某些路由则可以

进行数据的交互。

但是，这种方法的效率可能不太高，尤其是当包并不是孤立的，且实际上是两个通信系统间的业务流的一部分时。进一步考虑一个包流从一台主机发往另一主机时在它所经过的路径上将发生的事情：每个中间路由器对每个包的处理将导致在链路上轻微地增加延时。对于类似文件传输或终端仿真之类的大部分传统Internet应用，延时只会带来一点不方便而已，但对于一些提供互操作的音频和视频应用而言，即使只是增加一点点延时也会显著降低服务质量。

对每个IPv4包均进行单独处理带来的另一个问题在于难以把特定的业务流指定到较低代价的链路上。例如，电子邮件的传输优先级不高，并且不是实时应用，但 IPv4网络管理员却没有简单的办法来标识这些包，把它们传输到较低开销的 Internet 链路，并为实时应用保留较高开销的链路。

IPv6中定义的流的概念将有助于解决类似问题。IPv6头字段中的流标签把单个包作为一系列源地址和目的地址相同的包流的一部分。同一个流中的所有包具有相同的流标签。

2.4 业务流类别

最早有关IPv6的RFC1883中定义了4位优先级字段，这意味着每个包可能具备16个优先级中的一个。但是，经过多次讨论后这个字段的名字改为“类别”，且长度也扩大到了1字节。在最新的关于RFC1883的Internet修订草案中，名字又被改为“业务流类别”。