【文章內容簡介】 報頭 選路頭代替了 IPv4 中所實現的源選路。源選路允許用戶指定包的路徑，即到達目的地沿途必須經過的路由器。在 IPv4 源選路中，使用 IPv4 選項對用戶可以指定的中間路由器的個數有一定限制：帶擴展的 IPv4 頭有 40 個附加字節(jié)，最多只能填入 10 個 32 位地址。此外，由于路徑上的每個路由器都必須處理整個地址列表，而不論該路由器是否在列表中，因而對源路由包的處理很慢。 IPv6 定義了一個通用的選路擴展頭，有兩個字段，各占 1 字節(jié)：選路類型字段和剩余段數字段。其中選路類型字段表示所使用的選路頭的類型；而剩余段數字段表 示擴展頭的其余部分所列出的附加路由器的個數，這些路由器是在到達最終目的地的途中包必須經過的。擴展頭的其余部分為類型特定的數據，與選路頭類型相關。 RFC1883 中定義了一種類型，即類型 0 選路頭。類型 0 選路擴展頭解決了 IPv4 源選路的主要問題。只有列表中的路由器才處理選路頭，其他路由器則不必處理。而且列表中最多可以指定 256 個路由器。對選路頭的操作過程如下： ① 由源節(jié)點構造包必須經過的路由器的列表，并構造類型 0 選路頭，頭中包括路由器的列表、最終目的節(jié)點地址和剩余段數，剩余段數（ 8 位 整數）指明在包向目的節(jié)點交付之前所必須經過的特定路由器的數目。 ② 源節(jié)點發(fā)送包時，將 IPv6 頭目的地址設置為選路頭列表中的第一個路由器的地址。 ③ 該包一直轉發(fā)，直到到達路徑中的第一站，即 IPv6 頭的目的地址（選路頭列表中的第一個路由器），只有該路由器才檢查選路頭，沿途的中間路由器都忽略選路頭。 ④ 在第一站和所有后續(xù)其他站，路由器檢查選路頭以確保剩余段數與地址列表一致。若剩余段數的值等于 0，則表示此路由器節(jié)點實際上是該包 的最終目的地，節(jié)點將繼續(xù)對包的其他部分進行處理。 ⑤ 假定此節(jié)點不是該包的最終目的地，它將自己的地址從 IPv6 的目的地址字段取出，并以選路頭列表中的下一個節(jié)點地址來替代。同時，節(jié)點將剩余段數字段的值減 1。然后將包發(fā)送往下一站。列表中的其他節(jié)點重復此過程，直到包到達最終目的地。 9 3 分段頭 IPv6 只允許源節(jié)點對包進行分段，簡化了中間節(jié)點對包的處理。而在 IPv4 中，對于超出本地鏈路允許長度的包，中間節(jié)點可以進行分段。這種處理方式要求路由器必須完成額外的工作，并且在傳輸過程中包可能 被多次分段。 IPv4 中的分段很令人煩惱，它使得中間節(jié)點和目的節(jié)點都必須增加處理分段的必要開銷。通過使用路徑 MTU 發(fā)現機制，源節(jié)點可以確定源節(jié)點到目的節(jié)點之間的整個鏈路中能夠傳送的最大包長度，從而可以避免中間路由器的分段處理。 RFC1883 規(guī)定最小的 MTU 為 576 字節(jié)，但在將用來代替 RFC1883 的文檔草案中，最小的 MTU 要求已增加到 1280 字節(jié)，并建議將鏈路配置為應該至少可以傳送 1500 字節(jié)長的包。上述規(guī)定表明，源節(jié)點可以發(fā)送長達 1280 字節(jié)的包，而不必顧慮這些包會被分段。長達 1500 字節(jié)的包也很可能不被分 段。但是， IPv6規(guī)范建議所有節(jié)點都執(zhí)行路徑 MTU 發(fā)現機制，并只允許由源節(jié)點分段。換言之，在發(fā)送任意長度的包之前，必須檢查由源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，計算同可以無需分段而發(fā)送的最大長度的包。如果要發(fā)送超出此長度的包，就必須由源節(jié)點進行分段。在 IPv6 中，分段只發(fā)生在源節(jié)點，并使用分段頭來表示。 RFC1883 中規(guī)定的幀格式如圖所示。 下一個頭 保留 分段偏移值 保留 M 標識 圖 3— 4 分段報頭 分段頭字段包括： 下一個頭字段：此 8 位字段對所有的 IPv6 頭是共同的。 保留：此 8 位字段目前未用，設置為 0。 分段偏移值字段：與 IPv4 的分段偏移值字段很相似。此字段共 13 位，以 8 字節(jié)為單位，表示此包（分段）中數據的第一個字節(jié)與原來整個包中可分段部分的數據的第一個字節(jié)之間的位置關系。換言之，若該值為 175，表示分段中的數據從原包的第 1400 字節(jié)開始。 保留字段：此 2 位字段目前未用，設置為 0。 M 標志：此位表示是否還有后續(xù)字段。若值為 1，表示后面還有后續(xù)字段；若值為 0則表示這是最后一個分段。 標識字段：該字段與 IPv4 的標識字段類似，但是為 32 位，而在 IPv4 中為 16 位。源節(jié)點為每個被分段的 IPv6 包都分配一個 32 位 標識符，用來唯一標識最近（在包的生存期內）從源地址發(fā)送到目的地址的包。 10 3 IPv4向 IPv6 的過渡技術 如何完成從 IPv4 到 IPv6 的轉換 ,是 IPv6 發(fā)展需要解決的第一個問題 .過渡是指某一事物從一種狀態(tài)逐步演化為另一狀態(tài)，或者逐步轉變?yōu)榱硪皇挛?。過渡的特征有兩個：過渡需要一個過程，需要一定的時間；在過渡過程中，事物發(fā)生了質的變化，逐漸不同于原來的事物，過渡完成以后，演變成為新的事物。 過渡要求 IPv6 不可能立刻替代 IPv4，因此在相當一段時間內 IPv4 和 IPv6 會共存一個環(huán)境中。要提供平穩(wěn)的轉換 過程，使得對現在的使用者影響最小，就需要有良好的轉換機制。 IPv6 是下一代 Inter 核心協議。但是，一種新的協議從誕生到廣泛應用需要一個過程，尤其是對于 IPv4 仍然很好地支撐著的 Inter 而言。在 IPv6 的網絡滸于全球之前，總是有一些網絡首先使用 IPv6 協議棧并希望能夠與當前的 Inter 正常通信。為達到這一目的，研究者們必須開發(fā)出 IPV4/IPV6 互通技術以保證 IPV4 能夠平穩(wěn)過渡到 IPV6，除此以外，互通技術應該對普通用戶做到“無縫”，對信息傳遞做到高效。 IETF 專門組建 NGTRANS 工作小組，現在為 V6OPS，開展對于 IPV4/IPV6 過渡問題和高效無縫互連問題的研究， IETF 還在全球范圍內成立 IPV6 網絡試驗床 6Bone,專門對 IPV6 的特性進行研究。實現從 IPV4 平穩(wěn)的向 IPV6 過渡是 IETF ngtrans 工作小組主要目標，近年來他們已提出了許多兩種協議的轉換機制。 IETF 推薦的轉換機制有又棧協議、隧道技術、翻譯技術和 NAT 等，這些技術各有特點，可用于解決不同過渡時期、不同環(huán)境的通信問題，其中一部分轉換技術已在 6Bone 上得到了應用。 IPV4 網絡向 IPV6 網絡的過渡可以分 為 4 個階段，如圖所示 , 11 I P V 6 島純 I P V 4 網 絡I P V 4 海 洋 I P V 4 島I P V 6 海 洋純 I P V 6 網 絡I P V 6 實 驗 網 絡第 1 階 段 第 2 階 段 第 3 階 段 第 4 階 段I P V 6 / I P V 4 轉 換在過渡的初期 ,Inter 將由運行 IPv4 的“海洋”和運行 IPv6 的“孤島”組成。隨著時間的推移， IPv4 的海洋將會逐漸變小，而 IPv6 的小島將會越來越多，逐步連接成 IPv6 的海洋，最終實現 IPv6 完全取代 IPv4。過渡初期要解決的主要問題有兩個：第一個是解決這些 IPv6 的小島之間互相通信的問題；第二個是解決 IPv6 的小島與 IPv4 的海洋之間通信的問題。 過渡時期面臨的問題 IPv4 向 IPv6 過渡時期 的特點 處于過渡期的 IPv6 技術最大的特點是不斷的升級，在技術層面上引領 IPv4 網絡向IPv6 網絡遷徙。 IPv4 發(fā)展了幾十年 ,在路由協議、 Qos、多播、報文頭擴展、狀態(tài)機備份、安全等方面還在不斷地完善中，以適應網絡功能的轉型和信息社會發(fā)展對多媒體信息傳輸的需求。 IPv6 在標準建設、協議棧開發(fā)方面正在起步，還有巨大的工作要完成。在相當長的一段時間內， IPv6 將會面臨不斷升級完善的局面。為了兼容現有的 IPv4 技術，盡快地獲取生存空間，支持 IPV6 的網絡設備更多的在要雙棧環(huán)境下運行，“兼容性”大于“先進性”，在確 保兼容性的前提下，怎樣使 IPv6 技術在網絡應用支持方面，能夠做到比 IPv4 更具優(yōu)勢是過渡期 IPv6 開發(fā)的重點。 [2] 軟件升級支持 針對處在過渡期的 IPv6 技術會不斷升級的特點， NP 等可編程硬件顯然具備更強的優(yōu)勢。 NP 對于硬件的技術優(yōu)勢主要在于方便優(yōu)化、升級，從而很容易增加新特性。由于 12 IPv6 網絡處于新生時期，協議、特性的更新是頻繁的，這就要求 IPv6 設備能較快的更新換代。從另一個角度， IPv6 設計的一個宗旨是方便用戶應用層的擴展，因此 NP 可以根據用戶需求設計出衫的私有特性。而 ASIC 目前能夠做 的只能是 IPv6 已經固化的轉發(fā)功能，無法做到支持擴展方面的功能，只能依靠設備中的 CPU 解決。這樣的后果是讓整修設備的轉發(fā)速率下降到一個無法接受的水平（幾百 kbit/s） ,并且會威脅到設備的穩(wěn)定性。因此，從這個角度來說，選擇可編程的硬件平臺設備可以更好地保護用戶的投資。 路由表容量的問題 IPv6 采用 128 地地址，路由表占用空間在容量不變時要增大到原來的 4 倍，而 ASIC中的硬件轉發(fā)的路由表存儲在 ASIC 專用的地址空間中，硬件 地址表空間很有限， ASIC平臺在 IPv6 的環(huán)境中，如果保持 IPv4 一樣的 地址表空間將會大大提高成本，因此硬件在設計上需要盡量節(jié)省私有空間大小而提高路由表容量。在實際的應用環(huán)境中，過渡期設備往往運行在雙棧環(huán)境下，同時面臨 IPv6 和 IPv4 的路由表需求，因此對地址空間的要求將大于目前的純 IPv4 環(huán)境。 對擴展首部的支持 IPv6 的擴展首部 (頭 )的功能遠遠強于 IPv4 的 IP 選項字段 ,對于擴展首部的處理也更加豐富 .其中所有轉發(fā)節(jié)點都要處理路由擴展頭、逐跳選項頭和地址頭。逐跳選項與地址選項目的是支持特殊應用（如安全、管理）而預留的，中間節(jié)點需要根據某種策略來處理。目前 RFC2460 并未定義成熟而有意義的選項，其潛力尚未發(fā)揮。 報文轉發(fā)效率 IPv6 的一個設計思想是減輕轉發(fā)的負擔，采用 以下幾個思路和技術措施： 1） 基本報文頭長度固定，沒有多余的頭部長度字段。 2） 轉發(fā)節(jié)點并不計算校驗和。 3） 中間節(jié)點不得分段。 相對于其他硬件平臺來說， ASIC 平臺在“硬件”轉發(fā)技術上具有優(yōu)勢，也就是說直接通過 ASIC 硬件查表實現數據的快速轉發(fā)。在轉發(fā)性能、轉發(fā)延遲方面，在 IPv4 的環(huán)境中ASIC 平臺相對其他平臺有幾乎大于 1 個甚至更多數量級的優(yōu)勢，然而隨著 IPv6 的這些 13 特點的產生，其他硬件 平臺在 IPV 報文頭上的開銷將大大減小，導致其他平臺和 ASIC平臺之間的差距在縮小。 服務質量的實施 作為從 IPv4 基礎上發(fā)展起來的 IPv6 技術，并沒有改變 IP 技術盡力交付、提供無連接這一最本質的特點，因此 IPv4 所面臨的所有 Qos 問題，在 IPv6 中同樣存在。 IPv6 在IP BASE（基本）和 EXTENSION（擴展）首部中飲食了少量特寫于 Qos 的服務元素，包括流量類別（ Traffic Class）和相應的流標簽（ Flow Label）。由于報文頭的簡化， Qos 處理和實施的效率會有所提高。但也應該看到 ，隨著 IP 網絡規(guī)模的增大 和應用業(yè)務的日益復雜， IP 網絡已經日益成為一個“補丁”網絡。至今為止在 IPv4 網絡中的 Qos 技術和標準還在不斷產生，而 IPv6 的 Qos 問題還根本沒有被廣泛提及，隊列機制、調試機制等標準的制定工作還處于初級階段。這些機制將牽涉到隊列的緩沖區(qū)設計、時延處理策略等，通過 ASIC 可以將這些處理機制都固化在芯片中，但是現有的環(huán)境下，用 ASIC 實現將來的 IPv6 的 Qos 策略顯然不現實，采用 編程硬件將是有效實現將來的 Qos 策略的唯一選擇。 IPv4 向 IPv6 的過渡技術 確保 IPv6 和 IPv4 的共存所使用的技術主要分成 雙棧技術、隧道技術和協議轉換技術 3 類。 雙協議棧技術 （ Dual Stack） 這類技術可以讓 IPv4 技術和 IPv6 技術共存于同一設備和網絡中。技術文檔是FRC2893。采用該技術的節(jié)點上同時運行 IPv4 和 IPv6 兩套協議棧。這是使 IPv6 節(jié)點保持與純 IPv4 節(jié)點兼容最直接的方式，針對的對象是通信端節(jié)點（包括主機、路由器）。這種方式對 IPv4 和 IPv6 提供了完全的兼容，但是對于 IP 地址耗盡的問題卻沒有任何幫助。由于需要雙路由基礎設施，這種方式反面增加了網絡的復雜程度。 1 雙棧技術的工作原理 IPv6/IPv4 雙協議棧技術是使 IPv6 的網絡節(jié)點具有一個 IPv4 棧和一個 IPv6 棧，同時支持 IPv4 和 IPv6。 IPv6 和 IPv4 是功能相近的網絡層協議，兩者都應用于相同的數據 14 鏈路層和物理層協議平臺，并承載相同的運輸層協議書 TCP 或 UDP，如果一臺主機同時支持 IPv6 和 IPv4，那么該主機就可以和僅支持 IPv4 或 IPv6 的主機通信， IPv6/IPv4 雙協議棧的協議書結構如圖 應用層協議 TCP/UDP IPv6 IPv4 鏈路層及物理協議（ IP 層以下部分） 雙棧節(jié)點和 IPv6 節(jié)點進行通信的時候，就像一個純 IPv6 節(jié)點，而當它和 IPv4 節(jié)點通信的時候，又像一個純 IPv4 節(jié)點。這類節(jié)點實現中可能有