【文章內(nèi)容簡介】 投入人力和財力，并且從國家的角度制定了向 IPv6 過渡的計劃。在由日本發(fā)起的產(chǎn)、學、研一體的 IPv6 研發(fā)組織 WIDE 中，組建了一個特殊的研究小組，主要研究 IPv6 部署時潛在的問題 [11]；韓國著手開始 IPv6 的試點項目 KOREAv6[12]，該項目是一項 IPv6 試驗網(wǎng)絡(luò)服務項目，目的是創(chuàng)建一個龐大的 IPv6 客戶群，用來挖掘和核實 IPv6 服務模式的要點；在美國，由于擁有較多的 IPv4 地址，因此目前主要是研究 IPv6 協(xié)議以及協(xié)調(diào)各方面的工作。美國對 IPv6 的研究和技術(shù)在世界上還是最先進的，主要的研究、開發(fā)組織如 IETF、 6BONE 等大都在美國。 主要內(nèi)容及章節(jié)安排 論文主要以校園網(wǎng)由 IPv4 網(wǎng)絡(luò)向 IPv6 網(wǎng)絡(luò)過渡為研究背景，針對過渡階段出現(xiàn)的問題，在研究了 IPv6 協(xié)議、過渡原因、過渡技術(shù)以及在本校醫(yī)學部實際需要的基礎(chǔ)上，利用 Windows XP 系統(tǒng)和 GNS3 模擬器構(gòu)建了仿真平臺，設(shè)計并仿真實現(xiàn)了醫(yī)學部 IPv6 網(wǎng)絡(luò)過渡方案。主要工作包括：深入研究了 IPv6 協(xié)議的各方面知識，以及與 IPv4 相比它的諸多優(yōu)越性，彌補了 IPv4 的種種缺陷，使得過渡到 IPv6 是必然的；分析了過渡的基本原因并深入了解了目前主要的過渡技術(shù)，結(jié)合校園網(wǎng)的布局情況以及對 IPv6 的實際需求，設(shè)計校園網(wǎng)改造升級的過渡方案；通過仿真實驗證明升級方案的可行性，使得醫(yī)學部的網(wǎng)絡(luò)升級滿足本學部師生對網(wǎng)絡(luò)應用的需求。同時也涉及到很多網(wǎng)絡(luò)方面的知識，包括網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試、路由器的配置、動態(tài)路由和靜態(tài)路由的配置、隧道技術(shù)的使用、 NATPT 技術(shù)的使用、網(wǎng)絡(luò)的測試、仿真軟件 GNS3 的熟練使用等，本文的章節(jié)安排如下： 第 1 章 緒論。簡要介紹 IPv6 的研究背景及國內(nèi)外研究狀況。 第 2 章 IPv6 協(xié)議。詳細介紹了 IPv6 的特性以及與 IPv4 協(xié)議的諸多不緒論 3 同，彌補了 IPv4 協(xié)議的許多不足，由此體現(xiàn)出過渡的必要性。 第 3 章 IPv6 過渡技術(shù)。介紹了 IPv6 過渡的必然性和目標，以及過渡的主要階段，并簡單介紹了主要的三種過渡技術(shù)：雙協(xié)議棧技術(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)以及隧道技術(shù)。 第 4 章 校園網(wǎng)的 IPv6 過渡方案。分析了 IPv6 校園網(wǎng)的建網(wǎng)需求，以及接入 Cer2 網(wǎng)的策略和主要的接入方式。并結(jié)合醫(yī)學部現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃圖，設(shè) 計了醫(yī)學部接入和升級校園網(wǎng)的方案。 第 5 章 校園網(wǎng)過渡技術(shù)的仿真與實現(xiàn)。詳細介紹了各種過渡技術(shù)，并根據(jù)設(shè)計方案，利用 Windows XP 系統(tǒng)和 GNS3 模擬器構(gòu)建仿真平臺，針對設(shè)計方案中出現(xiàn)的過渡技術(shù)，設(shè)計了仿真實驗，并通過了測試。實驗證明，設(shè)計方案有效的實現(xiàn)了 IPv4 網(wǎng)向 IPv6 網(wǎng)的過渡。 第 6 章 結(jié)束語?？偨Y(jié)了本論文的主要工作，同時對使用 IPv6 網(wǎng)絡(luò)后的前景進行展望。IPv6 協(xié)議 4 2 IPv6 協(xié)議 IPv6 地址 IPv6 采用的是 128 位編碼地址，理論地址共有 2128 個，遠遠大于 IPv4 的232 個理論地址，它的地址表示不同于 IPv4 的“ .”結(jié)構(gòu)，而是采用“：”來表示。 IPv6 地址表示 IPv6 將 128 位地址分隔成 8 段，每段 16 位，再將每段轉(zhuǎn)換成四位十六進制數(shù)，并用冒號隔開。地址表示形式一般分為三種 [13]： （ 1）首選 IPv6 地址表示：是由冒號分開的 8 個 16 比特字段組成，每個字段由 4 個 十 六 進 制 字 符 組 成 ， 表 示 形 式 為 ：3FFE:0C10:0000:1236:FB00:1812:FE80:25FF。 （ 2）壓縮表示：在 IPv6 地址表示中，常常會有連續(xù)個 0 的地址出現(xiàn)，為了方 便的表示這類地址，常使用特定的語法來壓縮連續(xù)的 0。首選格式為：3FEE:0000:0000:1235:0000:0000:0000:6B3C 壓縮表示可分為兩種：連續(xù) 16 比特字段為 0 的壓縮表示： 3FEE:0000:0000:1235::6B3C； 16 比特字段的前導 0 的壓縮表示： 3FEE:0:0:1235:0:0:0:6B3C；還可將兩種壓縮方式結(jié)合起來表示：3FEE:0:0:1235::6B3C。 （ 3）內(nèi)嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址：這是在過渡機制中特有的表示，在內(nèi)嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址中，前 6 個 16 比特十六進制字段，用符號 X 表示，后接 4 個 8 比特十進制字段，用 d 表示。 X 的值由 0000 到 FFFF， d 的值由 0 到 255。表示形式為： X:X:X:X:X:X: ， 表 示 方 式 ：EF23:BA53:C006:0EF2:0023:EF56:。 IPv6 地址分類 IPv6 地址類型與表示法和子網(wǎng)的劃分無關(guān)。在 IPv6 中，地址是給網(wǎng)絡(luò)接口的，而非節(jié)點，并且每個端口可同時擁有和使用多個地址。 IPv6 協(xié)議有三種不同類型的地址：單播地址、組播地址和任意播地址。取消了 IPv4 中的廣播地址，用組播地址來代替。 單播地址：每個單播地址只能標識唯一的一個接口。單播是指單個發(fā)送方對IPv6 協(xié)議 5 應單個接收方的一種通信。在客戶端與服務器端需建立單獨的數(shù)據(jù)通道，只能一對一的傳送數(shù)據(jù)包。這種機制的優(yōu)點在于服務器可以及時響應客戶機的請求，易實現(xiàn)個性化服務。但同時也增大了服務器的流量，使得服務器超負荷工作，并浪費了網(wǎng)絡(luò)帶寬。組播地址 [14]：每個組播地址可以用來標識多個接口。組播是指一臺或多臺主機同時發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺主機的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播中的主機將數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定的組播組中，只有屬于該組播的地址才可以接收 到。無論有多少個數(shù)據(jù)包的接收者，整個網(wǎng)絡(luò)中的任一條鏈路只傳送單一數(shù)據(jù)包，從而節(jié)省了帶寬。因此，即便是用戶數(shù)量在組播網(wǎng)絡(luò)中成倍增長，組播網(wǎng)中的帶寬也不需要增加。組播網(wǎng)絡(luò)模型如圖 21 所示。任意播地址 [15]：任意播地址是用來標識多個接口的，其地址分配給不同節(jié)點的多個接口，因此發(fā)往任意播地址的數(shù)據(jù)包，最終會發(fā)到有該地址標識，經(jīng)路由協(xié)議測得最近的接口。任意播機制使得源節(jié)點不需要了解服務節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)情況，就能接收最優(yōu)服務。任意播地址只能作為 IPv6 數(shù)據(jù)包的目的地址，并且只能分配給路由器。任意播技術(shù)不僅僅應用在網(wǎng)絡(luò) 層，還可以在應用層實現(xiàn)。 圖 21 組播網(wǎng)絡(luò)模型 IPv6 數(shù)據(jù)包 IPv6 協(xié)議 6 IPv6 基本報頭 圖 22 IPv6 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) IPv6 的數(shù)據(jù)包由一個 IPv6 基本報頭、多個 IPv6 擴展報頭及一個上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元構(gòu)成。具體數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖 22 所示 [16]。 圖 23 IPv6 報頭結(jié)構(gòu) 與 IPv4 數(shù)據(jù)報頭的 14 個域相比， IPv6 的報頭更加簡單，只有 8 個域。 IPv6基本報頭固定為 40 字節(jié)。 IPv6 報頭結(jié)構(gòu)如圖 23 所示 [1][16]。 IPv6 擴展報頭 IPv6 數(shù)據(jù)包中包含著零個或多個長度不同的擴展報頭。這種報頭編輯的方式提高了數(shù)據(jù)報的處理能力。因為大多數(shù)數(shù)據(jù)包只需要簡單處理，用基本報頭信息就足夠了，如果在網(wǎng)絡(luò)層需要用到額外信息的數(shù)據(jù)包，只要把這些數(shù)據(jù)包的信息編碼放到擴展報頭中即可。這樣不僅提高了處理效率，還增強了擴展性。 IPv6 的擴展報頭可分為以下類型。 逐跳選項報頭：包括了數(shù)據(jù)報傳遞路徑上的每個節(jié)點都需要檢查和處理的信息。路由報頭：若指定 IPv6 數(shù)據(jù)包從源地址到目的地址的發(fā)送過程中須經(jīng)過若干個節(jié)點，將這些節(jié)點的地址列表放在路由報頭中。分段報頭：該報頭用于對 IPv6 數(shù)據(jù)報的拆分和重組。認證報頭：用來保證數(shù)據(jù)報在傳輸中的完整性，同IPv6 協(xié)議 7 時要保證數(shù)據(jù)來自源地址標記的接口。封裝安全載荷報頭：提供數(shù)據(jù)加密，實現(xiàn)端到端加密，并提供無連接的完整性服務與抗重發(fā)服務，還可限制通信流機密性。目的選項報頭：報頭中存放需由目的節(jié)點來檢驗的可選信息。 上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元由上層協(xié)議報頭及其有效載荷構(gòu)成。其中，有效載荷可以由某一 CMPv6 報文或者 TCP 數(shù)據(jù)段或 UDP 報文構(gòu)成。與 IPv4 報文相比， IPv6 報文有很大變化，相應的上層傳輸協(xié)議也需要修改，主要涉及以下幾 方面。 上層校驗和：在 IPv6 中， TCP 和 UDP 必須改進，從而可使校驗和的計算里包括 IPv6 的內(nèi)容。在 IPv4 中 UDP 校驗和是選擇項，在 IPv6 中是必選項，而且ICMPv6 在校驗和計算中加入了偽報頭。最大的報文生存時間： IPv6 報文中沒有“生存時間”字段，因此 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)層不再記錄報文存在于網(wǎng)上的時間。最大的上層協(xié)議載荷大?。杭醋畲髷?shù)據(jù)段的長度。對攜帶路由頭數(shù)據(jù)報文的響應：考慮到安全性，規(guī)定當回應帶路由報頭的數(shù)據(jù)報文時，上層協(xié)議所發(fā)的回應報文不允許攜帶與之相應的路由頭，除非接收到的報文的源地址和路由頭的完 整性與真實性可以確認。 ICMPv6 在 IPv4 協(xié)議中， ICMP[17]（ Inter Control Message Protocol 互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議）用于向源節(jié)點報告關(guān)于數(shù)據(jù)報文在傳輸中的錯誤以及信息。它定義了一些消息，包括診斷、控制以及管理目的等。這些消息有：數(shù)據(jù)報文超長、目的不可到達、超時以及回送請求和應答等。 ICMPv6 除了提供 IPv4 協(xié)議下的常用功能外，還定義了如無狀態(tài)的地址配置、鄰居發(fā)現(xiàn)以及路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)等。因此，ICMPv6 是一個很重要的協(xié)議，是理解 IPv6 相關(guān)機制的基礎(chǔ)。 ICMPv6 消息可分為兩種：差錯消息和信息消息。 ICMPv6 報文結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 圖 25 ICMPv6 報文格式 差錯消息 差錯消息報文結(jié)構(gòu)的類型字段最高位為 0，主要用來報告在其報文的轉(zhuǎn)發(fā)過程中所出現(xiàn)的錯誤。常見的消息有：目標不可達、超時、數(shù)據(jù)報文超長以及參數(shù)IPv6 協(xié)議 8 問題。 目標不可達：當數(shù)據(jù)報文無法到達目標節(jié)點或者是上層協(xié)議時，由路由器或者是目標節(jié)點發(fā)出目標不可到達的差錯消息，消息結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。如果是因為接口鏈路 MTU 小于 IPv6 報文的長度而導致的報文無法轉(zhuǎn)發(fā)，路由器就會發(fā)出數(shù)據(jù)報 文超長的信息，該消息的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。當路由器收到跳限制字段的值為 1 的報文時，會丟掉該數(shù)據(jù)報文，同時向源發(fā)送超時消息，超時消息的結(jié)構(gòu)如圖 28 所示。當 IPv6 報頭或擴展報頭出錯，使節(jié)點不能進一步處理數(shù)據(jù)報文時，節(jié)點會丟棄此數(shù)據(jù)報文，同時向源發(fā)送關(guān)于參數(shù)問題的消息，同時指出問題發(fā)生的位置以及類型，其結(jié)構(gòu)如圖 29 所示。 圖 26 目標不可達消息結(jié)構(gòu) 圖 27 數(shù)據(jù)報文超長消息結(jié)構(gòu) 圖 28 超時消息結(jié)構(gòu) IPv6 協(xié)議 9 圖 29 參數(shù)問題消息結(jié)構(gòu) 信息消息 ICMPv6 的信息消息有很 多種，這里主要介紹回送請求消息和回送應答消息。這兩種消息提供了一種診斷工具，來協(xié)助發(fā)現(xiàn)并處理遇到的各種可到達性問題。 回送請求：主要用來發(fā)送到目的節(jié)點，以使目標節(jié)點立刻發(fā)回回送應答消息。由發(fā)送方主機來設(shè)置標識符及序列號字段，主要用來檢查回送應答消息和回送請求消息匹配與否?；厮蛻穑好渴盏揭粋€回送請求消息， ICMPv6 都會用回送應答消息響應，其中標識符以及序列號的值要與回送請求消息中相應字段值相同。 IPv6 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議 [1819]（ ND Neighbor Discovery）是 IPv6 的關(guān)鍵協(xié)議，它主要綜合了 IPv4 的 ARP 協(xié)議、 ICMP 的路由器發(fā)現(xiàn)協(xié)議以及 ICMP 的重定向協(xié)議等，并且對這些協(xié)議做了改進。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議還提供前綴發(fā)現(xiàn)、地址自動配置、鄰居不可達檢測以及重復地址檢測等功能。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議的功能主要由三部分組成：地址解析、無狀態(tài)地址自動配置和路由器重定向。 地址解析是確定目的節(jié)點鏈路層地址的一種方法。在 IPv6 的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議中，該功能不但代替了 IPv4 的 ARP 協(xié)議，同時還啟用了 NUD（鄰居不可達檢測）維護鄰居節(jié)點間的可到達性狀態(tài)信息。地址解析在數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)過程中有很重要的作用 。當一節(jié)點想得到同一鏈路上的另一節(jié)點的鏈路層地址時，需要進行相關(guān)的地址解析。在 IPv4 中可用 ARP 協(xié)議實現(xiàn)該功能， IPv6 中就用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議實現(xiàn)該功能，并且功能有增強。在無狀態(tài)地址自動配置中，主機通過接收鏈路上路由器發(fā)的 RA（路由器公告）消息，結(jié)合接口標識符生成一個全球的單播地址。無狀態(tài)自動配置有三種機制：路由器發(fā)現(xiàn)、重復地址檢測以及前綴重新編址。路由器重定向是指路由器發(fā)送重定向報文，該報文用來通知鏈路上的各個報文發(fā)送節(jié)點，在目前的鏈路上有一個更好的路由器可用來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文。接收到此消息的節(jié)點根據(jù)路由器提 供的消息，修改本地路由表項。重定向報文只為單播數(shù)據(jù)流發(fā)放，而其形式也是以單播的方式發(fā)往始發(fā)主機，而且只能是始發(fā)節(jié)點處理。重定向報文的格式如圖 212 所示。 IPv6 協(xié)議 10 圖 212 重定向報文格式 IPv6 的路由協(xié)議 在網(wǎng)絡(luò)中要進行路由的選擇需要使用路由器，路由器根據(jù)收到報文的目的地址來選擇合適的路由將報文