【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 投入人力和財(cái)力，并且從國(guó)家的角度制定了向 IPv6 過(guò)渡的計(jì)劃。在由日本發(fā)起的產(chǎn)、學(xué)、研一體的 IPv6 研發(fā)組織 WIDE 中，組建了一個(gè)特殊的研究小組，主要研究 IPv6 部署時(shí)潛在的問(wèn)題 [11]；韓國(guó)著手開(kāi)始 IPv6 的試點(diǎn)項(xiàng)目 KOREAv6[12]，該項(xiàng)目是一項(xiàng) IPv6 試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)項(xiàng)目，目的是創(chuàng)建一個(gè)龐大的 IPv6 客戶群，用來(lái)挖掘和核實(shí) IPv6 服務(wù)模式的要點(diǎn)；在美國(guó)，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(guó)對(duì) IPv6 的研究和技術(shù)在世界上還是最先進(jìn)的，主要的研究、開(kāi)發(fā)組織如 IETF、 6BONE 等大都在美國(guó)。 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(guò)渡為研究背景，針對(duì)過(guò)渡階段出現(xiàn)的問(wèn)題，在研究了 IPv6 協(xié)議、過(guò)渡原因、過(guò)渡技術(shù)以及在本校醫(yī)學(xué)部實(shí)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(tái)，設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)部 IPv6 網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡方案。主要工作包括：深入研究了 IPv6 協(xié)議的各方面知識(shí)，以及與 IPv4 相比它的諸多優(yōu)越性，彌補(bǔ)了 IPv4 的種種缺陷，使得過(guò)渡到 IPv6 是必然的；分析了過(guò)渡的基本原因并深入了解了目前主要的過(guò)渡技術(shù)，結(jié)合校園網(wǎng)的布局情況以及對(duì) IPv6 的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)校園網(wǎng)改造升級(jí)的過(guò)渡方案；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明升級(jí)方案的可行性，使得醫(yī)學(xué)部的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)滿足本學(xué)部師生對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。同時(shí)也涉及到很多網(wǎng)絡(luò)方面的知識(shí)，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(dòng)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(cè)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(jiǎn)要介紹 IPv6 的研究背景及國(guó)內(nèi)外研究狀況。 第 2 章 IPv6 協(xié)議。詳細(xì)介紹了 IPv6 的特性以及與 IPv4 協(xié)議的諸多不緒論 3 同，彌補(bǔ)了 IPv4 協(xié)議的許多不足，由此體現(xiàn)出過(guò)渡的必要性。 第 3 章 IPv6 過(guò)渡技術(shù)。介紹了 IPv6 過(guò)渡的必然性和目標(biāo)，以及過(guò)渡的主要階段，并簡(jiǎn)單介紹了主要的三種過(guò)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(guò)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(xué)部現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃圖，設(shè) 計(jì)了醫(yī)學(xué)部接入和升級(jí)校園網(wǎng)的方案。 第 5 章 校園網(wǎng)過(guò)渡技術(shù)的仿真與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了各種過(guò)渡技術(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用 Windows XP 系統(tǒng)和 GNS3 模擬器構(gòu)建仿真平臺(tái)，針對(duì)設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)的過(guò)渡技術(shù)，設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案有效的實(shí)現(xiàn)了 IPv4 網(wǎng)向 IPv6 網(wǎng)的過(guò)渡。 第 6 章 結(jié)束語(yǔ)?？偨Y(jié)了本論文的主要工作，同時(shí)對(duì)使用 IPv6 網(wǎng)絡(luò)后的前景進(jìn)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(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 IPv4 的232 個(gè)理論地址，它的地址表示不同于 IPv4 的“ .”結(jié)構(gòu)，而是采用“：”來(lái)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(jìn)制數(shù)，并用冒號(hào)隔開(kāi)。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(hào)分開(kāi)的 8 個(gè) 16 比特字段組成，每個(gè)字段由 4 個(gè) 十 六 進(jìn) 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(huì)有連續(xù)個(gè) 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(yǔ)法來(lái)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(dǎo) 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(lái)表示：3FEE:0:0:1235::6B3C。 （ 3）內(nèi)嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址：這是在過(guò)渡機(jī)制中特有的表示，在內(nèi)嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址中，前 6 個(gè) 16 比特十六進(jìn)制字段，用符號(hào) X 表示，后接 4 個(gè) 8 比特十進(jìn)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(wú)關(guān)。在 IPv6 中，地址是給網(wǎng)絡(luò)接口的，而非節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)端口可同時(shí)擁有和使用多個(gè)地址。 IPv6 協(xié)議有三種不同類型的地址：?jiǎn)尾サ刂?、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(lái)代替。 單播地址：每個(gè)單播地址只能標(biāo)識(shí)唯一的一個(gè)接口。單播是指單個(gè)發(fā)送方對(duì)IPv6 協(xié)議 5 應(yīng)單個(gè)接收方的一種通信。在客戶端與服務(wù)器端需建立單獨(dú)的數(shù)據(jù)通道，只能一對(duì)一的傳送數(shù)據(jù)包。這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)在于服務(wù)器可以及時(shí)響應(yīng)客戶機(jī)的請(qǐng)求，易實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)。但同時(shí)也增大了服務(wù)器的流量，使得服務(wù)器超負(fù)荷工作，并浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)帶寬。組播地址 [14]：每個(gè)組播地址可以用來(lái)標(biāo)識(shí)多個(gè)接口。組播是指一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)同時(shí)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。組播中的主機(jī)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(wú)論有多少個(gè)數(shù)據(jù)包的接收者，整個(gè)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(zhǎng)，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(lái)標(biāo)識(shí)多個(gè)接口的，其地址分配給不同節(jié)點(diǎn)的多個(gè)接口，因此發(fā)往任意播地址的數(shù)據(jù)包，最終會(huì)發(fā)到有該地址標(biāo)識(shí)，經(jīng)路由協(xié)議測(cè)得最近的接口。任意播機(jī)制使得源節(jié)點(diǎn)不需要了解服務(wù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)情況，就能接收最優(yōu)服務(wù)。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(yīng)用在網(wǎng)絡(luò) 層，還可以在應(yīng)用層實(shí)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(bào)頭 圖 22 IPv6 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu) IPv6 的數(shù)據(jù)包由一個(gè) IPv6 基本報(bào)頭、多個(gè) IPv6 擴(kuò)展報(bào)頭及一個(gè)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(bào)頭結(jié)構(gòu) 與 IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)頭的 14 個(gè)域相比， IPv6 的報(bào)頭更加簡(jiǎn)單，只有 8 個(gè)域。 IPv6基本報(bào)頭固定為 40 字節(jié)。 IPv6 報(bào)頭結(jié)構(gòu)如圖 23 所示 [1][16]。 IPv6 擴(kuò)展報(bào)頭 IPv6 數(shù)據(jù)包中包含著零個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)度不同的擴(kuò)展報(bào)頭。這種報(bào)頭編輯的方式提高了數(shù)據(jù)報(bào)的處理能力。因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)包只需要簡(jiǎn)單處理，用基本報(bào)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(kuò)展報(bào)頭中即可。這樣不僅提高了處理效率，還增強(qiáng)了擴(kuò)展性。 IPv6 的擴(kuò)展報(bào)頭可分為以下類型。 逐跳選項(xiàng)報(bào)頭：包括了數(shù)據(jù)報(bào)傳遞路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要檢查和處理的信息。路由報(bào)頭：若指定 IPv6 數(shù)據(jù)包從源地址到目的地址的發(fā)送過(guò)程中須經(jīng)過(guò)若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)的地址列表放在路由報(bào)頭中。分段報(bào)頭：該報(bào)頭用于對(duì) IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)的拆分和重組。認(rèn)證報(bào)頭：用來(lái)保證數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸中的完整性，同IPv6 協(xié)議 7 時(shí)要保證數(shù)據(jù)來(lái)自源地址標(biāo)記的接口。封裝安全載荷報(bào)頭：提供數(shù)據(jù)加密，實(shí)現(xiàn)端到端加密，并提供無(wú)連接的完整性服務(wù)與抗重發(fā)服務(wù)，還可限制通信流機(jī)密性。目的選項(xiàng)報(bào)頭：報(bào)頭中存放需由目的節(jié)點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)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(bào)頭及其有效載荷構(gòu)成。其中，有效載荷可以由某一 CMPv6 報(bào)文或者 TCP 數(shù)據(jù)段或 UDP 報(bào)文構(gòu)成。與 IPv4 報(bào)文相比， IPv6 報(bào)文有很大變化，相應(yīng)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(yàn)和：在 IPv6 中， TCP 和 UDP 必須改進(jìn)，從而可使校驗(yàn)和的計(jì)算里包括 IPv6 的內(nèi)容。在 IPv4 中 UDP 校驗(yàn)和是選擇項(xiàng)，在 IPv6 中是必選項(xiàng)，而且ICMPv6 在校驗(yàn)和計(jì)算中加入了偽報(bào)頭。最大的報(bào)文生存時(shí)間： IPv6 報(bào)文中沒(méi)有“生存時(shí)間”字段，因此 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)層不再記錄報(bào)文存在于網(wǎng)上的時(shí)間。最大的上層協(xié)議載荷大?。杭醋畲髷?shù)據(jù)段的長(zhǎng)度。對(duì)攜帶路由頭數(shù)據(jù)報(bào)文的響應(yīng)：考慮到安全性，規(guī)定當(dāng)回應(yīng)帶路由報(bào)頭的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，上層協(xié)議所發(fā)的回應(yīng)報(bào)文不允許攜帶與之相應(yīng)的路由頭，除非接收到的報(bào)文的源地址和路由頭的完 整性與真實(shí)性可以確認(rèn)。 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(diǎn)報(bào)告關(guān)于數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸中的錯(cuò)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(bào)文超長(zhǎng)、目的不可到達(dá)、超時(shí)以及回送請(qǐng)求和應(yīng)答等。 ICMPv6 除了提供 IPv4 協(xié)議下的常用功能外，還定義了如無(wú)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(gè)很重要的協(xié)議，是理解 IPv6 相關(guān)機(jī)制的基礎(chǔ)。 ICMPv6 消息可分為兩種：差錯(cuò)消息和信息消息。 ICMPv6 報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 圖 25 ICMPv6 報(bào)文格式 差錯(cuò)消息 差錯(cuò)消息報(bào)文結(jié)構(gòu)的類型字段最高位為 0，主要用來(lái)報(bào)告在其報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中所出現(xiàn)的錯(cuò)誤。常見(jiàn)的消息有：目標(biāo)不可達(dá)、超時(shí)、數(shù)據(jù)報(bào)文超長(zhǎng)以及參數(shù)IPv6 協(xié)議 8 問(wèn)題。 目標(biāo)不可達(dá)：當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文無(wú)法到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或者是上層協(xié)議時(shí)，由路由器或者是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出目標(biāo)不可到達(dá)的差錯(cuò)消息，消息結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。如果是因?yàn)榻涌阪溌?MTU 小于 IPv6 報(bào)文的長(zhǎng)度而導(dǎo)致的報(bào)文無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)，路由器就會(huì)發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào) 文超長(zhǎng)的信息，該消息的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。當(dāng)路由器收到跳限制字段的值為 1 的報(bào)文時(shí)，會(huì)丟掉該數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)向源發(fā)送超時(shí)消息，超時(shí)消息的結(jié)構(gòu)如圖 28 所示。當(dāng) IPv6 報(bào)頭或擴(kuò)展報(bào)頭出錯(cuò)，使節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)丟棄此數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)向源發(fā)送關(guān)于參數(shù)問(wèn)題的消息，同時(shí)指出問(wèn)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(biāo)不可達(dá)消息結(jié)構(gòu) 圖 27 數(shù)據(jù)報(bào)文超長(zhǎng)消息結(jié)構(gòu) 圖 28 超時(shí)消息結(jié)構(gòu) IPv6 協(xié)議 9 圖 29 參數(shù)問(wèn)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(qǐng)求消息和回送應(yīng)答消息。這兩種消息提供了一種診斷工具，來(lái)協(xié)助發(fā)現(xiàn)并處理遇到的各種可到達(dá)性問(wèn)題。 回送請(qǐng)求：主要用來(lái)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，以使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)立刻發(fā)回回送應(yīng)答消息。由發(fā)送方主機(jī)來(lái)設(shè)置標(biāo)識(shí)符及序列號(hào)字段，主要用來(lái)檢查回送應(yīng)答消息和回送請(qǐng)求消息匹配與否。回送應(yīng)答：每收到一個(gè)回送請(qǐng)求消息， ICMPv6 都會(huì)用回送應(yīng)答消息響應(yīng)，其中標(biāo)識(shí)符以及序列號(hào)的值要與回送請(qǐng)求消息中相應(yīng)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(duì)這些協(xié)議做了改進(jìn)。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議還提供前綴發(fā)現(xiàn)、地址自動(dòng)配置、鄰居不可達(dá)檢測(cè)以及重復(fù)地址檢測(cè)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(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置和路由器重定向。 地址解析是確定目的節(jié)點(diǎn)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(shí)還啟用了 NUD（鄰居不可達(dá)檢測(cè)）維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)間的可到達(dá)性狀態(tài)信息。地址解析在數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中有很重要的作用 。當(dāng)一節(jié)點(diǎn)想得到同一鏈路上的另一節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)的地址解析。在 IPv4 中可用 ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)該功能， IPv6 中就用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)該功能，并且功能有增強(qiáng)。在無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置中，主機(jī)通過(guò)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(biāo)識(shí)符生成一個(gè)全球的單播地址。無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置有三種機(jī)制：路由器發(fā)現(xiàn)、重復(fù)地址檢測(cè)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(bào)文，該報(bào)文用來(lái)通知鏈路上的各個(gè)報(bào)文發(fā)送節(jié)點(diǎn)，在目前的鏈路上有一個(gè)更好的路由器可用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文。接收到此消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由器提 供的消息，修改本地路由表項(xiàng)。重定向報(bào)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(jī)，而且只能是始發(fā)節(jié)點(diǎn)處理。重定向報(bào)文的格式如圖 212 所示。 IPv6 協(xié)議 10 圖 212 重定向報(bào)文格式 IPv6 的路由協(xié)議 在網(wǎng)絡(luò)中要進(jìn)行路由的選擇需要使用路由器，路由器根據(jù)收到報(bào)文的目的地址來(lái)選擇合適的路由將報(bào)文