【正文】 目 IPv6 路由技術(shù)分析及其與 IPv4的互連探討 系 院 計(jì)算機(jī)工程系 學(xué)科門類 工學(xué) 專 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào) 1025829006 姓 名 王鑫 指導(dǎo)教師 馬志欣 教師職稱 副教授 2021 年 3 月 28 日 畢業(yè)論文 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果或作品。 作者簽名： 年 月 日 畢業(yè)論文 版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文作者完全了解學(xué)院有關(guān)保存、使用畢業(yè)論文的規(guī)定，同意學(xué)院保留并向有關(guān)畢業(yè)論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電 子版，允許論文被查閱和借閱。 聲明人簽名： 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 年 月 日 昌吉學(xué)院 2021屆本科 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） I 摘 要 Inter 經(jīng)歷了幾十年的高速發(fā)展，已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的 一部分。但是由于自身的限制，己經(jīng)逐漸暴露了許多問題和缺點(diǎn)， 其中最突出的是 IP 地址空間將被耗盡和主干路由表不斷增長(zhǎng)的問題。 作為下一代的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的 IPV6，對(duì)比 IPV4 有如下的特點(diǎn)：簡(jiǎn)化的報(bào)頭和靈活的擴(kuò)展；足夠大的地址范圍和層次化的地址結(jié)構(gòu)；即插即用的連網(wǎng)方式；網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證與加密；服務(wù)質(zhì)量的滿足；對(duì)移動(dòng)通訊更好的支持。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)從 IPv4 過渡到 IPv6 需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，兩種網(wǎng)絡(luò)將在今后長(zhǎng)期共存。 本論文將介紹 IPv4 的缺點(diǎn)，以及 IPv6 的諸多優(yōu)點(diǎn)，分析幾種常見通信 技術(shù)：雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)、 NATPT協(xié)議轉(zhuǎn)換。 關(guān)鍵詞： IPv4； IPv6；互連 ； 隧道技術(shù) 注：奇數(shù)頁(yè)頁(yè)眉，居中，宋體，五號(hào)，統(tǒng)招本科生填寫內(nèi)容為“昌吉學(xué)院 XXXX 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）”。 Ipv6路由技術(shù)分析及其與 Ipv4的互連探討 II Analysis of IPv6 routing technology and its interconnection with the IPv4 Abstract Inter has experienced several decades of rapid development, has bee an indispensable part of life. As a cornerstone of the entire work of IPv4 has been very mature. However, due to its own limitations, has been gradually exposed the many problems and shortings. One of the most prominent is the address space of IP will be exhausted and the main routing table growing problem therefore, IETF IPv6wasdesignedto replace IPv4. As the next generation Inter Protocol IPV6, pared to IPV4has the following characteristics: simplified header and extension。 Plug and Play inter working。 support on service quality。 Interconnection。 Inter 的迅猛發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模急劇膨脹，信息量直線上升，新應(yīng)用層出不窮，原有的己發(fā)展 20多年的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議版本 4—— IPv4 協(xié)議由于其先天的缺陷（地址空間不足、路由選擇效率不高、安全性差、服務(wù)質(zhì)量不高以及缺乏對(duì)移動(dòng)的有效支持等），己經(jīng)不能從根本上適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。 IPv6 的到來，首先可以立竿見影的緩解 IPv4地址枯竭帶來的尷尬，其次在靈活性，有效性，功能 優(yōu)化等方面，也大大優(yōu)于過去的 IPv4協(xié)議。 論文課題研究的目的與意義 我們?yōu)槭裁葱枰?IPv6？這個(gè)問題可以用一個(gè)比較形象的比喻來解釋： 傳統(tǒng)的馬車 傳遞與廣袤天空中的航空郵寄，孰優(yōu)孰劣，眾人皆知。 表 11 Ipv6路由技術(shù) 分析及其與 Ipv4的互連探討 2 2021 年 4 月，亞太互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心 (APNIC)宣布，亞太地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第四版 (IPv4)地址資源僅剩下最后一組。 IPv6 技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 美國(guó)之前擁有著全球 74%的 IP 地址資源，所以對(duì) IPv6 的態(tài)度一直略顯得不關(guān)心。這也體現(xiàn)出了 IPv6 的重要性。歐洲各國(guó)雖沒有像亞太地區(qū)一樣緊缺 IP 地址，但在 IPV6 的發(fā)展上不想落后于日本這樣的國(guó)家，并且想通過 IPV6挽回同美國(guó)之間的差距。 在亞太地區(qū)， IP地址的資源相對(duì)比較緊張，所以大多數(shù)國(guó)家起步較早，并且走在了世界前列。其他的經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)新的技術(shù)也很 有興趣。 中國(guó)是當(dāng)前全球最急需 IP地址的國(guó)家之一，因此在 IPv6 標(biāo)準(zhǔn)制訂以及產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的進(jìn)程中都顯得非常積極。過去的幾年我們國(guó)家的 IPv6 產(chǎn)業(yè)界各方做了圍繞著系統(tǒng)和設(shè)備研制網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)站升級(jí)改造等重要環(huán)節(jié)做了大量的工作，目前已有超過 1800 余款設(shè)備和系統(tǒng)通過了全球 IPv6論壇，IPv6 Ready 測(cè)試認(rèn)證，基本涵蓋了原有 IPv4 產(chǎn)品的類型， IPv4 和 IPv6 網(wǎng)絡(luò)互通產(chǎn)品領(lǐng)域也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)不斷需求，在網(wǎng)絡(luò)改造方面，中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通三家基礎(chǔ)電信企業(yè)累計(jì)開展了 146 個(gè)城域網(wǎng)的 IPv6 改造，累計(jì)完成了 126 個(gè)數(shù)據(jù)中心的升級(jí)改造工作，在互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)改造方面，我部聯(lián)合發(fā)改委通過國(guó)家專項(xiàng)資金支持了騰訊、百度、阿里巴巴、新浪等商業(yè)網(wǎng)站，及藍(lán)訊、世界互連等 CDN和服務(wù)平臺(tái)的 IPv6改造工作，網(wǎng)站應(yīng)用改造工作也取得了積極進(jìn)展。并且經(jīng)過幾年的努力解決了從 .CN域名解析到新預(yù)級(jí)域名（ New gTLD）解析的域名體系支持 IPv6 技術(shù)步署。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方面，LTE 給 IPv6 應(yīng)用提供了完善接口。 Ipv6路由技術(shù) 分析及其與 Ipv4的互連探討 4 2 IPv6 協(xié)議 技術(shù) IPv6 協(xié)議基礎(chǔ) IPv6 是 Inter Protocol Version 6的縮寫，其中 Inter Protocol譯為“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議”。目前 IP協(xié)議的版本號(hào)是 4（簡(jiǎn)稱為 IPv4），它的下一個(gè)版本就是IPv6。 主機(jī)：只 能接受數(shù)據(jù)信息，而不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息的節(jié)點(diǎn)。 子網(wǎng)：使用相同的 64 位 IPv6 地址前綴的一個(gè)或多個(gè)鏈路。 路由器：路由器是一種連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 鄰節(jié)點(diǎn)：連接到同一鏈路上的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)?IPv6 的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制具有解析鄰節(jié)點(diǎn)鏈路層地址的功能，并可以檢測(cè)和見識(shí)靈節(jié)點(diǎn)是否可以 到達(dá)。主要包括 Inter層協(xié)議和傳輸層協(xié)議，但不包括應(yīng)用層協(xié)議。由于組織的存在，昌吉學(xué)院 2021屆本科 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì) ） 5 IP 地址不是一個(gè)接一個(gè)的分配的，而且由于缺乏經(jīng)驗(yàn)的地址分類的做法，造成了大量的地址浪費(fèi)。 A 類網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目并不多，因此問題的焦點(diǎn)就集中在 B 類和 C 類網(wǎng)絡(luò)地址上， A 類的網(wǎng)絡(luò)太大，而 C 類的網(wǎng)絡(luò)太小，因?yàn)楹髞淼膸缀跛械纳暾?qǐng)者都愿意申請(qǐng)一個(gè) B 類網(wǎng)絡(luò)，一個(gè) B 類網(wǎng)絡(luò)可以擁有65534 個(gè)主機(jī)地址，而往往實(shí)際上根本用不了這么多的地址，由于這樣的低效率的分配方法，導(dǎo)致了 B類地址消耗得特別快。 ② 對(duì)現(xiàn)有路由技術(shù)的支持不夠 由于歷史的原因，今天的 IP 地址空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都只有兩層或者三層，這在路由選擇上來看是非常糟糕的。 當(dāng)前， Inter 發(fā)展的瓶頸己經(jīng)不再是物理線路的速率， ATM 技術(shù)，百兆 /千兆以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)使得物理線路的表現(xiàn)有了顯著的改善，現(xiàn)在路由器的處理速度成為阻礙 Inter 發(fā)展的主要因素。 首先， IPv4 的分組報(bào)頭的長(zhǎng)度是不固定的，這樣不利于在路由器中直接利用硬件來實(shí)現(xiàn)分組中 路由信息的提取、分析和選擇。 再次，由于 IPv4 設(shè)計(jì)時(shí)未能完全遵循端到端通信的原則，加上當(dāng)時(shí)物理線路的誤碼率比較高，使得路由器還要具備以下兩個(gè)功能 : a)根據(jù)線路的 MTU 來分段和重組過大的 IP 分組 b)逐段進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn) 這樣同樣會(huì)造成路由器處理速度降低。在這些業(yè)務(wù)中包括對(duì)時(shí)間和帶寬要求很高的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)如語(yǔ)音、圖像等，包括對(duì)安全性要求很高的電子商務(wù)業(yè)以及發(fā)展越來越迅猛的移動(dòng) IP 業(yè)務(wù)Ipv6路由技術(shù) 分析及其與 Ipv4的互連探討 6 等。但是， IPv4 的設(shè)計(jì)時(shí)沒有引入 QOS 這樣的概念，在設(shè)計(jì)上的不足使得它很難相應(yīng)地提供豐富的、靈活的 QOS 選項(xiàng)。最終 IPv6 應(yīng)運(yùn) 而生。 ② 層次化的地址結(jié)構(gòu)，提高路由效率 IPv6 的地址空間采用了層次化的地址結(jié)構(gòu)，利于路由快速查找，同時(shí)借助路由聚合，可減少 IPv6 路由表的大小，提高路由設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)效率。對(duì)于有狀態(tài)地址配置，主機(jī)通過服務(wù)器獲取地址信息和配置信息。如果鏈路上沒有路由設(shè)備，主機(jī)只能自動(dòng)配置鏈路本地地址，實(shí)現(xiàn)與本地節(jié)點(diǎn)的互通。另外， IPv6 為了更好支持各種選項(xiàng)處理，提出了擴(kuò)展頭的概念，新增選項(xiàng)時(shí)不必修改現(xiàn)有結(jié)構(gòu)就能做到，理論上可以無(wú)限擴(kuò)展，體現(xiàn)了優(yōu)異的靈活性。 IPv6 中支持為 I P 定義的安全目標(biāo)：保密性（只有預(yù)期接收者能讀數(shù)據(jù)）、完整性（數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有被篡改）、驗(yàn)證性（發(fā) 送數(shù)據(jù)的實(shí)體和所宣稱的實(shí)體完全一致）。和移動(dòng) IPv4 相比，移動(dòng) IPv6 使用鄰居發(fā)現(xiàn)功能可直接實(shí)現(xiàn)外地網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)并得到轉(zhuǎn)交地址，而不必使用外地代理。 ⑦ 新增流控標(biāo)簽，更利于 QoS IPv6 報(bào)文頭中新增了流標(biāo)簽域（ Flow Label 字段），源節(jié)點(diǎn)可以使用這個(gè)域 標(biāo)識(shí)特定的數(shù)據(jù)流。 IPv6 的報(bào)頭結(jié)構(gòu) 圖 21為 IPv6 與 IPv4 報(bào)文頭部對(duì)比 。 這樣的設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ) IPv6 較長(zhǎng)地址所占用的帶寬。該區(qū)段標(biāo)明了報(bào)頭的基本格式、該字段的數(shù)值為 6. Ipv6路由技術(shù) 分析及其與 Ipv4的互連探討 8 傳輸類別 (Traffic Class)：長(zhǎng)度為 8 位。用于區(qū)分報(bào)頭的優(yōu)先級(jí)級(jí)別。是一個(gè)特定的數(shù)據(jù)包序列。是 IPv6 新增的字段。它是指緊跟 IPV6 報(bào)頭的數(shù)據(jù)包的其他部分。 下一跳包頭 (Next Header)：長(zhǎng)度為 8 位。 跳數(shù)限制 （ Hop Limit） ：這一字段的設(shè)置是為了防止環(huán)路的產(chǎn)生。 信息源地址 （ Source Address） ：標(biāo)明發(fā)送方的地址。 目的地址 （ Destination Address） ：標(biāo)明接收方的地址。 IPv6 使用了固定和簡(jiǎn)化的報(bào)頭格式，報(bào)頭中只保留了最重要的功能，而對(duì)于一些非關(guān)鍵性的功能則放在了擴(kuò)展報(bào)頭中實(shí)現(xiàn)，使設(shè)計(jì)更加透明?？偟膩碚f， IPv6 的報(bào)文頭相對(duì)于 IPv4 更加簡(jiǎn)潔，靈活，效率更高，易于擴(kuò)展。 （ 1） 單播（ unicast）地址 IPv6 單播地址標(biāo)識(shí)了一個(gè)接口，由于每個(gè)接口屬于一個(gè) 節(jié)點(diǎn)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的任何接口上的單播地址都可以標(biāo)識(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)接口上至少要有一個(gè)鏈路本地單播地址，另外還可分配任何類型（單播、泛播和多播）或范圍的 IPv6 地址。 IPv6 單播地址和 IPv4 單播地址一樣可聚合。目前廣泛使用的是可聚合全球單播地址、站點(diǎn)本地地址和鏈路本地地址。子網(wǎng)前綴由 IANA、 ISP 和各組織分配。 （ 2） 組播 （ multicast）地址 組 播地址也稱 多 播地址。 組 播地址由皆為一的字節(jié)起始，亦即：它們的前置為 FF00::/8。 如圖 8 4 4 112 11111111 標(biāo)志 范圍 組標(biāo)示符 圖 IPv6組播地 址格式 標(biāo)志位 為 0000 表示是永久保留的組播地址，分配給各種技術(shù)使用 。 范圍段定義了組播地址的范圍，其定義如下： 0001 1 本地接口范圍 0010 2 本地鏈路范圍 0011 3 本地子網(wǎng)范圍 0100 4 本地管理范圍 0101 5 本地站點(diǎn)范圍 類似組播的私網(wǎng)地址 1000 8 組織機(jī)構(gòu)范圍 1110 E 全球范圍 類似組播的公網(wǎng)地址 下面是一些組播指定地址： FF02::1 all nodes 在本地鏈路范圍的所有節(jié)點(diǎn)，包括路由器，電腦，只要運(yùn)行IP