ipv4向ipv6过渡技术的研究与方案设计

ipv4向ipv6过渡技术的研究与方案设计内容摘要：

报头 选路头代替了 IPv4 中所实现的源选路。 源选路允许用户指定包的路径，即到达目的地沿途必须经过的路由器。 在 IPv4 源选路中，使用 IPv4 选项对用户可以指定的中间路由器的个数有一定限制：带扩展的 IPv4 头有 40 个附加字节，最多只能填入 10 个 32 位地址。 此外，由于路径上的每个路由器都必须处理整个地址列表，而不论该路由器是否在列表中，因而对源路由包的处理很慢。 IPv6 定义了一个通用的选路扩展头，有两个字段，各占 1 字节：选路类型字段和剩余段数字段。 其中选路类型字段表示所使用的选路头的类型；而剩余段数字段表 示扩展头的其余部分所列出的附加路由器的个数，这些路由器是在到达最终目的地的途中包必须经过的。 扩展头的其余部分为类型特定的数据，与选路头类型相关。 RFC1883 中定义了一种类型，即类型 0 选路头。 类型 0 选路扩展头解决了 IPv4 源选路的主要问题。 只有列表中的路由器才处理选路头，其他路由器则不必处理。 而且列表中最多可以指定 256 个路由器。 对选路头的操作过程如下： ① 由源节点构造包必须经过的路由器的列表，并构造类型 0 选路头，头中包括路由器的列表、最终目的节点地址和剩余段数，剩余段数（ 8 位 整数）指明在包向目的节点交付之前所必须经过的特定路由器的数目。 ② 源节点发送包时，将 IPv6 头目的地址设置为选路头列表中的第一个路由器的地址。 ③ 该包一直转发，直到到达路径中的第一站，即 IPv6 头的目的地址（选路头列表中的第一个路由器），只有该路由器才检查选路头，沿途的中间路由器都忽略选路头。 ④ 在第一站和所有后续其他站，路由器检查选路头以确保剩余段数与地址列表一致。 若剩余段数的值等于 0，则表示此路由器节点实际上是该包 的最终目的地，节点将继续对包的其他部分进行处理。 ⑤ 假定此节点不是该包的最终目的地，它将自己的地址从 IPv6 的目的地址字段取出，并以选路头列表中的下一个节点地址来替代。 同时，节点将剩余段数字段的值减 1。 然后将包发送往下一站。 列表中的其他节点重复此过程，直到包到达最终目的地。 9 3 分段头 IPv6 只允许源节点对包进行分段，简化了中间节点对包的处理。 而在 IPv4 中，对于超出本地链路允许长度的包，中间节点可以进行分段。 这种处理方式要求路由器必须完成额外的工作，并且在传输过程中包可能 被多次分段。 IPv4 中的分段很令人烦恼，它使得中间节点和目的节点都必须增加处理分段的必要开销。 通过使用路径 MTU 发现机制，源节点可以确定源节点到目的节点之间的整个链路中能够传送的最大包长度，从而可以避免中间路由器的分段处理。 RFC1883 规定最小的 MTU 为 576 字节，但在将用来代替 RFC1883 的文档草案中，最小的 MTU 要求已增加到 1280 字节，并建议将链路配置为应该至少可以传送 1500 字节长的包。 上述规定表明，源节点可以发送长达 1280 字节的包，而不必顾虑这些包会被分段。 长达 1500 字节的包也很可能不被分 段。 但是， IPv6规范建议所有节点都执行路径 MTU 发现机制，并只允许由源节点分段。 换言之，在发送任意长度的包之前，必须检查由源节点到目的节点的路径，计算同可以无需分段而发送的最大长度的包。 如果要发送超出此长度的包，就必须由源节点进行分段。 在 IPv6 中，分段只发生在源节点，并使用分段头来表示。 RFC1883 中规定的帧格式如图所示。 下一个头 保留 分段偏移值 保留 M 标识 图 3— 4 分段报头 分段头字段包括： 下一个头字段：此 8 位字段对所有的 IPv6 头是共同的。 保留：此 8 位字段目前未用，设置为 0。 分段偏移值字段：与 IPv4 的分段偏移值字段很相似。 此字段共 13 位，以 8 字节为单位，表示此包（分段）中数据的第一个字节与原来整个包中可分段部分的数据的第一个字节之间的位置关系。 换言之，若该值为 175，表示分段中的数据从原包的第 1400 字节开始。 保留字段：此 2 位字段目前未用，设置为 0。 M 标志：此位表示是否还有后续字段。 若值为 1，表示后面还有后续字段；若值为 0则表示这是最后一个分段。 标识字段：该字段与 IPv4 的标识字段类似，但是为 32 位，而在 IPv4 中为 16 位。 源节点为每个被分段的 IPv6 包都分配一个 32 位 标识符，用来唯一标识最近（在包的生存期内）从源地址发送到目的地址的包。 10 3 IPv4向 IPv6 的过渡技术 如何完成从 IPv4 到 IPv6 的转换 ,是 IPv6 发展需要解决的第一个问题 .过渡是指某一事物从一种状态逐步演化为另一状态，或者逐步转变为另一事物。 过渡的特征有两个：过渡需要一个过程，需要一定的时间；在过渡过程中，事物发生了质的变化，逐渐不同于原来的事物，过渡完成以后，演变成为新的事物。 过渡要求 IPv6 不可能立刻替代 IPv4，因此在相当一段时间内 IPv4 和 IPv6 会共存一个环境中。 要提供平稳的转换 过程，使得对现在的使用者影响最小，就需要有良好的转换机制。 IPv6 是下一代 Inter 核心协议。 但是，一种新的协议从诞生到广泛应用需要一个过程，尤其是对于 IPv4 仍然很好地支撑着的 Inter 而言。 在 IPv6 的网络浒于全球之前，总是有一些网络首先使用 IPv6 协议栈并希望能够与当前的 Inter 正常通信。 为达到这一目的，研究者们必须开发出 IPV4/IPV6 互通技术以保证 IPV4 能够平稳过渡到 IPV6，除此以外，互通技术应该对普通用户做到“无缝”，对信息传递做到高效。 IETF 专门组建 NGTRANS 工作小组，现在为 V6OPS，开展对于 IPV4/IPV6 过渡问题和高效无缝互连问题的研究， IETF 还在全球范围内成立 IPV6 网络试验床 6Bone,专门对 IPV6 的特性进行研究。 实现从 IPV4 平稳的向 IPV6 过渡是 IETF ngtrans 工作小组主要目标，近年来他们已提出了许多两种协议的转换机制。 IETF 推荐的转换机制有又栈协议、隧道技术、翻译技术和 NAT 等，这些技术各有特点，可用于解决不同过渡时期、不同环境的通信问题，其中一部分转换技术已在 6Bone 上得到了应用。 IPV4 网络向 IPV6 网络的过渡可以分 为 4 个阶段，如图所示 , 11 I P V 6 岛纯 I P V 4 网 络I P V 4 海 洋 I P V 4 岛I P V 6 海 洋纯 I P V 6 网 络I P V 6 实 验 网 络第 1 阶 段 第 2 阶 段 第 3 阶 段 第 4 阶 段I P V 6 / I P V 4 转 换在过渡的初期 ,Inter 将由运行 IPv4 的“海洋”和运行 IPv6 的“孤岛”组成。 随着时间的推移， IPv4 的海洋将会逐渐变小，而 IPv6 的小岛将会越来越多，逐步连接成 IPv6 的海洋，最终实现 IPv6 完全取代 IPv4。 过渡初期要解决的主要问题有两个：第一个是解决这些 IPv6 的小岛之间互相通信的问题；第二个是解决 IPv6 的小岛与 IPv4 的海洋之间通信的问题。 过渡时期面临的问题 IPv4 向 IPv6 过渡时期 的特点 处于过渡期的 IPv6 技术最大的特点是不断的升级，在技术层面上引领 IPv4 网络向IPv6 网络迁徙。 IPv4 发展了几十年 ,在路由协议、 Qos、多播、报文头扩展、状态机备份、安全等方面还在不断地完善中，以适应网络功能的转型和信息社会发展对多媒体信息传输的需求。 IPv6 在标准建设、协议栈开发方面正在起步，还有巨大的工作要完成。 在相当长的一段时间内， IPv6 将会面临不断升级完善的局面。 为了兼容现有的 IPv4 技术，尽快地获取生存空间，支持 IPV6 的网络设备更多的在要双栈环境下运行，“兼容性”大于“先进性”，在确 保兼容性的前提下，怎样使 IPv6 技术在网络应用支持方面，能够做到比 IPv4 更具优势是过渡期 IPv6 开发的重点。 [2] 软件升级支持 针对处在过渡期的 IPv6 技术会不断升级的特点， NP 等可编程硬件显然具备更强的优势。 NP 对于硬件的技术优势主要在于方便优化、升级，从而很容易增加新特性。 由于 12 IPv6 网络处于新生时期，协议、特性的更新是频繁的，这就要求 IPv6 设备能较快的更新换代。 从另一个角度， IPv6 设计的一个宗旨是方便用户应用层的扩展，因此 NP 可以根据用户需求设计出衫的私有特性。 而 ASIC 目前能够做 的只能是 IPv6 已经固化的转发功能，无法做到支持扩展方面的功能，只能依靠设备中的 CPU 解决。 这样的后果是让整修设备的转发速率下降到一个无法接受的水平（几百 kbit/s） ,并且会威胁到设备的稳定性。 因此，从这个角度来说，选择可编程的硬件平台设备可以更好地保护用户的投资。 路由表容量的问题 IPv6 采用 128 地地址，路由表占用空间在容量不变时要增大到原来的 4 倍，而 ASIC中的硬件转发的路由表存储在 ASIC 专用的地址空间中，硬件 地址表空间很有限， ASIC平台在 IPv6 的环境中，如果保持 IPv4 一样的 地址表空间将会大大提高成本，因此硬件在设计上需要尽量节省私有空间大小而提高路由表容量。 在实际的应用环境中，过渡期设备往往运行在双栈环境下，同时面临 IPv6 和 IPv4 的路由表需求，因此对地址空间的要求将大于目前的纯 IPv4 环境。 对扩展首部的支持 IPv6 的扩展首部 (头 )的功能远远强于 IPv4 的 IP 选项字段 ,对于扩展首部的处理也更加丰富 .其中所有转发节点都要处理路由扩展头、逐跳选项头和地址头。 逐跳选项与地址选项目的是支持特殊应用（如安全、管理）而预留的，中间节点需要根据某种策略来处理。 目前 RFC2460 并未定义成熟而有意义的选项，其潜力尚未发挥。 报文转发效率 IPv6 的一个设计思想是减轻转发的负担，采用 以下几个思路和技术措施： 1） 基本报文头长度固定，没有多余的头部长度字段。 2） 转发节点并不计算校验和。 3） 中间节点不得分段。 相对于其他硬件平台来说， ASIC 平台在“硬件”转发技术上具有优势，也就是说直接通过 ASIC 硬件查表实现数据的快速转发。 在转发性能、转发延迟方面，在 IPv4 的环境中ASIC 平台相对其他平台有几乎大于 1 个甚至更多数量级的优势，然而随着 IPv6 的这些 13 特点的产生，其他硬件 平台在 IPV 报文头上的开销将大大减小，导致其他平台和 ASIC平台之间的差距在缩小。 服务质量的实施 作为从 IPv4 基础上发展起来的 IPv6 技术，并没有改变 IP 技术尽力交付、提供无连接这一最本质的特点，因此 IPv4 所面临的所有 Qos 问题，在 IPv6 中同样存在。 IPv6 在IP BASE（基本）和 EXTENSION（扩展）首部中饮食了少量特写于 Qos 的服务元素，包括流量类别（ Traffic Class）和相应的流标签（ Flow Label）。 由于报文头的简化， Qos 处理和实施的效率会有所提高。 但也应该看到 ，随着 IP 网络规模的增大 和应用业务的日益复杂， IP 网络已经日益成为一个“补丁”网络。 至今为止在 IPv4 网络中的 Qos 技术和标准还在不断产生，而 IPv6 的 Qos 问题还根本没有被广泛提及，队列机制、调试机制等标准的制定工作还处于初级阶段。 这些机制将牵涉到队列的缓冲区设计、时延处理策略等，通过 ASIC 可以将这些处理机制都固化在芯片中，但是现有的环境下，用 ASIC 实现将来的 IPv6 的 Qos 策略显然不现实，采用 编程硬件将是有效实现将来的 Qos 策略的唯一选择。 IPv4 向 IPv6 的过渡技术 确保 IPv6 和 IPv4 的共存所使用的技术主要分成 双栈技术、隧道技术和协议转换技术 3 类。 双协议栈技术 （ Dual Stack） 这类技术可以让 IPv4 技术和 IPv6 技术共存于同一设备和网络中。 技术文档是FRC2893。 采用该技术的节点上同时运行 IPv4 和 IPv6 两套协议栈。 这是使 IPv6 节点保持与纯 IPv4 节点兼容最直接的方式，针对的对象是通信端节点（包括主机、路由器）。 这种方式对 IPv4 和 IPv6 提供了完全的兼容，但是对于 IP 地址耗尽的问题却没有任何帮助。 由于需要双路由基础设施，这种方式反面增加了网络的复杂程度。 1 双栈技术的工作原理 IPv6/IPv4 双协议栈技术是使 IPv6 的网络节点具有一个 IPv4 栈和一个 IPv6 栈，同时支持 IPv4 和 IPv6。 IPv6 和 IPv4 是功能相近的网络层协议，两者都应用于相同的数据 14 链路层和物理层协议平台，并承载相同的运输层协议书 TCP 或 UDP，如果一台主机同时支持 IPv6 和 IPv4，那么该主机就可以和仅支持 IPv4 或 IPv6 的主机通信， IPv6/IPv4 双协议栈的协议书结构如图 应用层协议 TCP/UDP IPv6 IPv4 链路层及物理协议（ IP 层以下部分） 双栈节点和 IPv6 节点进行通信的时候，就像一个纯 IPv6 节点，而当它和 IPv4 节点通信的时候，又像一个纯 IPv4 节点。 这类节点实现中可能有。