IPv4到IPv6过渡策略研究

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1、广播与电视技术2005 年第 4 期 4 5事业发展与新技术IPv4 到 IPv6 过渡策略研究 前沿技术随着互联网用户数量的不断增长及对互联网应用要求的不断提高， IPv4 的不足逐渐暴露出来， 其中最尖锐的问题是IPv4 地址资源的逐渐枯竭及路由器中路由表过于庞大。 为解决这些问题， IPv6 互联网协议应运而生。 而目前面临的问题是如何从 IPv4 平滑过渡到 IPv6 。 本文重点研究 IPv4 到 IPv6 的过渡策略和策略选择问题。1 IPv4 的局限性网际协议 （ IP ） 是 Internet 中所使用的关键协议之一。 IPv4是在 20 世纪 70 年代末期设计的， 自 19

2、81 年 RFC 791 发布以来， 没有进行过本质上的修改。 IPv4 已经被证明是技术成熟的、 容易实现且具有互操作性的网络协议。 但随着 Internet 规模与应用的扩大， IPv4 的局限性日益突出， 主要表现在以下几方面。1.1 地址资源面临枯竭IPv4 是使用 32 位地址， 通常使用圆点分隔的 4 个十进制数字表示， 可提供的地址数为 4.3 10 9 。 按照目前 Internet发展速度， IPv4 地址预计将在 2005 2010 年被分配完毕。1.2 骨干网路由器中的路由表越来越大IPv4 采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址， 从而导致了路由器数目随着接入网络数目的

3、不断增加而迅速增加， 使得骨干网路由器中的路由表过于庞大， 增加了路由器的工作量， 同时也降低了 Internet 服务的稳定性。1.3 NAT 的使用破坏了端与端的通信为了缓解地址不足， IPv4 采用了网络地址转换 （ NAT ，Network Address Translation) 技术。 它主要是在内部网络与Internet 交接点设置 NAT 和一个由少量合法 IP 地址组成的 IP 地址池。 但 NAT 的采用最大问题是破坏了端与端的直接通信。因为它要对所有去往和来自 Internet 的 IP 数据报进行地址转换， 而转换后的地址信息却无法传递给 IP 数据报。 这将导致某些必

4、须将地址信息嵌在 IP 数据报中的高层通信的失败。2 IPv6 的优势为了解决 IPv4 的局限性， IETF 推出了 IPv6 。 IPv6 协议中对现代网络各种需求都做了有针对性的设计， 其中包括 ： 简化了 IP 包头格式、 支持主机地址自动配置、 提供 IP 报文的认证和加密及具有较强的移动支持能力等诸多方面。 与 IPv4 相比， IPv6 有以下几点优势。2.1 提供更大的地址空间IPv6 扩大了地址空间， 采用 128 位地址长度， 使地址空间增大了 2 96 倍， 可提供的地址数为 3.4 10 38 ， 这意味着对于地球的每平方米都将有超过 1000 个 IPv6 地址， 几

5、乎可以不受限制地提供 IP 地址， 从而确保了端到端连接的可能性。2.2 提供更好的服务质量 （ QoS ）IPv6 可以优化数据传输性能， 提高服务质量和网络性能，很好地支持 QoS 。 在 IPv6 报头中定义了两个重要参数 ： 业务级别和流标记。 业务级别的功能是为路由器确认和识别数据报的优先级别， 流标记的功能是为主机申请对数据报进行处理。 业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和 QoS 保障， 极大地改善了 IPv6 的服务质量。2.3 提供更强的网络安全保障IPv6 中包含一套用于保护 IP 通信的 IP 安全协议 （ IPSec ，IP Security ）。 IP

6、Sec 不但实现了数据报来源认证、 数据加密、数据完整性、 抗数据重发攻击等， 而且定义了封装安全载荷协议 （ ESP ）、 验证头协议、 密钥交换协议等。 采用 IPSec 可以为上层协议和应用提供从端到端有效的安全保证， 能提高在路由器水平上的安全性。 IPv6 加强了对数据报的加密和认证，提供数据身份验证， 保护数据的完整性和数据的机密性， 克服了 IPv4 协议在源路由攻击、 IP 地址假冒、 网络窃听、 多次IPv4 到 IPv6 过渡策略研究【提要】 本文从 IPv4 的局限性和 IPv6 的优势入手， 提出了 IP 协议从 IPv4 过渡到 IPv6 将成为历史的必然， 重点研究

7、了 IPv4 到 IPv6 的过渡策略及策略的选择。【关键词】 IPv4 IPv6 过渡策略 桂海进 无锡商业职业技术学院信息工程系Radio & TV Broadcast Engineering APR. 20054 6事业发展与新技术 IPv4 到 IPv6 过渡策略研究前沿技术重发等方面的不足。2.4 主机自动配置 IP 地址， 从而支持即插即用和移动性为了提供网络用户和 ISP 之间的适应性， IPv6 继承了 IPv4 的自动设置主机 IP 地址的功能， 同时又有所改进。 IPv6 采用了无状态自动配置， 无需手动干预就能够改变网络中所有主机的 IP 地址。 这样， 设备接入网络时通

8、过自动配置可自动获取 IP 地址和必要的参数， 实现即插即用， 简化了网络管理， 易于支持移动节点。2.5 简化报头的格式， 提高了网络的整体吞吐量IPv6 的数据报可以远远超过 64K 字节， 应用程序可以利用最大传输单元 （ MTU ）， 获得更快、 更可靠的数据传输。 同时在设计上改进了选路结构， IPv6 对数据报头作了简化， 通过将不重要的字段和可选字段移到位于 IPv6 报头之后的扩展报头来完成， 从而尽量减少在传输过程中由于路由器对报头处理所造成的延误。 这样， 使路由器加快数据报处理速度，提高了转发效率， 从而提高网络的整体吞吐量。2.6 更好地实现了多播功能多播是一种将信息传

9、递给所有已登记了欲接收该信息的主机的功能， 可同时传递数据给大量的用户。 在 IPv6 的多播功能中增加了 2 范围 2 和 2 标志 2 ， 限定了路由范围， 可以区分永久性与临时性地址， 更有利于多播功能的实现。3 IPv4 向 IPv6 过渡的策略由于 IPv4 的局限性及 IPv6 呈现的巨大优势， IPv6 已被认为是下一代互联网络协议核心标准之一。 但是一种新的协议从出现到完全应用需要一个过程， 再加上 IPv6 根本目的是继承和取代 IPv4 ， 这也需要一个过渡过程。 目前 IPv4 向 IPv6 过渡问题主要分成两大类 ： 一是解决 IPv6 与 IPv6 之间互相通信的问题

10、， 二是解决 IPv6 与 IPv4 之间互相通信的问题。 由此涉及了两个方面的技术 ： IPv4 和 IPv6 的共存技术及 IPv4 分组包和 IPv6 分组包相互交换技术。 IPv4 和 IPv6 共存技术目前主要有双协议栈技术和隧道技术。 而 IPv4 分组包和 IPv6 分组包相互交换技术主要通过翻译和网关进行通信， 包括协议转换技术、 Socks64 技术、 传输层中继技术和应用层代理网关。 本文将对前三者技术作些初浅的论述。3.1 双协议栈技术双协议栈技术又称双 IP 协议栈， 是一个系统 （如一个主机或一个路由器） 中同时使用 IPv4 和 IPv6 两个协议栈， 即同时拥有

11、IPv4 地址和 IPv6 地址， 因而可以收发 IPv4 和 IPv6 两种数据报。双协议栈技术实现前提是 IPv4 和 IPv6 是功能相近的网络层协议， 两者都基于相同的物理平台， 同时又承载相同的传输层协议 TCP 或 UDP 。双协议栈技术的工作机理如图 1 所示， 使网络节点具有一个 IPv4 栈和一个 IPv6 栈， 同时支持 IPv4 和 IPv6 协议。 因此， 该节点既能与支持 IPv4 协议的节点通信， 又能与支持 IPv6协议的节点通信。 按照双协议栈技术的工作机理， 如果应用程序使用的目的地址是 IPv4 地址， 系统使用 IPv4 协议 ； 如果应用程序使用的目的地

12、址是 IPv6 中的 IPv4 兼容地址， 系统仍使用 IPv4 协议， 但此时 IPv6 封装于 IPv4 中 ； 如果应用程序使用的目的地址是非 IPv4 兼容的 IPv6 地址， 系统使用 IPv6 协议，且极有可能要采用隧道等机制来进行路由、 传送 ； 如果应用程序使用域名来作为目的地址， 就先要从 DNS 服务器那里得到相应的 IPv4/IPv6 地址， 然后根据地址的情况进行相应的处理。采用双协议栈技术的优点是互通性好， 易于理解。 缺点是每个 IPv6 节点都需要使用一个内嵌 IPv4 地址的 IPv6 地址，由此浪费 IPv4 地址 ； 另外， 由于需要为网络上每个节点分配一个

13、 IPv4 地址和一个 IPv6 地址， 在地址相对充足情况下具有可行性， 但随着网络发展到一定阶段， 为每个节点分配两个全局地址的方案将很难实现。3.2 隧道技术隧道技术是以 IPv4 协议为载体来建立 IPv6 的通信机制，应用对象为 IPv6 与 IPv6 间的互通， 是过渡初期最容易采用的技术。在 IPv6 发展初期， 必然有许多局部的纯网络 （“ IPv6 小岛”）， 这些 IPv6 网络被 IPv4 骨干网络 （“ IPv4 海洋”） 隔离开来， 为了解决这些小岛之间的通信问题， 采取隧道技术， 也就是通过 “ IPv4 海底” 建立连接 “ IPv6 小岛” 的隧道， 逐步扩大

14、IPv6 的实现范围， 这也是目前国际 IPv6 试验床 6Bone 的计划。隧道技术的工作机理如图 2 所示， IPv6 网络与 IPv4 网络交接点处为隧道出入口， 在隧道的开始节点把 IPv6 数据报封图 1 双协议栈技术的工作机理广播与电视技术2005 年第 4 期 4 7装在 IPv4 数据报里 （即把整个 IPv6 数据报变成 IPv4 数据报的数据部分）， 通过隧道传送数据报 （即被 IPv4 网络传输）， 在隧道的终止节点将这些数据报进行解封和还原， 取出 IPv6 数据报并将其转发给相应的目的节点。 这其中 IPv4 数据报的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的 IPv4

15、地址。隧道技术提供了一种以现有 IPv4 路由体系来传递 IPv6 数据的方法， 将 IPv6 包作为无结构意义的数据封装在 IPv4 包中，被 IPv4 网络传输。 其优点是只要求在隧道的入口和出口处进行修改， 对其它部分没有要求， 因而非常容易实现。 缺点是不能实现 IPv4 节点与 IPv6 节点间的直接通信。3.3 协议转换技术纯 IPv6 节点与纯 IPv4 节点通信时， 需借助于中间的协议转换服务器， 把网络层协议头进行 IPv6/IPv4 间的转换， 以适应端对端的协议类型。 目前采用的协议转换技术有无状态因特网协议 / 因特网信息控制协议转换 （ SIIT ， Stateles

16、s IP/ICMP Translation ） 和网络地址转换 - 协议转换 （ NAT-PT ，Network Address Translation-Protocol Translation ）。 现重点探讨 NAT-PT 的工作机理。IETF 提出的 NAT-PT 是纯 IPv6 节点与纯 IPv4 节点之间的互通方式， 即原 IPv4 用户终端不需要进行升级改造， 所有包括地址、 协议在内的转换工作均由网络设备完成。 其工作机理如图 3 所示。 NAT-PT 可看作是 IPv6 网络与 IPv4 网络之间的网关， 进行 IPv4 地址和 IPv6 地址转换和协议翻译， 实现 IPv6与 IPv4 分组的转换。 当一个进程穿过 IPv4 和 IPv6 的边界时被初始化， NAT-PT 使用一个 IPv4 地址池动态地为 IPv6 节点分配地址， 将 IPv6 地址与 IPv4 地址进行绑定， 反之亦然。通过 NAT-PT ， 可在 IPv4 和 IPv6 网络之间转换 IP 报头的地址， 同时根据协议不同对分组做相应的语义翻译，