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1、 论文分类号 T P 3 1 9 单 位 代 码 1 0 1 8 3 密 级 内部 研究生学号 2 0 0 8 1 9 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 基于 L i n u x 平台的 I P v 6 路由器的设计与实现 Design and Implementation of IPv6 Router on Linux 作者姓名 王新颖 学科专业 计算机软件与理论 导师姓名 王德民 及 职 称 教授 论文起止年月： 2 0 0 1年 9月至 2 0 0 3 年 2 月 吉林大学硕士学位论文 I 目 录 目 录 I 提要 I 第一章 绪论 1 1.1 研究背景1 1.2 IPV6 综述
2、.2 1.2.1 IPv4 面临的挑战 2 1.2.2 IPv6 的特点 4 1.2.3 IPv6 的发展现状及前景展望 6 1.3 路由器技术 7 1.3.1 路由器的基本概念及分类 7 1.3.2 路由器的基本功能 .8 1.4 本文的主要工作 9 第二章 IPV6 路由器的关键技术 . 11 2.1 I PV6的关键性问题 11 2.1.1 IPv6 的报头 11 2.1.2 IPv6 的地址 14 2.2 IPV4 向 IPV6 的过渡 17 2.3 IP 路由器的关键技术 . 19 2.3.1 路由算法与路由协议 . 19 2.3.2 IPv6 路由协议介绍 . 21 2.4 小结
3、. 23 第三章 OSPF 路 由原理 . 24 3.1 OSPF 的主要功能 24 3.2 OSPF 原理 28 3.3 OSPFV3 协议说明 36 3.4 小结 . 43 第四章 IPV6 路由器的实现 44 吉林大学硕士学位论文 II 4.1 LINUX平台下软件路由器的实现 44 4.1.1 Linux 的网络功能 44 4.1.2 Linux 软件路由器的实现 . 45 4.2 OSPFV3 的设计与实现 . 47 4.2.1 Linux 中 IP 层的组织方式 . 48 4.2.2 IPv6 数据报在 Linux 中的处理 . 49 4.2.3 OSPFv3 的实现 51 第五章
4、 系统测试 57 5.1 实验环境 57 5.2 路由调试工具 59 5.2.1 工具 Ping6 . 59 5.2.2 工具 traceroute6 60 5.3 小结 . 62 第六章 总结 63 参 考 文 献 64 致 谢 68 摘 要 I ABSTRACT .IV 吉林大学硕士学位论文原创性声明I 吉林大学硕士学位论文 I 提要 当 前 基 于 I P协 议 的 计 算 机 网 络 用 户 数 量 剧 增 ， 网 络 流 量 每 六 个 月 翻 一 番 ， 比 计 算 机 C P U速 度 每 1 8个 月 提 高 一 倍 还 要 发 展 得 快 得 多 。 网 络 用 户 数 量
5、的 增 长 ， 使 得 I P v 4地 址 空 间 濒 临 枯 竭 ， 为 了 彻 底 解 决 I P v 4地 址 空 间 不 足 的 问 题 ，I E T F开 发 了 下 一 代 I P协 议 I P v 6 。 为 了 使 网 络 状 况 更 加 适 应 用 户 的 需 要 ， 作 为 网 络 核 心 器 件 的 路 由 器 的 不 断 升 级 换 代 也 就 成 为 大 势 所 趋 。 O S P F是 基 于 链 路 状 态 算 法 的 动 态 路 由 协 议 ， 相 对 于 基 于 距 离 向 量 算 法 的R I P ， O S P F 具 有 收 敛 时 间 短 、 占 用
6、 网 络 带 宽 资 源 少 等 特 点 。 O S P F 的 核 心 是 一 个 分 布 式 的 、 冗 余 的 链 路 状 态 数 据 库 ， 该 数 据 库 描 述 了 网 络 拓 扑 结 构 ， 包 括 路 由 选 择 域 中 的 路 由 器 集 合 及 其 连 接 方 式 。 采 用 链 路 状 态 数 据 库 作 为 输 入 ， 每 个 路 由 器 可 以 计 算 出 其 自 身 的 I P路 由 表 ， 从 而 正 确 的 转 发 I P数 据 报 。 O S P F v 3是 支 持 I P v 6的 O S P F新 版 本 ，与 O S P F v 2的 主 要 区 别
7、在 于 O S P F v 3分 组 和 L S A的 首 部 中 不 再 包 含 I P地 址 信 息 ， 这 使 得 O S P F v 3具 有 非 协 议 相 关 性 ， 成 为 “ 一 种 独 立 于 任 何 具 体 网 络 的 路 由 协 议 ” 。 除 此 之 外 ， 所 有 基 本 的 OSPF 机 制 ， 如 泛 洪 、 区 的 组 织 以 及 路 由 计 算 等 ，在 OSPFv3 中 都 被 保 留 了 下 来 ， 这 使 得 大 部 分 的 OSPF for IPv4 的 软 件 都 可 以 重 用 。 基 于 OSPF 协 议 的 种 种 优 点 ，本 文 着 重 阐
8、 述 OSPF 的 基 本 原 理 以 及 实 现Linux 下 的IPv6 软 件 路 由 器 ， 以 及 支 持 IPv6 的 动 态 路 由 协 议 OSPFv3。 吉林大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 . 1研究背景 当今世界，Internet 已成为全球最通用的词汇。1995 年 10 月 24 日，美国联邦委员会为 Internet 做出了如下定义21： “Internet 是一个全球性的信息系统，系统中的每台主机都有一个 全球唯一的主机地址，地址格式通过 IP 协议定义。系统中主机与主机 间的通讯遵守 TCP/IP 协议标准，或是其它与 IP 兼容的协议标准来交 换信息。在
9、以上描述的信息基础设施上，利用公网或专网的形式，向 社会大众提供资源和服务。 ” 该定义指出了 IP 协议在 Internet 发展中所起到的基础性的地位。 IP 协议是网络层的重要协议，是实现多个网络互联的关键，它的基本 任务就是通过互联的网络传送数据报。网络层向传输层提供服务，从 传输层取得数据，通过网络接口层传给目的主机的网络层。也就是说， IP 负责将应用程序和传输网络分开，即允许用户在网络的不同部分使 用不同的技术。 70 年代，美国国防部开发了 IP，并逐步发展成为今天广泛使用的 IPv4，这在过去的 20 多年中被认为是一项伟大的壮举。IPv4 的主要特 征是： 1、提供统一的寻
10、址 2、最大努力的传送数据报 90 年代初，出现了 WWW 服务，由于 Web 与 IP 网的特性极为适 配，Internet 得以爆炸性发展。基于 IP 协议的计算机网络用户数量剧 增，网络流量每六个月翻一番，发展速度比计算机 CPU 的每 18 个月 提高一倍的速度还要快得多。随着 Internet 的指数增长， IPv4 的问题 也逐渐显露出来，IPv4 的不足主要表现在： 1、地址空间枯竭 2、路由表急剧膨胀 3、无法提供多样的 QoS 吉林大学硕士学位论文 2 其中矛盾最大最危急的一个问题就是地址空间的枯竭，即没有足 够的地址来满足全球的需要。为了彻底解决这一问题，IETF 开发了下
11、 一代 IP 协议 IPv6，以用来解决目前 IPv4 所存在的主要弊病。为了使 网络状况更加适应用户的需要，作为网络核心器件的路由器的不断升 级换代也就成为大势所趋。 1 . 2 I P v 6综述 近年来，Internet 应用及规模飞速发展，作为 Internet 中的核心技 术 IPv4 功不可没。IPv4 以其简洁有效取得了巨大的成功，但是 IPv4 的设计者们并没有预料到网络会发达到今天的发展速度和规模，到九 十年代，IPv4 的缺陷和危机逐渐暴露出来。 1 . 2 . 1 I P v 4面临的挑战 Internet协议的第4版（IPv4）为TCPIP协议族和Internet提供了
12、基 本的通信机制。IPv4可以将许许多多的主机连接在一起，并已经在全球 Internet上成功地连接了数以千万计的主机。然而，就像被过度使用的 桥梁或高速公路一样，IPv4已经走到了尽头并且必须马上升级。IPv4 的问题主要表现在以下几个方面： 一、IPv4 地址空间的危机 IPv4 地址为 32 位长，理论上有超过 20 亿个地址。传统上将每个 IP 主机地址分为“网络地址”和“主机地址”两部分，并按照网络地 址将 IP 地址分为五类，其中有三类用于 Internet 网络。A 类网络只有 126 个，理论上每个网络的主机数最多可达一千六百万台；B 类网络大 约 16,000 个，理论上每个
13、网络可支持超过 65,000 台主机；C 类网络超 过两百万个，每个网络上的主机数量不超过 255 个。 对于大多数机构来说，一个 A 类网络的一千六百万个主机地址和 一个 B 类网络的 65536 个地址都太大了，而且这两类地址的首部又不 足以为 Internet 内的所有中型网络编址。一个合理的建议是用 C 类网 络代替 A 类和 B 类网络；但由于 C 类地址只有 256 个本地标识符，当 吉林大学硕士学位论文 3 使用 C 类网络的公司内部用户超过 256 时，他必须申请另一个 C 类网 络，这就直接导致了网络数目的增长。 网络数目（ net number）的增长不仅导致地址不够使用，
14、更导致了 路由表的迅速增长。各级路由表中的条目过度增长，路由选择的等待 时间增大，最终结果是导致路由器不堪重负，甚至因此而崩溃。当前， 路由器的处理速度已经成为阻碍 Internet 发展的瓶颈。 二、IPv4 地址管理与配置 IPv4地址的管理与配置相当复杂，需要设置主机名、IP地址、子网 掩码、默认路由器及其它一系列参数，不仅费时而且代价高昂。IPv4 的设计者提出了三种地址的分配机制： 自动分配：主机申请IP地址，然后获得一个永久地址，可在每 次连接网络时使用。 手工分配：服务器根据网络管理员提供的表格为每个主机分配 一个特定的IP地址。无论主机是否需要，这些地址 都将被保留。 动态分配
15、（DHCP） ：服务器按照先来先服务的方法分配 IP 地 址，主机在一个特定时间范围内使用该 IP 地址， 在该地址“借用”期满后归还。 自动分配可能占用更多的 IP 地址；手工分配意味着每个 IP 地址 的利用率不高；动态分配虽然在一个大的用户数量的前提下共享少量 的 IP 地址，然而 IPv4 的 DHCP 却无法实现真正的即插即用。 三、IP 的安全性 很长时间以来，安全性都不被认为是网络层的任务。数据加密、 身份认证等功能一般都交由高层处理。虚拟专用网（VPN）软件和硬 件产品可以对一个 IP 数据报加密，再使用隧道发送出去，然而却缺乏 统一的标准。 IETF 的 IP 安全性（IPs
16、ec）工作组一直致力于设计一种机制和协 议来同时保证 IPv4 和 IPv6 业务流的安全性。IPsec 的目标是使这些机 制可用，并在 IPv6 中集成更加完整的安全性。 为了彻底解决 IPv4 存在的问题，IETF针对 IPv4 的缺陷提出了 IPv6，经过 10 年左右的发展，IPv6 技术目前已被公认为是 IPv4 技术 的未来升级版本。 吉林大学硕士学位论文 4 1 . 2 . 2 I P v 6的特点 IPv6 作为 Internet Protocol 的新版本，其根本目的是继承和取代 IPv4。IPv6 保持了 IPv4 的大多数概念，如 IPv6 还支持无连接的传递， 允许发送方选择数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前 的最大跳数，以及大部分选项等。但 IPv6 改变了协议的许多细节，如 使用更大的地址空间，尤其是 IPv6 修订了 IPv4 的数据报格式，用一 系列固定格式的首部取代了 IPv4 中可变长度的选项字段。 IPv6 中的变 化体现在以下五个重要方面： 一
