基于IPv4与IPv6并存网络技术应用与研究论文 第2页
引言
IP协议是Internet中的核心协议，它在Internet的发展中起了重要的作用，但是随着Internet的发展，原有的IP协议越来越不能满足社会的需求。目前所使用的基本是IPv4，它广泛地用在Internet和不计其数的小型专用网络上，但是就如新陈代谢是自然界的一种规律一样，无论一种事物现在多么辉煌，它总会有过时的一天，总会有新鲜的事物来不可逆转地取代它。因此Internet工程任务组IETF(Internet Engineering Task Force)推出了IPv6，同时IPv6也逐渐成为了下一代网络的核心之一。了解何时对IPv4进行升级以及如何以最低的代价进行升级就显得尤为重要了。
IPv4不能满足结点规模扩大和新的应用的需求，IPv6是一种新的互联网协议，与IPv4相比，它改进了可扩展性、路由、安全性、配置和可靠性。由于IPv6与IPv4不兼容，使用新协议意味着改变每个联网设备中的软件。但是IPv4普便存在，随着IPv6的引入，IPv4不可能立即消失，所以，有必要研究转换机制，使得网络和主机升级后应用程序仍然能继续工作。
1 IPv4的现状
在过去的10年里，因特网一直快速地发展着。Internet运行于IP版本4（IPv4）之上，但是这个协议是在20年前为几百台计算机组成的网络而设计的，并且地址方案受到了其32比特地址长度的限制，这给Internet的长期发展带来了问题。而且，部分IPv4地址方案(如D类和E类)被保留作为特殊用途，这也减少了可用的IPv4全球唯一单播地址的数目。随后，即使因特网迅速发展,在20世纪80年代非常大的全球唯一单播地址块还是被分配给了一些组织。而对于亚洲和非洲的一些国家，整个国家也只得到了一个C类地址。
尽管采用了如CIDR和NAT等机制，全球因特网路由选择表仍然巨大而且在持续增长。因此，一些研究预计在2005到2011年间现在的IPv4地址空间将会耗尽。在这种情况下促使了IETF达成一个共识，即在地址空间被耗尽之前有足够的时间设计实现一个新的IP协议来替代IPv4。
在万文网和商业因特网的早期，开发了基于IPv4的NAT技术来解决这个紧迫的问题，IETF也将其视为一种解决IPv4地址空间耗尽的潜在方案。但是，对地址转换机制的深入了解显示出NAT机制是如何破坏因特网的端到端模型的，这样造成的限制比获得的好处还要多。
1．1 IP应用的领域
许多年以来，只有在大学或研究机构的网络中才能找到IP的应用。而IP的商用产品直到80年代后期、90年代初期才出现，即使这样，这些产品仍被定位为专用产品。直到1995年，TCP/IP才被普遍引入到个人计算机产品中，因为从那时起， Novell和微软开始选择IP作为连接网络协议来支持其打印和文件服务的网络传输。
这意味着正在使用IP的不仅包括每个连接到Internet的计算机，还包括所有使用这些网络操作系统来访问机构资源的所有计算机，而不论这些计算机是否连接到Internet。从手提式电脑到功能强大的超级计算机，目前使用的所有计算机几乎都支持IP。另一方面，IP也越来越多地用于连接其他设备，从而可以任意地使用网页浏览客户机访问内置网页服务器以实现对家用电器和安全系统的远程控制。使用IP的网络除了Internet之外还包括称作内联网的公司网络，其规模可以从一个办公室中连接在一起的几台主机到分布在全球范围内的所有分支机构的数以万计的主机。IP网的另一个特例是外联网(extranet)，它是出于某个共同目标在实体间提供安全连接的专用IP网。
1．2 IPv4的局限性及其缺点
在当前计算机工业飞速发展的步伐下，指出IPv4的局限性和缺点如同指出小汽车和卡车的内燃机是有缺陷的动力源一样。IP的确是一个非常强壮的协议，并已经证明了它能够连接小至几个节点，大至Internet上难以计数的主机。为交通工具选择动力源时，只要能像汽油机或柴油机一样提供动力，任何人都可以使用包括电能、太阳能或是风能作为上路的动力而不会影响别人，与此不同的是， IP的升级将对所有使用IP的人产生重大影响。TCP/IP的工程师和设计人员早在80年代初期就意识到了升级的需求，因为当时已经发现IP地址空间随着Internet的发展只能支持很短的时间。本节将介绍IP必须升级的原因以及可以同时改进之处，其中包括：
• 地址空间的局限性：IP地址空间的危机由来已久，并正是升级的主要动力。
• 性能：尽管IP表现得不错，一些源自20年甚至更早以前的设计还能够进一步改进。
• 安全性：安全性一直被认为是由网络层以上的层负责，但它现在已经成为IP的下一个版本可以发挥作用的地方。
• 自动配置：对于IPv4节点的配置一直比较复杂，而网络管理员与用户则更喜欢“即插即用”，即：将计算机插在网络上然后就可以开始使用。IP主机移动性的增强也要求当主机在不同网络间移动和使用不同的网络接入点时能提供更好的配置支持。
2 分层网络互联模型
当数据从一个系统传输至另一系统时，其分离的过程模型通常称为协议栈。该协议栈被用在不同层中。协议的实现也称为协议栈，它表示数据将在哪一层处理以及数据如何在相邻上下层间传递。
2．1 OSI模型
开放系统互连(OSI)通常作为基本参考模型，最初用于表示网络互联的通用模型。如图2-1所示，它的七个层表示互操作系统间通信的不同级别。自下而上，这些层包括：
应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层
图2-1 网络互联的OSI模型提供了系统在网络上进行互操作的7个不同层
• 物理层：代表数据转移时的真正媒体。系统通过物理层彼此间发送原始电脉冲或其他合适的信号。在这一层，g系统间的通信通过与物理媒体的连接得以实现。
• 数据链路层：增加了协议，用于解释物理媒体上传输的数据，其中包括可靠性和重传等功能。在这一层，系统间的通信通过直接连接到网络的实际网络接口来实现。
• 网络层：提供协议使得系统之间可以通信，它把系统而不仅仅是网络接口连接到一起。正是在这一层，通信被认为发生在系统间而不只是在网络接口间。这一层需要考虑如何在位于两个不同网络的两个不同节点间传送数据。
• 传输层：提供协议使得一个系统的进程连接到另一个系统的进程成为可能。换句话说，在这一层，运行在一台主机上的两个不同程序可以各自连接到不同主机上运行的不同程序。
• 会话层：处理连接的流和定时。正是在这一层，管理连接的实际结构——不论发送方是否在发送数据而接收方是否在接收数据。
• 表示层：在这一层，不同的系统将自己的数据翻译为彼此都能接受和理解的格式。在完全不同的系统上运行的程序必须使用所有系统都能理解的标准格式，而这种翻译就发生在这一层。
• 应用层：定义实际程序如何使用网络交互。例如，某个网络程序的应用协议可以定义来自用户的输入类型或远端设备响应的输出类型。
2．2 Internet模型
那些构造实际网络的网络互联研究者们发现可以使用只有四层的网络模型来提供所有功能。如图2-2所示，Internet模型把网络的层进行了压缩，使网络互联更简单，因为层越少就意味着交互越少，自然也就意味着连网实现更加高效。
应用层
传输层
网际层
网络接口层
图2-2 Internet模型只用四层实现了无缝的、可互操作的网络互联
虽然在某些情况下这些层看来与OSI分层模型类似，但其中确实有一些差异。从最底层开始主要的差异首先在于， Internet模型中把物理层作为独立的一层舍弃了。这可能是由于实现者假定在数据链路层发送和接收的数据是由物理媒体传递的。其次，网络层变成了网际层，使得通过网络把系统链接在一起的需求变得更加明显。传输层中包含了会话层的大部分功能，而应用层中则包含了表示层的大部分功能。理解这些层如何工作将帮助我们理解IP连网是如何工作的，因为在Internet模型中通信系统在哪一层交互更加清晰：
• 网络接口层：连接在同一网络上的系统彼此之间可以通信。在这一层上通信的系统不一定相同,因为两个不同网络上的系统不能直接在这一层通信，而在其他层通信的系统则要保持一致。
• 网际层(又称为网络层)：系统通信的层次。这一层的数据传输单元在地址信息之后包含一些净荷数据。换句话说，数据可视为仅仅是从源系统发送到目的系统。两个系统可以用多种不同的方法交互，但是至少在这一层，可将来自不同的应用层交互的数据仅仅视为具备相同的源地址和目的地址，而无需立即进行区分。
• 传输层：进程间通信的层次。正是在这一层，两个通信系统间可以具有多个业务流(参见上一段)。
• 应用层：用户(无论是个人还是程序)间通过网络应用进行交互的层次。本书主要考虑发生在网际层的事情，而对于其他层只考虑在修改网际层协议后会受到影响的部分。
3 IPv6介绍
虽然CIDR和NAT可能赢得了许多年的时间，但是每一个人都意识到，当前的IP版本的日子已经为期不远了。除了这些技术问题以外，还有另一个隐藏在背后的问题。在Internet的早期，它主要被用于大学，高科技工业和美国政府。20世纪90年代中期开始，人们对于Internet的兴趣不断膨胀，Internet开始为各种各样的人所使用，尤其是有着不同需求的人们。首先，大量携带无线移动计算设备的人通过Internet与他们的家庭或者企业保持联系。其次，随着计算机工业、通讯业和娱乐业的不断交融，有可能在不久的将来，世界上的每一部电话和电视都将变成Internet节点，从而几十亿台机器将会使用音频和视频点播。在这样的形势下，很显然，IP必须也要进一步发展，并且要变得更加灵活。
1990年，IETE看到了这些问题已经在即，于是开始启动IP新版本的设计工作，新版本的IP将有用不完的地址，而且还将解决许多其他的问题，同时也更加灵活和高效。它针对IPv4存在的问题，在以下几个方面做出了改进：
(1)支持更多的主机；
(2)减小路由表的长度；
(3)简化协议，使路由器处理数据报速度更快；
(4)提供更好的安全性；
(5)更加重视服务类别，特别是实时数据的处理；
(6)通过设定作用域辅助多信道广播(又称组播)；
(7)主机移动不必改变其地址；
(8)新的协议IPv6与IPv4能共存一段时间.
3．1 IPv6的历史背景
Internet的成功促进了IP网的大发展。目前，越来越多的人相信，未来的网络将是基于IP技术的网络。随着IP网规模的不断扩大，原有的IPv4协议面临着一些难以解决的问题，比如地址空间耗尽、路由表爆炸等。同时IP应用的扩展对IP也提出了新的要求，比如Internet上多媒体信息传播、移动用户的网络接人等，都为IP的研究开辟了新的空间。
传统的IP，即IPv4(IP version 4)定义IP地址的长度为32bit。Internet上每个主机都分配了一个(或多个)32bit的IP地址。32bit的地址在DARPA时代的互联网络看来还是足够使用的，同时网络地址的分类(A，B，C，D，E类)和提取也提高了路由的效率。但是在20世纪80年代早期，即使是最有远见的TCP/IP开发者们也没有预料到互联网会有今天的爆炸性增长。Internet的设计者们没有想到今天Internet会发展到如此大的规模，更没有预测到今天Internet因为规模的迅速扩大而陷入困境。1987年统计表明可能将来需要分配多达10万个网络，然而早在1996年这个记录已经被打破。20世纪90年代以来，WWW服务迅速普及，网络节点的数目开始呈几何级数的增长。
地址短缺问题的根源有多方面的原因。一方面是32bit的地址空间十分有限；另一方面是尽管现行的32bitIPv4的地址结构可以为1670万个网络的超过40亿台主机分配地址，但实际上的地址分
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