IPv4与IPv6的网络互联43714.pdf

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1、 信息工程学院 计算机网络课程设计报告 题目：IPv4 与 IPv6 的网络互联 专业：信息管理与信息系统 班级：14 级 姓名：学号：完成时间：年 月 日 指导教师：一、选题目的 中国是当前全球最急需 IP 地址的国家之一，因此在 IPv6 标准制订以及产业化和商业化的进程中都显得非常积极。在中国的 IPv6 产业化进程中，我国政府对 IPv6 技术及产业发展给予了极大的关注与支持，“积极跟踪、把握机遇、稳妥推进”是中国对于 IPv6 技术的态度，在大力推行政策支持的同时会进行网上实验，掌握 IPv6 在实际运行中的各种技术。但是 IPv6 协议在全国全面实现短时间内还不可能完成。中国密切关

2、注着 IPv6 的发展，目前很多的内地高校和科研机构已经与国外一些运营商合作，对 IPv6 进行研究实验。美国之前拥有着全球 74%的 IP 地址资源，所以对 IPv6 的态度一直略显得不关心。直到思科于 2001 年 7 月 10 日宣布与微软、IBM、惠 普、SUN 和摩托罗拉结成伙伴关系，共同推进 IPv6 硬件和软件的开发。这也体现出了 IPv6 的重要性。在欧洲，各国政府对 IPv6 的发展都给予了高度的关注与支持。欧洲各国虽没有像亚太地区一样紧缺 IP 地址，但在 IPV6 的发展上不想落后于日本这样的国家，并且想通过 IPV6 挽回同美国之间的差距。目前欧洲各国正大力发展 IPv

3、6技术，专家认为欧洲的 3G 将在 1-2 年内进入全面应用阶段。在亚太地区，IP 地址的资源相对比较紧张，所以大多数国家起步较早，并且走在了世界前列。此中，日本对 IPV6 表现的兴趣最大，政府已制定了“E-JAPAN”的战略。其他的经济较发达国家对新的技术也很有兴趣。新加坡，韩国都投入大量的技术和资金，去尝试 IPv6 的普及。二、主要研究内容 孤立 IPv6 网络运行没有多少意义，互联网环境下，就是要实现资源共享。互联网络间应能够无障碍流畅互通。部署 IPv6 网络，首要解决的就是 IPv6 流量如何通过 IPv4 网络，其次就是 IPv6 网络如何与 IPv4 网络实现互通。在无运营商

4、提供 IPv6 过渡解决方案下，如何由企业自身完成 IPv6 网络的部署并能够与其他网络共享资源，主要几个问题要考虑：投入成本。许多企业并非不愿意部署 IPv6 网络，而是部署成本高。一些新的好的技术固然好，但需要购置新的设备。这些设备价格不菲，而且还会混造成现有设备资源用不上场的浪费。理想情况下，只需要升级少量或者是不升级现有设备就能够部署合适的 IPv6 网络。对于过度策略的选择最好根据当前设备支持程度选择合适的方案。网络规模及业务范围。不同网络规模对于网络设备性能要求很高，有些过渡技术因先天缺陷会使得网络性能较差。业务范围可以决定选用过渡策略是使用仅面向 IPv6 网络还是同时面向 IP

5、v4 与 IPv6 网络。因 IPv6 过渡有诸多限制，这些因素选择都会使得网络性能变化很大。上层业务可行性。虽然 IPv6 是网络层，但同样影响上层业务。支持 IPv4的业务并不一定支持 IPv6 业务。所以，对于建立的 IPv6 网络，要测试其上层业务的可行性。IPv6 与 IPv4 互通技术是目前 IPv6 过渡最大难题之一。此设计关键点就是解决互通难题。1.IPv6 地址特点 IPv6 一个显著特点就是 128 比特长度地址直接增大了可使用的地址空间；同时 IPv6 的大地址空间使得几乎每种设备都有一个全球的、可达的地址；IPv6可以在地址空间内使用等级层次结构的层次化编址；IPv6

6、还增加了自动配置功能，持全球惟一性的同时自动配置设备上的地址；相比于 IPv4，IPv6 简化了包头格式，提高了性能；IPv6 使用扩展包头管理包头中的可选信息，而不是像 IPv4在包头结尾使用选项字段；IPv6 的每种实现中都包含 IPSec，使得 IPv6 具有潜在的端到端安全性。2.IPv6 编址 （1）IPv6 包头 基本 IPv6 包头 图 2-1 IPv6基本包头格式 在 IPv6 中，包头以 64 位为单位，且包头的总长度是 40 字节。IPv6 协议为 对其包头定义了版本、流量类型、流标签、净荷长度、下一个头部、跳数限制、源 IPv6 地址、目的 IPv6 地址字段，如图 2-

7、1。IPv6 扩展包头 图 2-2 IPv6 扩展包头 IPv6 扩展包头是可能跟在基本 IPv6 包头后面的可选包头。一个 IPv6 数据包可能包括 0 个、1 个或多个扩展包头。如图 2-2 所示，当 IPv6 数据包使用多个扩展包头时，通过前面包头的下一个包头字段指明扩展包头而形成连接的包头列表。（2）IPv6 地址表示 使用 32 位十六进制字符表示一个IPv6 地址，每 4 位十六进制数为一段，分为 8 段。段间使用“:”分隔。在 IPv6 中，常常见到包含一长串0 的地址，为了方便书写，在 IPv6 地址的连续 16 比特为 0 和 16 比特字段中的前导为0 时，使用一种特定的语

8、法压缩连续的 0。当连续的 16 比特为 0 时，用“:”表示这些字段的 0。但 IPv6 中只允许一个“:”。该方法表示一个 IPv6 地址可能有多种表示方法。当 16 比特有前导0 时，可以去掉前导 0。（3）IPv6 中的协议 ICMPv6 ICMPv6 向源节点报告关于向目的地传输IPv6 数据包的错误和信息。ICMPv6 协议号为 58。如图 2-3，这个协议号被用在基于 IPv6 报头的下一个包头字段中，指示这是一个 ICMPv6 数据包。IPv6 认为 ICMPv6 数据包是一个上层协议，它必须放在 IPv6 数据包所有扩展包头之后。图 2-3 ICMPv6 格式 PMTUD P

9、MTUD(路径 MTU 发现)的主要目的是发现路径上的 MTU，当数据包发向目的地时避免分段。仅当路径 MTU 比传送的数据包小时源节点自己才可以对数据包分段。强烈建议 IPv6 节点实现 IPv6 PMTUD 以避免分段。邻居发现协议（NDP）邻居发现协议（NDP）是 IPv6 中的一个关键协议。NDP 主要用来替代 ARP、无状态自动配置和路由器重定向。无状态自动配置 无状态自动配置是 IPv6 最有吸引力和最有用的新特征之一。它允许本地链路上的节点根据路由器在本地链路上公告信息自己配制单播 IPv6 地址。无状态自动配置涉及前缀公告、DAD（重复地址检测）、前缀重编码等几种机制。三、方案

10、设计 1.模拟器简介 在配置 IPv4 与 IPv6 互连的实验中，我们使用的是 Dynamips GNS3 模拟器。这款模拟器基于硬件模拟的思科路由模拟器，该模拟器可以加载真实的思科路由器的 IOS，实验效果和真实的网络环境基本没有区别，它模拟出路由器的硬件环境，然后在这个环境下直接运行思科的 IOS，其模拟的真实性几乎可以完成所有的路由配置实验。2.6to4 隧道配置 本实验通过隧道技术，来实现 IPv4 网络与 IPv6 网络的互连的实现。隧道机制在现有的 IPv4 基础设施中配置 IPv6 时，会以 IPv4 网络作为传输层，将一个IPv6 孤岛内的 IPv6 主机、路由器等设备通过数

11、据传输给另外一个 IPv6 孤岛，实现 IPv6 孤岛间的通信。采用隧道技术，可以利用现有的 IPv4 网络，将小的IPv6 孤岛合并成大型的 IPv6 网络，最终通过技术和设备的更新，完成大规模范围内的纯 IPv6 网络。本隧道实验使用 5台路由设备，其中路由器 1和路由器3是支持ipv4和ipv6双协议的路由器，路由器 2 是支持 ipv4 的路由器。采用两个路由器 4 和路由器5 来模拟 PC 机，实验要达到的要求是 R4 和 R5 可以互相 ping 通。图-1：6to4 隧道网络拓扑图 3.IPv6 网络 NAT-PT 静态映射实验配置 本实验 NAT-PT 技术实现 ipv4 与

12、ipv6 网络之间的互联，不需要隧道技术就可以直接实现ipv4到ipv6网络互联的功能，它的功能实现是采用地址映射关系。图-2：静态 NAT-PT 4.ISATAP 隧道技术 本实验采用 ISATAP 隧道技术实现 ipv4 到 ipv6 的网络互联，建立 tunnel端口，将 ipv4 封装到 tunnel 里面，ipv4 再给 ipv6 发送数据包时，R2 路由器会自动给 ipv4 网络的发包主机一个 ipv6 的地址，它的地址是有 ipv6 地址的网络前缀加上 ipv4 的网络地址组成的。在 R3 路由器添加通往 R2 给 ipv4 的 ipv6 地址的网络号的路由信息，这样就可以使用

13、C1 之间 ping R3 ipv6 的地址。图-3：ISATAP 隧道 四、主要设备命令配置 在实验配置的过程中，给路由器做配置的过程中我们输入的命令都包括一定的功能，下面我们对一些较常见的命令做简单的介绍：en：enable 的缩写，此命令可使操作者进入路由器的全功能模式。conf t：configure terminal 的缩写，表示从终端执行配置命令。no sh：no shutdown 的缩写，此命令取消了路由器的自动关闭功能。ipv6 unicast-routing：这条配置语句可以启动路由协议，开启 IPv6 单播路由功能，一些简单的路由网络的联通都会依靠此命令。ipv6 nat：

14、对此命令的当前接口开启 NAT-PT 转换。tunnel mode ipv6ip：此命令标明配置的隧道模式是 IPv6 到 IPv4。了解这些简单的配置语句，对理解实验配置会起到很好的帮助作用。1.6to4 隧道配置命令 在 R1 的配置如下：R1(config)#interface Tunnel0 R1(config-if)#ipv6 address 2000:1/64 R1(config-if)#tunnel source 10.0.1.1 R1(config-if)#tunnel destination 10.0.2.2 R1(config-if)#tunnel mode ipv6ip

15、R1(config-if)no shutdown R1(config)#interface FastEthernet0/0 R1(config-if)#ip address 10.0.1.2 255.255.255.0 R1(config-if)#ipv6 address 2001:1/64 R1(config-if)no shutdown R1(config)#interface Serial1/0 R1(config-if)#ip address 10.0.1.1 255.255.255.0 R1(config-if)no shutdown R1(config)#ip route 10.0

16、.2.0 255.255.255.0 10.0.1.2 R1(config)#ipv6 route 2002:/64 Tunnel0 R1(config-if)#ipv6 unicast-routing 在 R2 的配置如下：R2(config)#interface Serial1/0 R2(config-if)#ip address 10.0.0.2 255.255.255.0 R2(config-if)#no shutdown R2(config)#interface Serial1/1 R2(config-if)#ip address 10.0.1.1 255.255.255.0 R2(

17、config-if)#no shutdown 在 R3 的配置如下：R3(config)#interface Tunnel1 R3(config-if)#ipv6 address 2000:2/64 R3(config-if)#tunnel source 10.0.2.2 R3(config-if)#tunnel destination 10.0.1.1 R3(config-if)#tunnel mode ipv6ip R3(config-if)no shutdown R3(config)#interface FastEthernet0/0 R3(config-if)#ip address 1

18、0.0.2.2 255.255.255.0 R3(config-if)#ipv6 address 2001:2/64 R3(config-if)no shutdown R3(config)#interface Serial1/1 R3(config-if)#ip address 10.0.2.2255.255.255.0 R3(config-if)no shutdown R3(config)#ip route 10.0.1.0 255.255.255.0 10.0.2.1 R3(config)#ipv6 route 2001:/64 Tunnel1 R3(config-if)#ipv6 uni

19、cast-routing 在 R4 的配置如下：R4(config)#interface FastEthernet0/0 R4(config-if)#ipv6 address 2001:11/64 R4(config-if)#no shutdown R4(config)#ipv6 unicast-routing R4(config)#ipv6 2002:/64 tunnel 0 在 R5 的配置如下：R5(config)#interface FastEthernet0/0 R5(config-if)#ipv6 address 2002:22/64 R5(config-if)#no shutdo

20、wn R5(config)#ipv6 2001:/64 tunnel 1 R4(config)#ipv6 unicast-routign 2.IPv6 网络 NAT-PT 静态映射实验配置命令 在 R1 路由器配置命令：Router(config)#int s1/0 Router(config-if)#ip add 192.168.0.2 255.255.255.0 Router(config-if)#no sh Router(config-if)#exit Router(config)#ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.0.1 R3 路由器

21、配置命令：Router(config)#int s1/1 Router(config-if)#ipv6 add 2000:2/64 Router(config-if)#no sh Router(config-if)#exit Router(config)#ipv6 unicast-routing Router(config)#ip route 2001:/64 2000:1 在 R2 路由器配置命令：Router(config)#int s1/1 Router(config-if)#ipv6 add 2000:1/64 Router(config-if)#no sh Router(config

22、-if)#ipv6 nat Router(config-if)#exi Router(config)#int s1/0 Router(config-if)#ip add 192.168.0.1 255.255.255.0 Router(config-if)#no sh Router(config-if)#ipv6 nat Router(config-if)#exi Router(config)#ipv6 nat v4v6 source 192.168.0.2 2001:1 Router(config)#ipv6 nat v6v4 source 2000:2 192.168.1.1 Router

23、(config)#ipv6 nat prefix 2001:/96 Router(config)#ipv6 unicast-routing 3.ISATAP 隧道技术 在 R1 的路由配置命令：Router(config)#interface FastEthernet0/0 Router(config-if)#ip address 10.0.0.1 255.255.255.0 Router(config-if)#no shutdown Router(config)#interface Serial1/0 Router(config-if)#ip address 10.0.1.2 255.255

24、.255.0 Router(config-if)#no shutdown 在 R2 的路由配置命令：Router(config)interface Tunnel0 Router(config-if)ipv6 address 2001:/64 eui-64 Router(config-if)no shutdown Router(config-if)no ipv6 nd ra suppress Router(config-if)tunnel source 10.0.1.1 Router(config-if)tunnel mode ipv6ip isatap Router(config)interf

25、ace Serial1/1 Router(config-if)ip address 10.0.1.1 255.255.255.0 Router(config-if)no shutdown Router(config-if)interface Serial1/2 Router(config-if)ipv6 address 2000:1/64 Router(config-if)no shutdown Router(config-if)ip route 10.0.0.0 255.255.255.0 10.0.1.2 Router(config)ipv6 unicast-routing 在 R3 的路

26、由配置命令：Router(config)#interface eriali1/3 Router(config-if)#ipv6 address 2000:2/64 Router(config-if)#no shutdown Router(config)ipv6 unicast-routing 在 C1 的配置命令如图：图-4 虚拟机配置命令 五、测试结果与分析：1.6to4 隧道配置结果与分析 R4pingR5，在 R4 的 Console 输入 ping 2002:22,显示结果为 R4ping 2002:22 Type escape sequence to abort.Sending 5,

27、100-byte ICMP Echos to 2002:22,timeout is 2 seconds:Success rate is 100 percent(5/5),round-trip min/avg/max=236/378/612 ms R5pingR4，在 R5 的 Console 输入 ping 2001:11,显示结果为 R5#ping 2001:11 Type escape sequence to abort.Sending 5,100-byte ICMP Echos to 2001:11,timeout is 2 seconds:Success rate is 100 per

28、cent(5/5),round-trip min/avg/max=208/272/352 ms 在 6to4 隧道配置中，可以用 ipv4 连接 ipv6 的孤岛，这样可以使 ipv6 孤岛之间进行通讯，它的实现是 ipv6 的数据包经过 ipv4 的路由器时，会对 ipv6 的数据包进行封装，在 ipv6 的报头前面加上 ipv4 的地址，在通过 ipv4 的网络后，路由器会对数据包进行拆封，将 ipv6 的数据包还原，然后交给和它进行通讯的ipv6 孤岛。所以由此看来，数据的传输是整个 ipv4 的网络都在隧道中的隐形传输。2.IPv6 网络 NAT-PT 静态映射实验配置 R1pingR

29、3 的映射地址：R1#ping 192.168.1.1 Type escape sequence to abort.Sending 5,100-byte ICMP Echos to 192.168.1.1,timeout is 2 seconds:!.!.!Success rate is 60 percent(3/5),round-trip min/avg/max=52/65/84 ms R3pingR1 的映射地址：R3#ping 2001:1 Type escape sequence to abort.Sending 5,100-byte ICMP Echos to 2001:1,time

30、out is 2 seconds:!.!.!Success rate is 60 percent(3/5),round-trip min/avg/max=64/73/80 ms 在静态 NAT-PT 实验中，ipv4 和 ipv6 地址的映射是达到互相通讯的关键。在因为，在不同的协议，ipv4 网络不能直接 ping ipv6 的网络的地址，所以，NAT-PT技术就提供了地址映射来达成通讯，将一个 ipv4 的地址映射成一个 ipv6 的地址，在 R2 路由器上，从 ipv6 网络过来的数据包路由器会查询映射关系表，将ipv6 的地址映射成 ipv4 的地址，再发送给 ipv4 的网络中（将

31、ipv6 的地址映射成 ipv4 的地址，它们的原理相同）3.ISATAP 隧道技术 图-5：ipconfig 信息 C1 获取 R2 通过 Tunnel 分配给的 ipv6 的地址 2001:5efe:10.0.0.2,其中10.0.0.2的 ipv4的地址是 C1 的地址。2001:/64 是 ISATAP 虽大网段的网络前缀。图-6：v4v6 发送数据包 在 C1 上 pingipv6 网段的地址 2000:2，它的目标地址是 2000:2，源地址是ISATAP 隧 道 的 网 络 前 缀 和 ipv4 的 地 址 构 成 的 ipv6的 网 络 地 址2001:5efe:10.0.0.

32、2。六、实验总结 在 IPv6 网络完全取代 IPv4 网络之前，IPv4 与 IPv6 网络的互连及互相存在、相互依靠会是一直存在的研究课题。而且 IPv4 与 IPv6 网络的互连技术的实现也关系到了 IPv4 能否向 IPv6 平稳过渡，因此对相关技术的研究和相关软件开发有着理论价值和实际意义。本文详细研究了 IPv6 协议中几个比较重要的基本原理，包括：IPv6 协议的新特性、IPv4 与 IPv6 报头的比较、IPv6 地址技术及 IPv4 与 IPv6 网络的转换机制，通过对 IPv6 协议系统的分析与研究，主要完成了下面的一些工作：对 IPv4 与 IPv6 的报头进行详细的比较

33、，分析了 IPv6 的地址格式并罗列出 IPv6的寻址模型，对 IPv6 地址分配策略做出了解释，体现出 IPv6 的优势所在。分析了几种 IPv4 与 IPv6 的转换机制，研究了几种机制工作所需要的环境及条件。同时，对双协议栈、NAT-PT 技术和隧道技术这三种网络过渡技术做出对比。详细列出了这三种过渡技术在使用环境中的要求。比如隔着 IPv4 网络环境中的 IPv6网络节点间如何通信以及 IPv4 节点与 IPv6 节点间的通信问题等等。在此次试验过程中我遇到很多问题，GNS3 软件的使用给自己造成了很大的空扰，GNS3 软件路由器全部开启，常常导致电脑卡死，配置保存的问题，还有对软件内

34、各设备的熟悉程度不够。但是最后在上网和查阅资料之后，这些问题也一一得以解决。本次课程设计中也存在的很多不足，ISATAP 隧道的技术无法正常通讯，这给自己造成了很多困扰，静态 NAT-PT 技术在 ipv4 与 ipv6 互联过程中的不稳定也是存在的主要问题。不过，在经过这次课程设计后，自己对 ip 网络的了解更加深了一个层次。了解了 ipv4 到 ipv6 的几种过渡技术，在未来的学习生涯中，会继续朝着计算机网络的方面发展，继续对 ipv4 到 ipv6 网络过渡技术的深入研究。七、参考文献 1 张建忠.计算机网络实验指导书M.北京.清华大学出版社.2015:1.2 吴功宜.计算机网络M.北京.清华大学出版.2015:6.3 伍孝金.IPv6 技术与应用M.北京：清华大学出版社.2010:126.4 百度文库.基于 GNS3 实现 IPv6 过渡J.湘潭大学.2013.6.5 韩立刚.详解IPv6以及IPv6和IPv4共存技术视频课程J.河北师范大学.2013.12 指导教师意见：签名：年 月 日 成绩评定：