IPv6校园网设计与实现毕业设计.docx
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IPv6校园网设计与实现毕业设计
本科毕业设计(论文)
题目IPv6校园网的设计与实现
学生姓名
专业班级互联网科学与技术10-02班学号
院(系)学院
指导老师(职称)xxx(讲师)
完成时间2014年6月1日
毕业设计(论文)任务书
题目IPv6校园网的设计与实现
专业班级互联网科学与技术学号5xxxxxx学生姓名xxx
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
主要内容:
本文应从以下几方面进行阐述:
1、介绍研究背景、国内外现状、研究内容和论文的组织安排等。
2、相关技术介绍,着重介绍IPv6及相关技术。
3、写IPV6校园网络的设计原则、总体架构等。
4、写IPv6校园网的实现与应用方面的内容。
基本要求:
1.完成不少于3000字的外文翻译和文献综述,论文内容应不少于20000字;
3.论文结构要严谨、层次要分明;
4.论文要能够理论联系实际,要有实际分析;
5.文章中的对策与建议应具有一定的实用价值。
主要参考资料:
[1]邓永红,IPv6技术综述,有线电视技术[J],2004,10:
1-6
[2]李平荣.浅析校园网ipv4向ipv6的过渡[J].硅谷,2011
(1),176-176,194
[3]张秦,王少永,王恂.基于ipv6的校园网过渡策略研究[J].计算机光盘软件与应用,2010(14),109-10
[4]SiIvial,Hage著,技桥译,TheessenceofIPv6[M],北京:
北京清华大学高版社,2004
[5]李振强.IPv6技术揭秘,[J].第1版.北京:
人民邮电出版社,2006,12-20.
[6]杨映红,陈志,IPv6地址结构解析[J],2003,10:
87-92
完成期限:
2014年6月1日
指导教师签名:
专业负责人签名:
2014年3月5日
一个IPv6校园网的设计与实现
摘要
校园网是高校师生进行信息沟通和交流的重要渠道,而高校的技术优势也让IPv6在校园网中的试点成为了可能。
IPv6校园网是在IPv4校园网络的基础上进行的新的建设,是中国下一代互联网(CNGI)的重要组成部分,教育部的CNGI-CERNET2试验床也为IPv6校园网的建设带来契机。
本文对IPv6技术进行了深入的研究,探讨了基于IPv6校园网的设计建设和部署,并对IPv6在校园网中应用和设计的有关情况进行了分析和研究。
关键词IPv6;校园网;过渡技术;网络管理
DESIGNANDIMPLEMENTATIONOF
IPV6CAMPUSNETWORK
ABSTRACT
Campusnetworkistheimportantchannelforuniversityteachersandstudentstocommunicateandexchangeinformation.However,theadvantagesofuniversitytechnologyalsoallowsIPv6pilotcampusnetworkaspossible,IPv6campusnetworkisthenewconstructionbasedontheIPv4campusnetwork.IsanimportantpartofChinaNextGenerationInternet(CNGI),theMinistryofEducationCNGI-CERNET2IPv6testbedfortheconstructionofthecampusnetworkasopportunities.
Inthispaper,in-depthstudyofIPv6technology,DiscussesthedesignandconstructionbasedonthecampusnetworkandthedeploymentofIPv6,andIPv6inthecampusnetworkapplicationsanddesignedthesituationisanalyzedandstudied.
KeywordsIPv6;campusnetwork;transitionaltechnology;NetworkManagement
1绪论
1.1论文的选题究背景
互联网的成功发展给人民的生活带来了重大的变化,互联网的影响己经渗透到社会的各个方面。
我国先后建立了中科院互联网(NCFC)、中国教育科研网(CERNET)、中国公用计算机互联网(CHINANET)、中国金桥信息网(CH]INAGBN)等四大网络。
为国家信息化和现代化建设做出了巨大贡献,并产生了巨大的经济效益和社会效益。
特别是中国教育科研网(CERNET)的发展,极大地促进了学校校园网的建设和资源信息共享[1,2]。
但随着互联网的应用,目前基于IPv4的互联网在实际中越来越暴露出其不足之处,这些问题已经成为制约互联网发展的严重障碍。
主要有以下几个问题:
(1)地址资源数量的限制。
中国截止2010年6月IPv4地址数量达到2.5亿,远落后于4.2亿网民的需求。
地址不足严重地制约了我国互联网的应用和发展。
(2)随着电子技术及网络技术的发展,计算机网络将进入人们的日常生活,可能身边的每一样东西都需要连入全球因特网。
(3)路由表的快速增长。
有数据表明,1990年只有大约5000条路由被存放在路由表中,而在2000年则达到了120,000条,而且还保持着60%~100%的增长率。
这使得大量的网络设备由于处理速度跟不上而很快被淘汰。
在这样的环境下,IPv6应运而生。
单从数字上来看,IPv6所拥有的地址容量是IPv4的约8×10^28倍,达到2^128(算上全零的)个。
这不但解决了网络地址资源数量的问题,而且也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍,同时IPv6简化了首部格式。
对扩展项和选项进行改进;增加了流标识能力字段和对QOS(服务质量)的支持,提高了安全能力[3,4]。
这些特点都是IPv6在未来的互联网络中发展的优势,满足了未来网络的发展要求。
在2004中国国际教育科技博览会暨中国教育信息化论坛开幕仪式上,中国第一个下一代互联网主干网——CERNET2试验网正式宣布开通并提供服务。
该试验网目前以2.5G的速度连接北京、上海和广州三个CERNET2核心节点,并与国际下一代互联网相连接,开始为清华大学、北京大学、上海交通大学等一批高校提供高速IPv6服务
[5]。
它的开通,标志着中国下一代互联网研究取得重要进展。
211高校或者有重点学科的大专院校,都已接入CERNET2,目前己掀起建设IPV6校园网的热潮。
1.2国内外研究概况
在国外,IPv6技术起步早,发展快。
1993年,IETF组织就成立了IPng工作组开始研究一代IP技术,即IPv6。
由于当前所分配IPv4地址的不均衡,美欧占据了大量的地址资源,对IPv6的应用压力较小,而亚洲国家则不同,特别是亚洲发展较快的国家,比如日本、韩国、新加坡和印度等。
所以目前美国对IPv6技术的发展只是以研究和实验为主,而日本和韩国等亚洲发达国家因为网络技术的广泛应川,和有限的IP地址资源问题,在IPv6技术在商用及业务开展方面处于领先地位。
日本目前在国际IPv6的科学研究乃至产业化方面具有国际领先优势。
日本已经形成提供IPv6接入技术的运营商、IPv6设备提供商、IPv6终端提供商、以及IPv6用户的完整产业链,日本主要运营商和ISP儿乎都已提供IPv6商业化接入服务[6,7]。
日本和韩国高等院校的园区网成为IPv6新技术测试和应刚的主要环境。
IPv4技术是在美国发展起来的,IPv4地址资源丰富整个北美占用了2/3,人约30亿个地址,并且IPv4技术在电子商业应用方面占据优势,所以美国在IPv4主导的传统互联网领域占据领先地位,核心技术属于美国。
现在美国还没有IPv4地址短缺的问题,冈此没有必要花费人量资本构建基于IPv6技术的网络体系,所以美国主要是进行IPv6技术的研究,并以协调研究的组织者的身份出现。
但是,美国在IPv6及应用的研究方面依然是世界上最先进的,研究和开发IPv6的主要组织如IETF、6BONE等都在美国[8]。
而在IPv6的商业化推广方面的应用却没有欧洲或者日本广泛。
尽管欧洲没有像亚洲一样的IPv4地址短缺压力,欧洲在互联网方面落后于美国,但在移动通信方面领先于美国,所以欧洲发展IPv6采取“先移动,后固定”的基本战略,在第三代移动网中率先引入IPv6,希望通过3G标准的部署来获得在未来互联网领域与美国竞争的技术优势。
欧盟认为:
IPv6是发展3G移动通信的必要工具,如果想大规模发展3G,就不得不升级到IPv6。
制定3G标准的3GPP组织决定以IPv6为基础构建下一代移动网,使IPv6成为3G必须遵循的标准。
在亚太地区由于IP地址紧缺等原因,亚洲国家也在积极推动IPv6的发展,并已走在世界的前列[9]。
目前亚洲国家中,日本和韩国等发达国家在IPv6研究和应用方面取得了巨大的成绩。
我国对IPv6的研究是从1998年开始的,主要参与研究者大都来自一些高等院校或者研究机构。
其中,天地互联信息技术有限公司在2000年建立了我国第一个面向商业用途的IPv6试验床,到2001年完成了与清华大学和北京邮电大学的互联互通,并加入了6BONE。
对我国而言,IPv6的发展将带给我们巨大机遇。
作为互联网和移动通信大国,基于IPv6的互联网将在我国从基础设备、服务与应用、媒体与内容、设备建造等层面构成新的巨大产业,拉动经济的增长。
从全局角度看,IPv6可能是比3G更为重要的一次机遇。
在IPv6的研究和应用方面,中国起步晚于日本和韩国等国家,但是中国互联网和通信市场的巨大应用空间,使中国有机会、有潜力占有未来全球IPv6产业化进程中举足轻重份额。
2006年,基于IPv6的校园网CENET2开通,同时,基与IPv6的校园网在上海、南京、重庆等地进行了大量的实验和建设工作,一些大学的校园网作为最早建设和接入CERNET2IPv6网络的起到重要的示范作用。
1.3论文的主要内容及结构
第一章绪论首先通过IPv6技术发展和应用的介绍说明本研究的选题背景和意义,然后分析国内外相关课题的研究状况。
第二章为IPv6及其相关技术介绍,对目前国内外相关领域的技术背景知识作一些概述性的介绍,其中着重介绍了IPv6技术、IPv6协议的新特性、IPv6地址体系结构、IPv6选路等。
第三章为IPv6校园网络方案的设计,从设计原则、总体架构等方面阐述IPv6校园网的设计。
最后第四章讲述IPv6校园网的实现与应用,包括校园网的三种过渡技术以及实际的IPv6校园网的实现方法。
2IPv6及其相关技术介绍
2.1IPv6协议简介
InternetProtocolVersion6(IPv6),其中InternetProtocol表示“互联网协议”。
IPv6是互联网工程任务组(IETF:
InternetEngineeringTaskForce)设计的用来取代IPv4的下一代IP协议,它在解决IPv4所存在的一些问题和不足的同时还在许多方面作出了改进,例如路由、自动配置方面。
2.1.1IPv6新特性
IPv6是下一代IP协议版本,在它的众多新特点中,最突出的是它将原来的32地址空间扩展到了128位,即是原先长度的4倍。
拓展IPv6的地址空间的主要目的是为了解决在90年代初凸显出的IPv4地址空间将被迅速耗尽的问题。
IETF就利用这个机会提出了一个新版本的IP来克服现有的、已经意识到的IPv4的缺点。
IPv6在对身份验证和保密方面的创新使它对那些要求对敏感信息或资源进行特殊处理的商业应用更为适用[10]。
对包头的简化处理减少了在路由器上所需要消耗处理过程,因此提高了路由效率;同时,改良对包头的扩展和对选项的支持也使得其可以适应更多的特殊需求而几乎不影响不管是普通数据包和还是特殊包路由选择;流标记技术的研发为流提供了一种更加高效地处理数据包的机制,这种技术对于实时应用尤其有效;下面将具体讨论这些新特性。
(1)扩展地址
IPv6地址结构中除了把地址空间从32位扩展到128位外,还对主机可能获取的不同类型的地址的情况作了一些调整。
IPv4中用来确定一个网络接口的单播地址和用来确定由一个或多个主机侦听的组播地址大致相同。
在基于IPv6的地址空间中,目前的全球网络设备已分配的地址只占极小的一部分,有足够的剩余量可供将来的发展使用。
同时因为有充足的可用的地址空间,NAT之类的地址转换方法将不再需要。
(2)简化的包头
IPv6中包含总长为40字节的8个字段,其中两个是源地址和目的地址。
它与IPv4包头的差别在于,IPv4中包括至少12个不同字段,并且其长度在没有选项的时候是20个字节,但包含选项时最多可达到60个字节。
IPv6利用了固定格式的包头,并减少了那些需要检查或者处理的字段数量,这使得路由选择的效率更高了。
IPv6包头设计的最终原则是力争将包头的开销降到最低。
具体做法是将部分非关键性的字段或者可选字段移出包头,然后放在IPv6包头之后的扩展包头中。
所以虽然IPv6地址长度是IPv4地址长度的四倍,但其包头仅为IPv4包头的两倍。
因为包头的简化,使得IP的一些工作方式产生了变化。
一方面,所有的包头联队的长度,所以包头长度字段不再需要。
此外,可以删除一些在包头字段。
通过修改数据包碎片的规则。
IPv6中的分段只能由源节点进行:
该包所经过的中间路由器不能再进行任何分段。
而去掉IP头校验和不影响其可靠性主要是因为头校验和是由更高层协议如UDP和TCP等负责的。
(3)流
在IPv4中,对所有包基本都是同等对待处理,也就是表示每个包都是由中间路由器依照自身的方式来处理的。
路由器并不跟踪网络中任意两台主机间发送的包,所以不能准确“记住”如何对以后的包进行处理。
IPv6中出现了流的概念,流指的是从一个特定的源地址发向一个特定的目的地的包序列,而该过程中源点希望中间路由器对某些包进行特殊的处理[11]。
路由器要对流进行跟踪并保持一定的信息量,而这些信息在流的每一个包中都是不变的。
通过这种方法路由器可以对流中的包进行有效处理。
对流中包的处理可以与其它情况不同,但无论在那种情况下,对它们的处理都会更快,因为路由器不需要对每个包头都进行重新处理。
(4)身份验证和保密
IPv6要全面支撑IPSec,这就要求提供基于标准的网络安全解决方案,以便支持和提高不同的IPv6协议之间的相互协调的工作能力。
IPv6使用了两种安全性扩展,一种是IP身份验证头(AH),另一种是IP封装安全性净荷(ESP)。
IP身份验证头通过对包的可靠性的检测和评估来提供身份验证服务。
发送方计算报文概要并且把计算结果插到AH中,接收方根据收到报文的概要进行重新计算,再将计算结果与身份验证头中的数值进行对比。
若是两个数值相等,接收方就可以以此判断出数据在传输过程中并没有被改变;如果两个数值不相等,接收方也可以判断出该数据可能在传输的过程中遭到了破坏,又或者判断是被人进行了故意的篡改。
ESP不仅可以用来加密IP包的净荷,还可以在加密整个IP包以后以隧道的方式在Internet上传输。
它们的区别在于,是否只对包的净荷进行加密,如果是则包中的其他部分将被公开传输。
这也意味着破译者能够据此确定发送、接收主机及其他与该包相关的讯息。
利用ESP对IP进行隧道传输标志着要对整个IP包进行加密,然后再由安全网关将其封装在另一个IP包中。
通过这个方法,那些被加密的IP包中,所有细节都被隐藏起来。
(5)其它特性
IPv6选用聚类机制,定义了特别灵活的层次寻址以及路由结构。
同一个层次上的多个网络在上层路由器中表示为一个统一的网络前缀,这样可以显著减少路由器必须维护的路由表项。
在理想情况下,一个核心主干网路由器只须维护不超过8192个表项。
这大大降低了路由器的寻路和存储开销。
IPv6的邻居发现协议(ND:
NeighborDiscoveryProtocol)运用一系列的IPv6控制信息报文(ICMPv6)来实现相邻节点的交互管理。
ND以及高效的组播和单播邻居发现报文代替了以前基于广播的地址解析协议(ARP)、IPv4控制信息报文路由器发现以及ICMPv4重定向报文,增强了路由选择功能。
在IPv6中有很多特性和功能能够提升网络性能、改善路由选择控制。
在建立地址层次的时候更大的地址空间让我们的选择有了更大的灵活性[12]。
使用路由选择扩展头(RoutingExtensionHeader)还可以使源路由选择更加高效。
2.1.2IPv6数据包
IPv6数据包有两个主要的部分组成:
头部和负载。
包头位于包的前64比特,包含源地址和目的地址、协议的版本、分组长度、下一个头部、通信的类别、流标记、跳段数限制等。
包头又分为:
(1)Hop-by-Hop选项包头包含了分组传送过程中的每个路由器都需要检测和处理的特殊参数的选项。
其中,选项用于描述一个分组的某些特性或提供填充。
这些选项有:
Pad1选项(选项类型为0),填充单字节。
PadN选项(选项类型为1),填充2个以上字节。
JumboPayload选项(选项类型为194),用于传送超大分组。
路由器警告选项(选项类型为5),提醒路由器分组的内容需要进行特殊处理。
路由器警告选项主要用于组播收听者发现以及资源预定(RSVP)协议。
(2)目的地选项包头。
用于指出需要让中间目的地或最终目的地检测的信息。
其用法有两种:
如果有路由扩展头,那么路径中每一个中转路由器都要对这些选项进行处理。
如果没有路由扩展头,则只需最终目的节点需要对这些选项进行处理。
(3)路由包头
类似于IPv4的松散源路由,IPv6的源节点能够根据路由扩展包头来指定一个松散的源路由,即分组从信源到信宿过程中经过的中转路由器的列表。
(4)分段包头
提供分段和重装服务。
当分组长度大于链路最大传输单元(MTU)的时候,源节点需要负责对分组进行分段,而且在分段扩展包头中提供重装讯息。
(5)认证包头
用于数据源的认证、数据的完整性检测以及反重播保护。
认证包头并不提供数据加密服务,如果有需要加密服务的数据包,需要结合使用ESP协议。
(6)ESP协议包头
提供加密服务。
后面是负载,链路最大传输单元至少1280字节长,常见的以太网环境中为1500字节。
负载在标准模式下最大可为65535字节,如果扩展报头设置了"Jumbopayload"选项,则长度值被置为0[13]。
2.2IPv6地址体系结构
2.2.1IPv6地址结构
IPv6地址结构最早是在RFC1884中发表的,目前RFC2373已经取代了RFC1884,并对RFC1884的内容作了很多的更正和修改。
(1)IPv6地址的表示形式
用文本方式表示的IPv6地址有三种规范的形式:
首选的形式是:
XXXXX:
:
:
:
:
:
XXX,其中X是8个16位的地址段十六个十六进制值。
每一组数值前面的0都可以省略。
如0003写成3。
在分配IPv6地址时,会发生包含一长串0位的地址的情况。
为了简化含有0位地址的书写,可以利用“:
:
”来简化多个0位的16位组。
“:
:
”标记在一个地址中只可以出现一次。
在节点环境为IPv4和IPv6节点混合情况的时候,有时需要采用另一种表达形式,即X:
X:
X:
X:
X:
X:
Z.Z.Z.Z,按照IPv4标准表示X表示地址中6个高阶16位段的十六进制值,Z表示地址中4个低阶8位字段的十进制值。
(2)地址空间
IPv4地址与IPv6地址最大的差别在于长度的不同。
IPv4地址长度是32位,而IPv6的地址长度是128位。
这样IPv6就可以有2128个地址。
一个规范的IPv6地址由地址中的多个起始位表明,由这些起始报头位组成的长度可变的域被称为格式前缀(FP:
FormatPrefix)。
IPv6最初只使用了约15%的地址空间,其余的地址空间都被留做将来使用。
值得注意的是保留地址和未分配地址是不一样的,保留地址仅占地址空间的1/256,是用与非指定地址、回送地址、和嵌入IPv4地址的IPv6地址。
其余的保留地址是NSAP地址(FP=0000001),可以从ISO/OSI网络服务访问点(NSAP:
NetworkServiceAccessPoint)中获得。
IPX地址同样也保留下来(FP=0000010),这些地址可以从NovellIPX地址获得。
除了多点传送地址(FP=11111111)之外,格式前缀从001到111都需要EUI64格式中拥有64位的接口标识符。
2.2.2IPv6地址类型
在RFC3513中,仍然建议将IPv6地址分为单播、任播、组播三种类型。
在单播地址、组播地址和泛播地址中每种地址有一种或多种类型的地址。
(1)单播地址。
每一个单接口有一个标识符。
发往一个单播地址的包传递到由该地址标记的接口上。
RFC3513发起了新的IPv6全球单播地址通用格式如下表2-1所示:
表2-1IPv6单播地址格式
nbits
mbits
128-n-m
全球路由前缀
子网ID
接口ID
全局路由前缀是指派给站点(一组子网/链接)的值的典型的层次结构,标识一个子网的是一个网站的子网ID。
而IPv6单播地址中接口标识符的作用是用来确定链路上的一个接口的。
(2)任意播地址
任播地址是单播地址的集合,不属于同一节点的一组接口也可以有同一个标识符。
发送给任播地址的包传被送到该地址标识的、根据选路协议距离度量最近的一个接口上。
任播地址常常用于标识提供同样服务的节点集。
也就是将包发送给一个任播地址的节点,但并不在意由节点集中的哪一个节点来响应。
因为任意播地址中可能有多个成员都能响应对其链路层地址的请求。
现今,此类地址仅被分配给路由器用做目标地址使用。
(3)组播地址
组播地址是一种多点传送地址。
IPv6协议之所以没有定义广播地址,就是因为IPv6认为广播属于组播的一种特殊形式。
正常情况下属于不同节点的一组接口会有一个标识符。
发送给一个组播地址的包会被传递到该地址所标识的所有接口上。
IPv6组播地址是一组节点的标识符,一个节点可以属于任意数量的组播组。
组播地址格式,见下表2-2:
表2-2IPv6组播地址格式
8
4
4
112
11111111
flag
scop
组播
格式前缀为11111111,十六进制表示为FFXX:
:
/32,标识这种地址为组播地址。
请求节点地址:
FF02:
0:
0:
0:
0:
1:
FFXX:
XXXY
组播报文的目的地址使用D类IP地址,D类地址不能出现在IP报文的源IP地址字段。
单播数据传输过程中,一个数据包传输的路径是从源地址路由到目的地址,利用“逐跳”的原理在IP网络中传输。
然而在ip组播环中,数据包的目的地址不是一个,而是一组,形成组地址。
所有的信息接收者都加入到一个组内,并且一旦加入之后,流向组地址的数据立即开始向接收者传输,组中的所有成员都能接收到
数据包[14]。
组播组中的成员是动态的,主机可以在任
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