地址L 2003215063_杨新乾_基于IPv6的下一代校园网设计

分类号 TP393 U D C D10621-408-(2007) 6136-0密 级公开 编号 2003215063

成都信息工程学院

学位论文

基于IPv6的下一代校园网设计

论文作者姓名: 杨新乾

申请学位专业: 网络工程

申请学位类别: 工学学士

指导教师姓名(职称) : 张伟利副教授

论文提交日期: 2007年06月 01 日

基于IPv6的下一代校园网设计

摘 要

随着网络技术的快速发展作为Internet基石的TCP/IP协议族正进行着一场前所未有的变革。这场变革的起因是IPv4协议在面对Internet发展时出现越来越多的不足人们为解决这些不足提出用IPv6协议取代IPv4协议。 IPv6具有诸如海量地址、组播、邻居发现、 自动配置等许多新特性。然而 怎样实现IPv4向IPv6的平滑过渡以及怎样在现有IPv4网络上进行IPv6组网仍然是目前IPv4/IPv6混合组网的主要的问题。本文将以在IPv4网络上进行IPv6的组网为目的展开设计工作。

本文首先收集并分析国内外关于IPv6协议及IPv6过渡问题的最新资料分析IPv6新特性描述了IPv6协议的组件、特性等。并对目前常用的三种过渡技术双协议栈、隧道和IPv6/IPv4协议与地址转换进行分析比较。然后对校园网原有结构进行分析提出网络升级方案过渡期间的IPv4/IPv6的共存策略及如何在校园网中部署分配了便于管理的IPv6地址介绍了一个基于隧道技术的IPv6接入方案。构造了基于网络设备仿真软件的IPv6实验平台在实验中本着立足实际情况充分体现IPv6的特性的基础上结合DR大学IPv4校园网现状开展IPv6试验网实验与验证。

关键词 IPv6隧道技术双协议栈

The Design of Next Generation Campus Network Based on

IPv6

Abstract

With the rapid growth of computer networking technology, the TCP/IP protocolwhich suite as Internet foundation stone is preceding an unprecedented change thanever before.The wedge that leads this transform is a number of deficiencies whenIPv4 protocol faces up to the requirement of Internet development. In order to copewith this issue,people think to replace IPv4 by IPv6. Since IPv6 protocol has manynew merits such as the great capacity for address, group broadcast, neighbor detect,automatic scheme as so on.Nevertheless, a question comes up that How to carry outsmooth transition from IPv4 to IPv6 along with How to organize the IPv6 at theexisting IPv4 network base,which these papers is going to cover over.

First of all, in this paper, the author collects and analyzes the latestdomestic-overseas information about the transition from IPv4 to IPv6 and studiesIPv6's new merits.Then the author depicts the modules, traits as well as routed androuting protocols based on IPv6.whereafer, through the analysis in customary campusnetwork structure,We are going to provide the network up grade scheme, the methodof deploying the coexisting policy connected IPv4/IPv6 in the process of transition,and the introduction about access connection of IPv6 tunnel techniques.With the IPv6simulator’s experimental platform, in the purpo se of revealing the IPv6 merits,basedon DR existing IPv4 campus network, the implementations and authentications areevolved into the development of IPv6 layout and construction.

Key words IPv6 Tunnel Technology Dual Stack

目 录

论文总页数 34页1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1. 1 选题的意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2 所做的工作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

2 IPV6协议分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2. 1 IPV6协议. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2. 1. 1 IPv6地址书写表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2. 1.2 单播组播任意播. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2. 1.3 ICMPv6数据报. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2. 1.4 邻居发现协议. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

3 IPV4/IPV6的过渡策略及技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

3. 1 过渡策略. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

3.2双协议栈. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

3.3隧道. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4建设原则及原有网络分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4. 1建设原则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4.2描述DR大学原有校园网. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

4.3原有网络问题分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

5 升级工程方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5. 1 需求分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5.2 IPV4/IPV6工程升级的方向. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5.3 三步部署IPV6校园网方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5.3. 1 通过隧道方式接入IPv6 Cernet2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

5.3.2 网络管理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

5.3.3 学生公寓的流量工程设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

5.4交换机基础性能需求计算及连接方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

5.5设备配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

6 为下一代校园网分配IP地址. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

6. 1 IP地址需求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

6.2 DR大学IPV6地址规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

6.2. 1 基于地域的规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

6.2.2 基于业务应用的规划. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

6.2.3 结合应用业务规划的方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

7 实验平台的构建与实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

7. 1组网手段与分析方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

7. 1. 1 关于Dynamips网络设备仿真软件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

7. 1.2 实验平台前期准备. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

7. 1.3 登陆到实验设备,实现与仿真软件通信. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

7.2 IPV6 OVER IPV4手工隧道实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

7.3 OSPFV3实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

8 预算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30

结 论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

致 谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

声 明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

1 引言

IPv6被称为是下一代网际协议。互联网的协议和技术是在20世纪70年代和80年代时发展起来的 目前一直使用的互联网协议是IPv4。但由于网络的发展现行的IPv4己越来越不能满足各种网络应用的需要了产生了许多制约网络发展的瓶颈。面对这些事实我们现在要做的工作已经不是去讨论需不需要替换现有协议的问题了而是应该研究如何安全地、渐进地、无伤害地由基于IPv4的现有网络过渡到下一代IPv6网络。因此本文从互网的历史和发展入手结合DR大学的网络升级工程通过对IPv4协议和IPv6协议基本原理的分析对从IPv4到IPv6的过渡技术与实现做一些应用研究。

1. 1选题的意义

随着网络应用的发展以及各个高校规模的不断扩大网络用户群数目不断的增加校园网的压力越来越大主要表现在以下几个方面:

(1)网络带宽瓶颈随着校园网上信息资源的不断丰富、应用平台的不断增加、用户数量的不断增大原有的网络带宽已经不能满足信息流量增长的需要。特别是随着多媒体网上教学、视频点播等应用的兴起对网络带宽的需求迅猛增加。网络带宽己经成为制约校园网新兴业务开展的瓶颈。

(2)安全和管理问题学生用户的网络行为有别于其他网络用户增加了管理和安全方面的难度。

(3)多业务需求许多新的教学科研项目的开展需要校园网在多业务性上给予支持。例如对MPLS VPN, IPv6的支持更强大的QoS保障更好的IP VPN业务等。特别是随着CNGI工程的开展大学对IPv6实验网的需要会逐渐增大需要校园网对IPv6提供强有力的支持。为了缓解以上的压力现有校园网络需要改造成新型的校园网络。下一代校园网(NGeN)是现有校园网络发展的必然趋势其核心是“业务驱动”并且拥有高带宽和高存储量、全设备应用、 IPv6的应用、更多地关注运营管理、支持多业务的运行。这就说明在下一代校园网中IPv6技术必将作为核心的技术被使用。

综合上述分析可以看出IPv6发展将是全方位的网络技术升级而且结合校园网向IPv6过渡策略的理论进行研究与探讨组建下一代校园网对今后大规模IPv6商业网络部署实施具有积极的参考价值。

1.2所做的工作

阐述下一代网络协议IPv6的发展历史及其优越性;

介绍IPv6协议基本概念 了解IPv6寻址、 ICMPv6机制、邻节点发现等进行初步分析。

对IPv4到IPv6的过渡技术进行分析特别是对现在使用得较多的双协议

栈技术、隧道技术和翻译转换技术进行研究探讨其机理。

给出校园网向下一代网络过渡的过渡策略那些因素会促进IPv6的部署。

描述一个校园网原有的网络原形分析其特点得出网络升级的需求分析提出升级工程的原则。

以DR大学为例探讨校园网IPv6的应用。

分析出校园网信息点IPv6地址的需求量结合RFC的地址管理建议和Cernet2对地址的管理规则为该校园网分配便于管理的IPv6地址。

通过Dynamips路由器模拟软件搭建IPv6的实验平台结合校园网应用特点完成典型IPv6技术在校园网中部署的关键实验实现IPv6在校园网中部署的基本功能。

2 IPv6协议分析

2. 1 IPv6协议

IPv6在解决IPv4遇到的问题方面做了许多改进。本节将对IPv6地址 ICMPv6机制邻居发现机制等进行分析。

2. 1. 1 IPv6地址书写表示

IPv4地址长度为32比特(4字节) 。书写IPv4地址时采用点分十进制例如:210.35.243.254。为实现IP协议的平滑过渡对128比特长的IPv6地址定义相似的表示方法十分必要。考虑到IPv6地址长度是IPv4的四倍 RFC 1884规定的标准语法建议把IPv6地址的128比特(16字节)书写成8个16位的无符号整数每个整数用四个十六进制位表示这些数之间用冒号(: )分开如:2001 :250:eeff:0243:02fd:00ff:fe00:0a39

IPv6格式前缀( FP, Format Prefix)的表示和IPv4地址前缀在CIDR中的表示方法类似。比如2001:250:eeff: :/48表示一个前缀为48位的网络地址空间。此外与IPv4不同 IPv6中的全0和全1表示都是合法的。

2. 1.2单播组播任意播

RFC3513中仍然建议IPv6地址分为单播、任播、组播三种类型。

(1)单播地址。

一个单接口有一个标识符。发送给一个单播地址的包传递到由该地址标识的接口上。 RFC3513建议了新的IPv6全球单播地址通用格式如下所示:

表2-1全球单播地址通用格式

全球路由前缀是分配给站点(一组子网/链接)的一个典型层次结构值子网ID是一个站点内子网的标识。 IPv6单播地址中的接口标识符是用来确定链路上一个接口的。 RFC3513建议所有的单播地址(除了以二进制000开头的地址外)都有64位接口ID并具有改进EUI-64格式的结构 即建议n+m=64,

(2)任意播地址

任播地址表示单播地址的集合。属于不同节点的一组接口可以有一个标识符。发送给一个任播地址的包传送到该地址标识的、根据选路协议距离度量最近的一个接口上。通常任播地址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并不在意由节点集中的哪一个来响应因为任播地址的多个成员都可能响应对其链路层地址的请求。目前此类地址仅被用做目标地址且仅分配给路由器使用。

(3)组播地址

组播地址是一种多点传送地址。 IPv6协议没有定义广播地址 IPv6认为广播是组播的一种特殊形式。一般属于不同节点的一组接口有一个标识符。发送给一个组播地址的包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一个节点可以归属于任意数量的组播组。组播地址格式

表2-3组播地址格式

格式前缀为1111 1111 (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

如本IPv6协议分析中地址解析使用FF02: : 1 :FF00:2来获得对方主机的MAC地址。

2. 1.3 ICMPv6数据报

IPv6 中另外一个非常重要的数据报类型是ICMPv6(Internet ControlMessage Protocol version 6) 。在IPv4中 ICMP可以看成是IP层的一部分。因IP协议不保证数据包传递的可靠性所以当数据包在网络中被抛弃时有必要

将数据包未到达情况由发现错误的主机或路由器通知信源。此外在数据包发送前可以确认目标是否存在或查看路由器的状态。 ICMPv6具备IPv4的ICMP基本功能废除了一些过时消息类型并提供一个简单的故障排除回应服务。ICMPv6数据报在数据祯中的位置如下所示:

MAC Header/ IPv6 Header/ ICMPv6 Header/ ICMPv6 Message

2. 1.4邻居发现协议

邻居发现协议是IPv6协议的一个组成部分它解决同一链路上节点之间的互操作问题。邻居发现协议定义了解决如下一些问题的机制:

(1)地址自动配置节点为自身的网络接口配置IPv6地址与之关联的有重复地址检测机制等。

(2)地址解析 由其它节点的IPv6地址得到其链路层地址。

(3)路由发现主机发现同一链路上的路由与之关联的还有参数发现、前缀发现等机制。在隧道实验配置中在Cisco路由器上使用debug ipv6 icmpdebugipv6 packets可以观察邻居发现的具体操作过程

在路由器上使用ping命令观察Debug输出观察ICMP echo的操作过程。

图2-3 ICMP ECHO操作