重慶郵電大學碩士論文摘要 摘要 i p v 4 協(xié)議發(fā)展至今已有三十余年的歷史，在這三十年中可以說它取得 了巨大的成功，且被證明是技術(shù)成熟的、容易實現(xiàn)且具有良好互操作性的 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但隨著i n t e r n e t 越來越廣泛的應(yīng)用，快速增長的i n t e r n e t 連接要 求和語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻、多媒體等不斷增加的新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，使得 i p v 4 網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷造成了地址空間缺乏、路由表急劇膨脹、缺乏對移動 和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的支持等一系列問題，其中一個最突出問題是i p v 4 地址空 間耗盡問題。 解決i p v 4 地址空間耗盡問題的方法主要有兩種：一種是設(shè)計全新的 i p 協(xié)議，另一種是在i p v 4 的基礎(chǔ)上打補丁。i p v 6 協(xié)議雖然能給互聯(lián)網(wǎng)帶 來更多的地址資源，但是如果用i p v 6 來替代現(xiàn)在所有網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點中運 i p v 4 ，那么這些網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點和主機都必須升級，這是一件不可能在 一夜之間完成的事情，i p v 4 打補丁的方法只能在某些網(wǎng)絡(luò)中運用，并不能 很好的解決i p v 4 的不足。 基于以上觀點，本文提出一種新的i p v 4 的運用，本方案是將i p 尋址方 式與e 1 6 4 編碼方式融合從而產(chǎn)生一種新的尋址方式。這種新的尋址方式能 既不影響現(xiàn)行的i p 網(wǎng)絡(luò)與e 1 6 4 網(wǎng)絡(luò)的正常運行，又能解決i p v 4 的地址資源 即將耗盡，i p 分配不均等問題，而且能發(fā)揮e 16 4 尋址方式的優(yōu)勢，簡化路 由表，使數(shù)據(jù)流動更為合理，減輕網(wǎng)絡(luò)負擔。本文首先分析了i p v 4 網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議的特點，并針對i p 編址原則和e 1 6 4 編碼思想進行了研究，從而提出了i p 與e 16 4 尋址方式融合，然后設(shè)計了融合地址和融合路由方案，并對此新方 案的思想以及路由規(guī)則進行分析。最后在n s 2 仿真平臺上的仿真結(jié)果表 明，此融合路由算法是可行的，并且能夠避免路由迂回，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。 關(guān)鍵詞：i p v 4 ，i p v 6 ，e 1 6 4 ，尋址方式 a b s t r a c t i p v 4p r o t o c o lh a sb e e nm o r et h a n3 0y e a r so fh i s t o r y i nt h e3 0y e a r si th a s a c h i e v e dt r e m e n d o u ss u c c e s s a n di th a db e e n p r o v e nw h i c hw a sam a t u r i t yo f t h et e c h n o l o g ye a s yt o i m p l e m e n ta n dh a sag o o dn e t w o r ki n t e r o p e r a b i l i t y p r o t o c 0 1 h o w e v e r ，a st h ei n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n so fi n t e r n e t a n dt h er a p i dg r o w t ho fi n t e r n e tc o n n e c t i v i t yr e q u e s t ，a n ds p e e c h ，d a t a ，i m a g e ， v i d e o ，m u l t i m e d i aa n do t h e rg r o w i n gn e wb u s i n e s st h e r ec a u s e dt h ei n h e r e n t d e f e c t so fi p v 4n e t w o r km a k ea d d r e s s s p a c ee x h a u s t i o na n dr o u t i n gt a b l e r a p i de x p a n s i o na n do t h e ri s s u e s t h e r ea r em a i n l yt w ow a y st os o l v et h ep r o b l e mo fi p v 4a d d r e s s e ss p a c e e x h a u s t i o n ：d e s i g nan e wi pp r o t o c o lo rr e p a i ri p v 4 t or e s o l v et h ei p v 4 a d d r e s ss p a c ee x h a u s t i o nr o u t i n gt a b l e e x p l o s i o n ，n e t w o r km a n a g e m e n ta n d o t h e rp r o b l e m s e i t fi s s u e di p v 6 i tb e l o n g st ot h ef i r s tm e t h o d f o rt h es a m e p u r p o s e ，t h ep r i v a t ei pa d d r e s s ，d h c p , n a ta n do t h e rn e ww a y st ou s et h ei p a d d r e s sb e l o n g st ot h es e c o n dm e t h o d i p v 6p r o t o c o lc a nb r i n gm o r ei n t e r n e t a d d r e s sr e s o u r c e s ，b u ti fy o ua r eu s i n gi p v 6t o r e p l a c ea l lt h ei p v 4n o d e si n t h en e t w o r k ，a l lo ft h en e t w o r kn o d e sa n dt h eh o s tm u s tb eu p g r a d e d i ti s i m p o s s i b l et ob ec o m p l e t e di no n ed a y r e p a i ri p v 4o n l yc a nb eu s e di ns o m e n e t w o r k ，a n dc a nn o tr e s o l v e di p v 4s h o r t c o m i n g s b a s e do nt h ea b o v ep o i n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wi p v 4u s e t h i s p r o j e c ti san e wp r o j e c tw h i c hc o n v e r g e n c ei pa d d r e s s i n gm o d e sa n de 16 4 c o d i n ga n dc r e a t i n gan e wa d d r e s s i n gm o d e t h en e wa d d r e s s i n gm o d e sc a n n e i t h e ra f f e c tt h ee x i s t i n gi pn e t w o r ko rt h ee 16 4n e t w o r k i tc a ns o l v et h e p r o b l e mo fi p v 4a d d r e s s e sw i l lb ed e p l e t e da n dt h eu n e q u a ld i s t r i b u t i o no fi p i s s u e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei p v 4n e t w o r kp r o t o c o la t f i r s t t h e np r e s e n t si pa n de 16 4a d d r e s s i n gm o d ec o n v e r g e n c ed i s c u s si p a d d r e s s i n gp r i n c i p l ea n de 16 4c o d i n ga n dd e s i g nc o n v e r g e n c ea d d r e s sa n d c o n v e r g e n c er o u t i n gt h e na n a l y s i st h i sn e wp r o g r a ma n dr o u t i n gr u l e s a tl a s t t h er e s u l to nt h en s - 2s h o w st h a tc o n v e r g e n c eo f r o u t i n ga l g o r i t h mi sf e a s i b l e a n dt oa v o i dc i r c u i t o u sr o u t i n g ，a n di m p r o v en e t w o r ku t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：i p v 4 ，i p v 6 ，e 16 4 ，s e a r c h i n ga d d r e s s 重慶郵電大學碩士論文第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 目前的全球因特網(wǎng)所采用的協(xié)議族是t c p i p 協(xié)議族【1 1 1 2 1 1 3 l 。d 是t c p i p 協(xié)議族中網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，是t c p i p 協(xié)議族的核心協(xié)議。目前i p 協(xié)議的版本號是 4 ( 簡稱為i p v 4 ) ，是“互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第四版”，發(fā)展至今已經(jīng)使用了3 0 多年。經(jīng)過多 年的發(fā)展和完善，i p v 4 被證明是技術(shù)成熟的、容易實現(xiàn)且具有良好互操作性的網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議，可以說它取得了巨大的成功。i p v 4 的地址位數(shù)為3 2 位，也就是有大約 4 3 億個地址。近十年來由于互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，快速增長的i n t e r a c t 連接要求 和語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻、多媒體等不斷增加的新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，當前的i p v 4 網(wǎng)絡(luò)的固有缺陷已經(jīng)造成了地址空間缺乏、路由表急劇膨脹、缺乏對移動和網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)質(zhì)量的支持等一系列問題，為解決這些問題，e i t f 發(fā)布了i p v 6 n ，私有i p 地 址【5 1 、d h c p l 6 、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換( n a t ) t 7 l 等新的i p 地址使用方法等。 6 0 年代末，i n t e m e t 在美國誕生的時候，只是作為美國軍方的一個研究項目， 并未考慮民用或日后將有大量的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。在8 0 年代末，人們估計將來只會 有十萬個網(wǎng)絡(luò)接入m e t 【6 1 。i p v 4 根據(jù)所支持的網(wǎng)絡(luò)數(shù)和主機數(shù)的不同，又將地 址分為a 、b 、c 、d 、e 這幾類【9 】。由于對互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的速度估計不足，在互聯(lián)網(wǎng) 的初期，人們認為地址空間非常充裕，因此往往一個公司或大學就能獲得一個a 類或b 類地址。但是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動上網(wǎng)和信息家電等新應(yīng)用的出現(xiàn)， 對i p 地址的需求也呈指數(shù)級的增長。雖然人們認識到i p v 4 地址資源有可能不足之 后，采取了c i d r 1 0 1 、v l s m t l l l 【1 2 1 、私用i p 地址【1 3 1 ，以及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換( n a t ) t 1 4 1 等補救措施，但終究無法根本解決i p v 4 地址匾乏的問題。但是這些技術(shù)引入以后， 將i p v 4 地址分配曲線放緩了l o 年。過去曾經(jīng)有多次預測i p 地址將在上世紀末或 本世紀初分配窮盡，但都沒有成為事實。這是因為，i n t e m e t 不斷采納吸收新的技 術(shù)，況且i n t e m e t 本身非常具有彈性。但是情況任然不容樂觀，2 0 0 2 年8 月中國電 信的沈軍在一篇文章中報告，根據(jù)統(tǒng)計，亞太地區(qū)最近六個月的地址消耗率為3 4 3 個b 類地址月，且這個數(shù)字呈逐月上升的趨勢。目前全球可用地址己經(jīng)不足半數(shù)， 據(jù)專家估計，按現(xiàn)在的消耗速度，網(wǎng)絡(luò)地址分配數(shù)每1 2 個月增加一倍，各類地址 即將分配完【i 。 無論是悲觀或是樂觀的預測；i p v 4 地址空間的分配用盡都是在不遠的將來我 重慶郵電大學碩士論文 、 第一章緒論 們必須面對的一個事實。i p v 4 地址空間的不足已經(jīng)成為引入新的m 協(xié)議的最直接 原因。另外，i n t e m e t 還面臨著如下主要問題，由于i p v 4 的地址分級結(jié)構(gòu)不完善而 使得路由表膨脹，以及由于地址緊缺而導致的地址分配機構(gòu)分配的地址比較分散， 使得各級路由器的路由表難以很好地聚合，路由表的路由條數(shù)在不斷的增長?，F(xiàn) 在全球路由表有近2 3 萬剩1 6 1 ，比三年前幾乎翻了一倍。龐大的路由表使得路由器 在尋路時的負載劇增和工作效率大大降低。從i n t e m e t 主干路由器b g p 轉(zhuǎn)發(fā)表( f i b ) 長度變化歷史趨勢可以看到，轉(zhuǎn)發(fā)表長度從1 9 8 9 年的不足1 0 0 0 條，幾乎線性地 增長到9 8 年的5 萬條，然后急劇地增長到2 0 0 5 年末的2 5 萬條【1 7 】。而且網(wǎng)絡(luò)管理 變得越來越復雜，隨著i n t e m e t 的不斷擴張，越來越多的主機接入i n t e m e t ，而i p v 4 難以實現(xiàn)節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)和地址自動配置等功能，給網(wǎng)管理帶來了巨大的壓力。而 i p v 4 在7 0 年代末設(shè)計的時候不可能預見到所有這些因素。 現(xiàn)在流行的i p v 6 是下一版本的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，也可以說是下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議， 它的提出最初是因為隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，i p v 4 定義的有限地址空間將被耗盡， 地址空間的不足必將妨礙互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。為了擴大地址空間，完善口v 4 的 諸多不足，從而產(chǎn)生了i p v 6 協(xié)議。i p v 6 采用1 2 8 位地址長度，幾乎可以不受限制地 提供地址。按保守方法估算i p v 6 實際可分配的地址，整個地球的每平方米面積上 仍可分配1 0 0 0 多個地址【l m 【1 9 1 。 7 雖然i p v 6 是在i p v 4 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但是兩者并不兼容，如果用i p v 6 來替代現(xiàn)在所有網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點中運行的i p v 4 ，那么這些網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點和主機都 必須升級，在大部分網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，從i p v 4 到i p v 6 必須通過一些復雜的機制進行互 通，并且i p v 4 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)投入了大量的資金，不可能在短時間內(nèi)更換i p v 6 設(shè)備，這 需要投入大量的人力與財力，所以用i p v 6 替換i p v 4 這是一件不可能在一夜之間完 成的事情，而是一個長期的、漸近的過程。 而基于i p v 4 打補丁的方法c i d r 、私有i p 地址、d h c p 、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換( n a t ) 等只能適用于某些特定的場合，只是一些增加現(xiàn)有i p 地址使用率，并沒有在實際 上增加i p 地址。所以這些方法并不能徹底解決i p 地址匱乏的問題。 因此，尋找一種新的尋址方式，變得現(xiàn)實而又有意義。本文提出的融合尋址 方式能夠提供足夠的i p 地址，緩解路由迂回，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，并且實現(xiàn)簡單， 只需簡單添加少部分軟硬件。不需要大規(guī)模更換設(shè)備，就能運用到現(xiàn)行的i p v 4 網(wǎng) 絡(luò)中。本融合方案是一次對i p 地址設(shè)計的大挑戰(zhàn)，需要在盡量兼容現(xiàn)行的i p v 4 網(wǎng) 絡(luò)的基礎(chǔ)上按照i p 編址原則拓展i p 地址，同時還要考慮到路由表不能因為i p 地 址的增加而過度膨脹的問題。此問題是i p 尋址設(shè)計中的一大難題，本文主要是提 供一種思路，是一種前沿的、探路性的研究。 2 重慶郵電大學碩士論文 第一章緒論 1 2 研究現(xiàn)狀 解決i p v 4 地址不足，以及路由表膨脹等一系列問題的方法大致可以分為兩 類，一類在i p v 4 的基礎(chǔ)上打補丁，如c i d r 、v l s m ，私用i p 地址等。另外一類 就是i p v 6 協(xié)議。早在9 0 年代初期，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ，i e t f ) 就開始著手下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議( i p t h en e x tg e n e r a t i o n ) 的制定工作。i e t f 進行了征求新的i p 協(xié)議的呼吁，并且公布了新的協(xié)議需要實現(xiàn)的主要目標： 1 ) 支持幾乎無限大的地址空間 2 ) 減小路由表的大小 3 ) 簡化協(xié)議，使路由器能更快地處理數(shù)據(jù)包 4 ) 提供更好的安全性，實現(xiàn)i p 級的安全 5 ) 支持多種服務(wù)類型，尤其是實時業(yè)務(wù) 6 ) 支持多目傳送，即支持組播 7 ) 允許主機不更改地址實現(xiàn)異地漫游 8 ) 支持未來協(xié)議的演變 9 ) 允許新舊協(xié)議共存一段時間 、 1 0 ) 支持未來協(xié)議的演變以適應(yīng)底層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或上層應(yīng)用環(huán)境的變化 1 1 ) 支持自動地址配置 為解決上述問題，i e t f 在1 9 9 5 年發(fā)布了i p v 6 。由于i p v 6 與i p v 4 的互操作 在多數(shù)老的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上還難以實現(xiàn)，i p v 6 尚未獲得原來預期的廣泛應(yīng)用。i n t e m e t 的體系結(jié)構(gòu)從1 9 6 9 年i n t e r a c t 的雛形誕生以來，到1 9 8 2 年采用t c p i p 協(xié)議族， 直到今天，始終是不斷變化，演進的。a c ms i g c o m m 等關(guān)于網(wǎng)絡(luò)研究的會議上 每年都有非i p v 6 體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)方面的文章發(fā)表。盡管已經(jīng)發(fā)布了i p v 6 協(xié)議，對 i n t e r n e t 體系結(jié)構(gòu)改進的其它模型仍然不斷被提出。 y a n g 在a c ms i g c o m m 0 3 的文章【2 0 1 提出一種新的i n t e r a c t 路由架構(gòu)( n m a ) 。 n i r a 提供給終端用戶選擇數(shù)據(jù)包需要穿越的s i p 網(wǎng)絡(luò)的能力。文章探索了用戶如 何發(fā)現(xiàn)路由，路由的動態(tài)狀況是否滿足他的要求，如何有效地表示路由等問題。 n i r a 使用一種層次的，以提供者為根的尋址方案，這樣，域?qū)哟紊系穆酚煽梢杂?效地用一對地址表示。在n i r a 中，每個用戶維護提供通行服務(wù)的提供者的拓撲 信息。源按需檢索宿的拓撲信息并與自己的拓撲信息組合來發(fā)現(xiàn)端到端的路由。 這個路由發(fā)現(xiàn)過程保證每個用戶不必知道i n t e r a c t 的整個拓撲。 c l a r k 等人在a c ms i g c o m m 0 3 的文章【2 1 l 介紹了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概念， a f r a ( f o r w a r d i n gd i r e c t i v ea s s o c i a t i o na n d r e n d e z v o u sa r c h i t e c t u r e ) ，定義了一個非 重慶郵電大學碩士論文 第一章緒論 常具有一般性和靈活性的抽象模型，該模型將終端系統(tǒng)的名字與網(wǎng)絡(luò)地址解耦 ( d e c o u p l i n g ) 。該文探討了a f a r 的意義，以及能夠從a f a r 派生的架構(gòu)實例的范 圍。作為例子，文章概述了一個派生架構(gòu)，m a f r a ，該架構(gòu)支持一般的移動性和 多域( m u l t i p l er e a l m s ) 網(wǎng)絡(luò)尋址。 c r o w c r o f t 等人在a c ms i g c o m m 0 3 的文章1 2 2 和p e t e r s o n 等人在2 0 0 5 年的 文章說明了未來的i n t e r n e t 應(yīng)該采用多樣化( p l u r a l i s m ) 的協(xié)議體系?，F(xiàn)在的i n t e m e t 架構(gòu)對于未來的情況是不足的己經(jīng)成為廣泛共識，如，地址空間短缺、移動性和 非通用的連接等情況。并且情況會隨著無線，a d 。h o t 傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及而惡化。 c o r w c r o f t 等人提出一種互連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，p l u t a r c h 。p l u t a r c h 包容現(xiàn)有的i n t e m e t 架構(gòu)， 但讓網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性( h e t e r o g e n e i t y ) 顯式化。 s t o i c a 等人在a c ms i g c o m m 0 2 的文章提出f 2 3 j 一種基于o v e r l a y 的i n t e m e t 間接基礎(chǔ)架構(gòu)( i n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 。在這種架構(gòu)中，不是將數(shù)據(jù)報直 接發(fā)送到目的地址，每個數(shù)據(jù)報與一個標識符關(guān)聯(lián)，用這個標識符來傳遞數(shù)據(jù)報。 這種間接發(fā)送將發(fā)送與接受過程解耦，可以有效地支持廣泛的通信服務(wù)。 r a m a s u b r a m a n i a n 等人在a c ms i g c o m m 0 4 的文章指出1 2 4 j ，因為現(xiàn)有d n s ( d o m a i nn a m es y s t e m ) 的結(jié)構(gòu)缺陷，名字解析較慢并且易受拒絕服務(wù)攻擊，并且不 支持快速更新。提出一種新的名字服務(wù)，合作式d n s ( c o d n s ) ，通過主動緩存支 持高性能查詢，通過自動負載平衡防止拒絕服務(wù)攻擊，以及快速更新。 r a t n a s a m y 等人在a c ms i g c o m m 0 5 的文章【2 5 】指出，i n t e m e t 架構(gòu)需要改變 是一個廣泛的共識，指出什么因素使i n t e r n e t 可以演化，以及通過微小的修改就可 使現(xiàn)在的i n t e r n e t 成為可以演化的。 上述工作說明，即使是在i p v 6 發(fā)布十余年后的今天，非i p v 6 體系結(jié)構(gòu)的i p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究仍然是活躍的，有價值的，本文的研究主題即是一種非i p v 6 體系結(jié) 構(gòu)的新的尋址方案。 1 3 論文結(jié)構(gòu) 本文所做的工作是非i p v 6 體系結(jié)構(gòu)的i p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究，是對i p v 4 協(xié)議中i p 地址分配方式的一種改進，主要是用e 1 6 4 編碼思想將e 類i p 地址擴充。并對擴 充后的i p 地址的路由尋址方式進行研究設(shè)計，并且在n s 2 仿真平臺上對設(shè)計結(jié) 果進行仿真實驗。最終的研究目的是實現(xiàn)能讓擴充后的融合地址不影響其他各類 地址運用，并且不更換過多硬件就能實現(xiàn)在i p v 4 網(wǎng)絡(luò)上運用。由于此地址擴充方 案融合了e 1 6 4 編碼思想，能將e 1 6 4 編碼方式的優(yōu)勢繼承，所以也達到擴充了i p 地址卻又相對簡化了路由的目的。 4 重慶郵電大學碩士論文 第一章緒論 本文的總體結(jié)構(gòu)大體分為四部分：第一部分為理論研究，主要包括第一至第 二章；第二部分為協(xié)議研究及設(shè)計方案，主要包括第三至第四章；第三部分為仿 真實驗，主要包括第五章；最后第六章是總結(jié)全文。具體內(nèi)容安排如下： 第一章：緒論，首先簡單介紹了融合尋址方案的研究背景及研究現(xiàn)狀，接著 闡述了本文要研究和解決的問題。 第二章：i p v 4 協(xié)議研究。詳細介紹了i p 體系結(jié)構(gòu)、i p 地址分類以及當今m 地址的分配現(xiàn)狀，并且對i p 地址匱乏進行了研究。 第三章：融合尋址方案的總體設(shè)計。該部分首先介紹了i p 編址的原則，以及 e 1 6 4 編碼方式，分析其主要優(yōu)點。然后概述了i p 路由技術(shù)，其中詳細分析了i p 路由技術(shù)中的尋址技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出融合尋址方案的主要思想，以及融合尋 址方案的總體設(shè)計方案。 第四章：融合尋址方案的詳細設(shè)計。該部分首先分析了e 類地址的可用性， 隨后對融合地址以及融合路由方式進行設(shè)計，提出融合路由算法，最后對此融合 方案的優(yōu)勢進行分析。 第五章：基于n s 2 的融合尋址方案的仿真。該部分首先闡述了n s - 2 仿真工 具的特點，然后分別對固定節(jié)點數(shù)和動態(tài)節(jié)點數(shù)的融合路由模型進行仿真。最后 對仿真實驗的結(jié)果進行分析。 第六章：總結(jié)及未來的工作?？偨Y(jié)全文，分析并指出下一步研究的重點，以 及需要進一步改進的工作。 5 重慶郵電大學碩士論文 第二章i p v 4 協(xié)議研究 2 1i p 體系結(jié)構(gòu) 第二章i p v 4 協(xié)議研究 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 協(xié)議是t c p i p 協(xié)議族中兩個最重要的協(xié)議之一。i p 協(xié) 議是以信息包為基礎(chǔ)的分層通用組網(wǎng)協(xié)議，其作用是將網(wǎng)絡(luò)中不同計算機上的應(yīng) 用程序進行通信，它位于o s i 七層模型中的網(wǎng)絡(luò)層 2 6 1 。與m 協(xié)議在同一層中配 套使用的還有三個協(xié)議：地址解析協(xié)議a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) ；逆地址 解析議r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) ；i n t e m e t 控制報文協(xié)議i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 。i p 協(xié)議通過計算機網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)、處理尋址、 分割、拼接及協(xié)議信號分解。m 協(xié)議是所有其他協(xié)議套件的基礎(chǔ)，作為網(wǎng)絡(luò)層 協(xié)議，p 包含尋址和控制允許數(shù)據(jù)報( d a t a g r a r n ) 傳遞的信息。在i p 協(xié)議棧中，傳 輸層提供了兩種選擇，即t c p 和u d p 。前者是一種可靠的傳輸協(xié)議，而后者是一 個更為基本的協(xié)議，只提供多個應(yīng)用程序之間的“多路分用 。兩個傳輸協(xié)議都把 應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)認為是“不透明 的。在傳輸層之下就是i p 層。i p 傳送t c p 片段 或者u d p 數(shù)據(jù)報，也是把數(shù)據(jù)作為不透明的數(shù)據(jù)進行處理，不用知道t c p 或者 u d p 的任何操作，和所傳送的數(shù)據(jù)。i p 數(shù)據(jù)報由i p 包頭和高層傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議組成。 當i p 實體需要通信時，它們將使用任意數(shù)量的低層子網(wǎng)技術(shù)來完成所需操作。各 種媒體使用路由器進行互連，這些子網(wǎng)都有自己內(nèi)部的地址格式和幀格式。有些 子網(wǎng)技術(shù)既有頭字段也有尾字段，而有些只用一個頭來封裝i p 。i p 地址是網(wǎng)絡(luò)中 的一個重要的概念，包括i p v 4 ( i n t e m e tp r o t o c o lv e r s i o n4 ) 的縮寫地址和i p v 6 ( i n t e m e t p r o t o c o lv e r s i o n6 ) 地址。現(xiàn)在我們通常所說的“m 地址 指i p v 4 地址。i p v 4 協(xié)議 規(guī)定，每個互聯(lián)網(wǎng)上的主機和路由器都有一個唯一的i p 地址以互相區(qū)分和互相聯(lián) 系。只有有了i p 地址后，網(wǎng)絡(luò)中的主機才能向別的主機發(fā)送數(shù)據(jù)信息，也才能接 收別的主機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。地址的結(jié)構(gòu)使我們可以在互聯(lián)網(wǎng)上很方便地尋 找某臺主機并和它進行數(shù)據(jù)交換，這才能成為互聯(lián)網(wǎng)，充當人們之間信息交流和 溝通的媒介。因此i p 地址構(gòu)成了整個i n t e m e t 的基礎(chǔ)，是互聯(lián)網(wǎng)中的個最基本 也最重要的資源。 并且i p v 4 采用基于類別的編址方式，將p 地址分為a 、b 、c 、d 、e 五類， 并且每個i p 地址都包括兩個部分：網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址，它們合在一起使終端能 夠得到唯一而精確的標識。i p v 4 的這種編址方式是在i n t e m e t 發(fā)展早期缺少數(shù)據(jù)的 6 重慶郵電大學碩士論文第二章i p v 4 協(xié)議研究 基礎(chǔ)上建立起來的。因此這種體系結(jié)構(gòu)本質(zhì)上更合理，而不是實用。這種缺陷使 得各類地址有著巨大的差別，c 類規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)提供2 5 5 個主機地址。但是與其相鄰 的b 類地址卻提供6 5 5 3 5 個主機地址，b 類規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)和a 類網(wǎng)絡(luò)之間的差別就 更大了；a 類網(wǎng)絡(luò)1 6 7 7 4 2 1 5 個不同的主機地址【l l 】。而三種主要的地址種類( a 、 b 和c ) 之間的巨大差異導致了潛在的低效率和浪費。 2 2i p v 4 地址分類 i p 地址構(gòu)成了整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)上的每臺計算機都依靠各自唯一的i p 地 址來標識，依靠這唯一的i p 地址互相區(qū)分和相互聯(lián)系。通過i p 地址就可以訪問到 每一臺主機，i p 地址由4 部分數(shù)字組成，每部分數(shù)字對應(yīng)于8 位二進制數(shù)字，各 部分之間用小數(shù)點分開，如某一臺主機的i p 地址為：6 1 1 3 2 1 3 8 1 4 7 。i p 地址分為 公共地址與私有地址兩類。公有地址( p u b l i ca d d r e s s ) 由i n t e rn i c ( i n t e m e tn e t w o r k i n f o r m a t i o nc e n t e r 因特網(wǎng)信息中心) 負責管理【1 4 1 。這些i p 地址分配給注冊并向i n t e r n i c 提出申請的組織機構(gòu)，同時由工i n t e r n i c 、a p n i c 、r i p e 三大網(wǎng)絡(luò)信息中心 具體負責i p 地址分配，通過它可以直接訪問因特網(wǎng)。私有地址( p r i v a t ea d d r e s s ) 屬于非注冊地址，專門為組織機構(gòu)內(nèi)部使用，且不唯一，所以在不同的內(nèi)網(wǎng)內(nèi)可 以重復使用。 i p 地址由4 部分數(shù)字組成，每部分數(shù)字對應(yīng)于8 位二進制數(shù)字，各部分之間用 小數(shù)點分開。8 位二進制數(shù)取值為0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 ( - 進制數(shù)) ，使用十進制數(shù)表 示則值為0 2 5 5 。 i p 地址中的二進制數(shù)與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換非常簡單，用二進制數(shù)的每一位乘以2 的n 次方，n 是相應(yīng)的位，將各位結(jié)果相加得到的就是相應(yīng)的十進制數(shù)。 見下表2 1 所示，二進制數(shù)0 1 0 1 0 0 1 1 的十進制數(shù)便是 o 2 7 + 1 2 6 + 0 2 5 + 1x 2 4 + 0 2 3 + o 2 2 + 1 2 1 + 1x 2 0 = 6 4 + 1 6 + 4 + 1 = 8 5 。 表2 1二進制與十進制的轉(zhuǎn)換 0l0lo0ll0 1 0 1 0 0 1i ( 二進制數(shù)) 1 2 86 43 21 684212 的n 次方 0 +6 4 +0 +1 6 +0 +o +4 +l +8 5 ( 十進制) 每個i p 地址被劃分為兩個部分：網(wǎng)絡(luò)地址( n e t w o r ka d d r e s s ) 和節(jié)點地址( n o d e a d d r e s s ) t g l 。網(wǎng)絡(luò)部分負責表示主機所在的邏輯網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，主機部分表示某網(wǎng)絡(luò)上 特定主機的主機號。當i p 數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳遞時，首先是i p 地址的網(wǎng)絡(luò)地址起主 導作用，路由器通過識別i p 地址的網(wǎng)絡(luò)部分為i p 數(shù)據(jù)包進行路由操作。在數(shù)據(jù)包 到達了目的網(wǎng)段以后，就必須通過m 地址的節(jié)點地址尋找具體的接收主機。 7 重慶郵電大學碩士論文第二章i p v 4 協(xié)議研究 i p 地址分為a 、b 、c 、d 、e 五類，其格式如表2 2 所示： 表2 2i p 地址的分類 第一個八位第二個八位第三個八位第四個八位 a 類地址網(wǎng)絡(luò)位主機位主機位主機位 b 類地址網(wǎng)絡(luò)位網(wǎng)絡(luò)位主機位主機位 c 類地址網(wǎng)絡(luò)位網(wǎng)絡(luò)位網(wǎng)絡(luò)位主機位 d 類地址多點廣播 e 類地址研究使用 在這五類地址中，a 、b 、c 類地址是可以在互聯(lián)網(wǎng)上使用的i p 地址，支持單 播通信，且這三類地址各有一部分被用作了私有地址。私有地址是不可以在互聯(lián) 網(wǎng)上單獨使用的。d 類地址支持多播，在一個多播通信中，一個單獨的源發(fā)生一 個數(shù)據(jù)報給多個目標方。e 類地址是試驗用的，表2 3 給出了每類i p 地址的范圍： 表2 3i p 地址的范圍 地址類范圍網(wǎng)絡(luò)數(shù)量每網(wǎng)段主機數(shù)類型 ao 0 0 0 1 2 7 2 5 5 2 5 5 2 5 51 2 61 6 7 7 7 2 1 4 單播 b1 2 8 0 0 0 1 9 1 2 5 5 2 5 5 2 5 51 6 3 6 86 5 5 3 4 單播 cl9 2 o o 0 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 52 0 9 6 8 9 62 5 4 單播 d2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5多播 一 e2 4 0 0 0 0 2 4 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5實驗性 a 類i p 地址是指第一個八位字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)地址，剩余的三個八位字節(jié)為節(jié)點地 址，其范圍是0 o o 0 1 2 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，用于1 2 6 個網(wǎng)絡(luò)，但是p 地址中每個字節(jié) 都為o 的地址，即0 o 0 0 對應(yīng)于當前主機，不能傳送，而1 2 7 0 0 0 是一個特殊的 a 類網(wǎng)絡(luò)，稱為環(huán)回網(wǎng)絡(luò)，這類地址是不會出現(xiàn)在一個主機的外部的，發(fā)送到這 個網(wǎng)絡(luò)的分組被環(huán)回并被這個主機接收。所以a 類地址可以理解為第一個八位是 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 的i p 地址。在a 類地址中，整個1 0 o o o 網(wǎng)段的所有地址都是 私有地址。私有地址屬于非注冊地址，只能在企業(yè)或組織內(nèi)部局域網(wǎng)上使用的口 地址。不過通過在企業(yè)或組織內(nèi)部使用私有地址，可以不為局域網(wǎng)中的主機分配 互聯(lián)網(wǎng)可用的公共地址，從而節(jié)約了有限的i p 地址。我們從a 類地址的網(wǎng)絡(luò)地址 和節(jié)點地址可以知道，a 類地址的網(wǎng)段總共只有1 2 5 個，而每個網(wǎng)段中卻可以有 1 6 7 7 7 2 1 4 ( 2 2 4 2 ) 臺主機，所以a 類地址適合分配給規(guī)模特別大的網(wǎng)絡(luò)使用。 b 類i p 地址是指前兩個八位字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)地址，剩下的兩個八位字節(jié)為本地計 算機的號碼，且b 類地址的前兩位是1 0 ，所以b 類地址的網(wǎng)絡(luò)號是從1 2 8 開始， 至1 9 1 結(jié)束，即第一個八位是1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 l 的i p 地址，其中 1 7 2 1 6 0 0 1 7 2 3 1 2 5 5 2 5 5 范圍內(nèi)的所有地址是私有地址。從b 類地址的網(wǎng)絡(luò)地址 8 重慶郵電大學碩士論文第二章i p v 4 協(xié)議研究 和節(jié)點地址可以知道，b 類地址的網(wǎng)段總共有1 6 3 6 8 個，每個網(wǎng)段中可以有6 5 5 3 4 臺主機。所以b 類網(wǎng)絡(luò)地址適用于中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。 c 類i p 地址是指前三個八位字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號碼，剩余一個八位字節(jié)為本地計算 機的號碼，且第一個八位以1 1 0 開頭的地址，即第一個八位是1 1 0 0 0 0 0 0 - 1 1 0 1 1 1 1 1 的i p 地址，其中1 9 2 1 6 8 1 0 1 9 2 1 6 8 2 5 5 2 5 5 范圍內(nèi)的所有地址是私有地址。從c 類地址的網(wǎng)絡(luò)部分和主機部分的長短可以看出，c 類地址的網(wǎng)段總共有2 0 9 6 8 9 6 個，每個網(wǎng)段中可以有2 5 4 臺主機。c 類地址數(shù)量較多，適用于小規(guī)模的局域網(wǎng)絡(luò)。 d 類地址與前三種有根本上的不同。這種地址空間并沒有遵守前面三種i p 地 址所遵循的約定，是第一個八位以1 1 l o 開始的i p 地址，它是多播i p 地址，其工 作方式為多播方式，即點對點，點對多個，點對廣播。所謂多播作用域就是該作 用域所分配的i p 地址只能為d 類i p 地址，其范圍為2 2 4 0 0 0 。2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ， 不包括全0 和全1 網(wǎng)段，在多路廣播操作中沒有表示網(wǎng)絡(luò)或主機的位。 e 類地址已經(jīng)定義好了，是第一個八位以1 l l l o 開始的i p 地址，但是i e t f 將 它保留下來作為自己的研究和其他還不可知的用處。因此，e 類地址確實存在，但 是它們并沒有在i n t e m e t 中發(fā)放使用。這類地址從2 4 0 0 0 0 2 4 7 2 5 5 2 5 5 2 5 5 結(jié)束。 2 3 子網(wǎng)劃分及子網(wǎng)掩碼 對于擁有較多i p 地址的a 類、b 類網(wǎng)絡(luò)，在邏輯上可以進一步將網(wǎng)絡(luò)劃分為 若干小的網(wǎng)絡(luò)部分，每一部分稱為子網(wǎng)( s u b n e t ) 。子網(wǎng)劃分可以縮小網(wǎng)絡(luò)的廣播域， 使本地信息在本地子網(wǎng)內(nèi)傳遞，子網(wǎng)之間信息的傳遞須經(jīng)過路由器或網(wǎng)關(guān)來轉(zhuǎn)發(fā)。 子網(wǎng)劃分的方法是將i p 地址中主機號部分進一步劃分為子網(wǎng)號和主機號兩部分。 其中，子網(wǎng)號用主機號的高位部分表示，剩余低位部分表示主機號。子網(wǎng)劃分后： 每個m 地址就由網(wǎng)絡(luò)號、子網(wǎng)號、主機號這三部分組成。網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)號同時決 定了主機屬于哪個網(wǎng)絡(luò)，而主機號則決定了是該網(wǎng)絡(luò)中的哪臺主機。為了表示一 個子網(wǎng)，需要用i p 地址和子網(wǎng)掩碼配合來表示。子網(wǎng)掩碼的格式和口地址的格式 相同，用二進制數(shù)表示時，對應(yīng)i p 地址中的網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)號部分，子網(wǎng)掩碼的各 位全為“1 ”對應(yīng)i p 地址中的主機號部分，子網(wǎng)掩碼的各位全為“0 。判斷兩個 i p 地址是否屬于同一子網(wǎng)的方法是：分別將這兩個i p 地址與子網(wǎng)掩碼進行邏輯與 運算，若與運算的結(jié)果相同，則屬于同一子網(wǎng)，否則屬于不同子網(wǎng)。如圖2 1 所示： 9 重慶郵電大學碩士論文第二章i p v 4 協(xié)議研究 nq c 暮愛 d 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 la n dl o c a la d d r e s s 一 1 1 1 1 1 1 1 1 i i i l l l l l1 1 1 1 1 1 】10 0 0 0 0 0 0 0la s di o c a is u b s e t m a s k 一i 2 4i p 地址分配現(xiàn)狀 i p 地址等互聯(lián)網(wǎng)資源的分配和使用上主要由美國控制。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期， 美國一些大學和公司占用了大量的i p 地址，例如m i t 、i b m 和a t & t 分別占用 了1 6 0 0 多萬，1 7 0 0 多萬和1 9 0 0 多萬個i p 地址【2 ，而分配給像中國這么大國家的 地址量還不如美國的兩所大學。后期在i c a n n ( t h ei n t e m e tc o r p o r a t i o nf o ra s s i g n e d n a m e sa n dn u m b e r s ) 的分配中，負責北美地區(qū)地址分配的a r i n ( a m e r i c a nr e g i s t r y f o ri n t e m e tn u m b e r s ) 分配的地址量也是所有r i r 中最多的，共分配所有地址量的 6 ，而負責國家和人口眾多的亞太地區(qū)和歐洲i p 地址分配的a p n i c ( a s i ap a c i f i c n e t w o r ki n f o r m a t i o nc e n t e r ) 、r i p e 都只有4 。由此導致一方面大量的i p 地址被 浪費，另一方面在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的國家如歐洲、同本和中國得不到足夠的地址。 最后導致互聯(lián)網(wǎng)地址資源的極度不平衡和緊缺，i p 地址資源面臨看緊缺的嚴峻局 面。 美國現(xiàn)有i p 地址1 2 億個左右，平均每個美國人有4 個i p 地址。中國目前約 5 4 0 0 萬個，大約2 4 個中國人1 個i p 地址( 按1 3 億中國人計算) 。美國人均i p 地 址是我們的1 0 0 倍。造成i p 地址緊缺的原因還在于i p v 4 地址技術(shù)上的兩個弱點： 地址空間的浪費和過度的路由負擔。i p v 4 的地址空間為3 2 位，理論上支持4 0 億 臺終端設(shè)備的互聯(lián)，但實際上由于互聯(lián)網(wǎng)早期a 、b 、c 類地址類型的劃分，浪費 了上千萬的地址，特別是b 類地址，一般來說，整個b 類地址空間的實際利用率 只能達到1 0 多一點【2 8 】。為此亞太互聯(lián)網(wǎng)信息中，t , ( a p n i c ) 等分配機構(gòu)相應(yīng)制定了 1 0 重慶郵電大學碩士論文第二章i p v 4 協(xié)議研究 嚴格的分配政策，規(guī)定了“謹慎、聚類、公平、一致 等分配目標，以提高地址 的使用效率【2 9 1 。上述措施也都無法阻止i p v 4 地址資源的耗盡，對下一代i p 協(xié)議中 足夠大的i p 地址空間的要求已迫在眉睫。 截止到2 0 0 4 年6 月，我國網(wǎng)民數(shù)量已達8 7 0 0 萬，居世界第二位，但我國所 申請獲得的i p 地址目前僅有5 4 0 0 萬個1 3 0 】，僅相當美國兩所大學的i p 地址擁有量， 如不加以重視，將影響到我國互聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。我國沿用1 9 9 4 年我國互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)展之初時的申請模式即各企業(yè)根據(jù)需求自行申請、自行分配并進行管理目前有 2 9 個單位直接向a p n i c 申請地址。我國現(xiàn)行的這種模式不利于我國互聯(lián)網(wǎng)的長遠 發(fā)展表現(xiàn)在： 1 ) 獲得的i p 地址數(shù)量少，時效性差。目前各企業(yè)自行向a p n i c 申請地址，一 方面由于對i p 地址申請的認識差異較大，一次的申請數(shù)量很少，一般只能滿足一 時之需，難以滿足長期發(fā)展需要。另一方面，由于a p n i c 的i p 地址申請程序較復 雜，要求比較嚴格，許多國內(nèi)企業(yè)不熟悉申請程序、不善于和國外打交道，常因 i p 地址申請時間太長而延誤網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 2 ) i p 地址申請的成本高。我國企業(yè)每年向a p n i c 繳納的會員費最高，但獲得 的i p 資源不多。據(jù)統(tǒng)計，截止2 0 0 3 年底，我國申請到的口地址總量只占亞太地 區(qū)已分配i p 地址數(shù)的2 5 ，居于日本2 9 和韓國2 1 之間，而我國各成員支付 a p n i c 的年費總計高達3 l 萬美元，遠高于日本的2 0 萬和韓國的7 萬1 3 0 j 。針對這 種情況，信息產(chǎn)業(yè)部提出我國在i p 地址資源申請使用方面的思路：要從國家利益 的高度，政府部門要引導和鼓勵廣大中小企業(yè)通過幾家大的單位如c n n