Ipv4 和Ipv6 互通技術(shù)與雙協(xié)議棧工作方式研究

陳立秋

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，浙江 杭州 310012）

1 引言

即使一些網(wǎng)絡(luò)或聯(lián)網(wǎng)世界的其余部分己升級(jí)為IPv6，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，IPv4 仍將存在。到那時(shí)，升級(jí)系統(tǒng)將需要保持與IPv4 系統(tǒng)的互操作能力。隨著時(shí)間的推移，互操作的負(fù)擔(dān)將由早期的實(shí)現(xiàn)者承擔(dān)轉(zhuǎn)為由傳統(tǒng)系統(tǒng)的維護(hù)者來(lái)承擔(dān)。任何情況下，同時(shí)支持IPv4 和IPv6 的系統(tǒng)都是必要的。

2 雙協(xié)議棧工作機(jī)理與應(yīng)用模型

2.1 雙協(xié)議棧工作機(jī)理

IPv4 和IPv6 協(xié)議是功能非常相同的處于網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，對(duì)于兩個(gè)協(xié)議來(lái)說(shuō)，其都是基于相同的平臺(tái)。對(duì)比計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)來(lái)看。如果網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)計(jì)算機(jī)能支持IPv6協(xié)議又同時(shí)兼容IPv4 協(xié)議，那么該主機(jī)就可以既能與支持IPv4 協(xié)議的主機(jī)通信，又能與支持IPv6 協(xié)議的主機(jī)進(jìn)行通信，雙協(xié)議棧技術(shù)的工作機(jī)理就在于此。

2.2 雙協(xié)議棧技術(shù)應(yīng)用模型

2.2.1 Limited Dual Stack Model

在這種模型下，服務(wù)器和路由器仍然是雙棧的，而不是服務(wù)器的主機(jī)只需要支持IPv6 協(xié)議。

2.2.2 Dual Stack Model

Dual Stack Model 模型下，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)都必須是雙棧的，因此，就不存在IPv6 和IPv4 之間的通信問題，這種方法不能解決IPv4地址資源不足的問題。

對(duì)于目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)完全的雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)不需特殊配置，業(yè)務(wù)開展非常方便，對(duì)于IPv6 的試驗(yàn)應(yīng)用和業(yè)務(wù)也很有利，是目前開展IPv6網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)的重點(diǎn)之一。但是，完全雙協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的投入很大，特別是目前的接入網(wǎng)設(shè)備大部分僅僅支持IPv4 協(xié)議棧，而這些設(shè)備的升級(jí)很可能需要完全替換，投資壓力很大。為了順利進(jìn)行試驗(yàn)，可考慮有限的雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，部分新增用戶僅支持IPv6。在解決過渡問題時(shí)，科學(xué)的選擇雙協(xié)議棧技術(shù)應(yīng)用模型，有利于保證IPv4/IPv6 的平穩(wěn)過渡。針對(duì)以上兩種模型的特點(diǎn)，以及綜合考慮校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、應(yīng)用特點(diǎn)，我們最終選擇了Limited Dual Stack Model 作為解決過渡問題的基本模型，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)代價(jià)的有效均衡。

3 Ipv4 和Ipv6 互通技術(shù)

3.1 BIS(Bump-In-the-Stack)

BIS 機(jī)制允許在IPv4 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的不支持IPv6 的應(yīng)用程序能夠與純IPv6 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，要求在IPv4 協(xié)議棧中插入三個(gè)特殊的擴(kuò)展模塊:域名解析模塊、地址映射模塊和報(bào)頭翻譯模塊。其基本思想是當(dāng)IPv4 應(yīng)用程序與純IPv6 節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，將節(jié)點(diǎn)的IPv6 地址映射成一個(gè)備用IPv4 地址池中的IPv4 地址?？梢哉J(rèn)為BIS 是NAT-PT 在主機(jī)節(jié)點(diǎn)IP 協(xié)議棧的特例實(shí)現(xiàn)。

3.2 TRT(Transport Relay Translator)

TRT 機(jī)制和NAT-PT 類似，但它是在傳輸層將一個(gè)IPv4 的TCP 或UDP 連接與一個(gè)IPv6的TCP 或UDP 連接聯(lián)系起來(lái)，也就是說(shuō)是在傳輸層實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，而不是在網(wǎng)絡(luò)層。TRT 機(jī)制的每個(gè)連接都是真正的IPv4 或IPv6 連接，因此可以避免IP 分組分片和ICMP 報(bào)文轉(zhuǎn)換帶來(lái)的問題，但對(duì)一些存在內(nèi)嵌地址信息的高層協(xié)議(如FTP)，同樣需要和應(yīng)用層的網(wǎng)關(guān)協(xié)作來(lái)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.3 DSTM(Dual Stack Transition Mechanism)

DSTM 機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)支持雙協(xié)議棧但沒有分配全球唯一IPv4 地址的節(jié)點(diǎn)與純IPv4 節(jié)點(diǎn)的相互通信。其基本思想是當(dāng)支持雙協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)需要IPv4 地址時(shí)，可以通過與DSTM 服務(wù)器進(jìn)行基于IPv6 的通信 (可采用擴(kuò)展的DHCPv6)臨時(shí)得到一個(gè)IPv4 地址并反映到DNS 中。對(duì)于沒有IPv4 內(nèi)部路由體系的情況，支持雙協(xié)議棧的節(jié)點(diǎn)使用IPv6 路由體系，IPv4的數(shù)據(jù)報(bào)將會(huì)被封裝到IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)中在節(jié)點(diǎn)內(nèi)傳輸。

3.4 ALG(Application Level Gateway)

ALG 機(jī)制是應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，在IPv4 中就已經(jīng)廣泛應(yīng)用，典型的有HTTP 協(xié)議的代理。顯然，當(dāng)一個(gè)ALG 同時(shí)支持IPv4 和IPv6 協(xié)議棧時(shí)，就可以作為IPv4 和IPv6 的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。ALG提供的每個(gè)服務(wù)都是單獨(dú)的IPv4 和IPv6 連接，可以完全避免在IP 層進(jìn)行IP 頭標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的一些問題，但ALG 機(jī)制要求對(duì)每個(gè)應(yīng)用編寫單獨(dú)的ALG 代理，而且代理必須同時(shí)支持IPv4 和IPv6 兩種協(xié)議，因此缺乏靈活性。

4 雙協(xié)議棧工作方式分析

4.1 雙協(xié)議棧節(jié)點(diǎn)

IPv6 節(jié)點(diǎn)，具備IPv6 協(xié)議通信的同時(shí)，具備完全的IPv4 協(xié)議通信，我們稱之為“IPv4/IPv6節(jié)點(diǎn)”，即雙協(xié)議棧節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱雙棧節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)既可以是主機(jī)節(jié)點(diǎn)也可以是路由器或其它通信節(jié)點(diǎn)。這里應(yīng)該明確，雙棧節(jié)點(diǎn)是為解決IPv6節(jié)點(diǎn)在IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信(或?yàn)楸Ａ鬒Pv4 協(xié)議功能)的問題，因而以節(jié)點(diǎn)具備IPv6 協(xié)議通信作為先決條件。根據(jù)雙棧節(jié)點(diǎn)是否用于隧道協(xié)議通信，分為以下三類:(1)純雙棧節(jié)點(diǎn)，不具備隧道協(xié)議功能 (2)雙棧節(jié)點(diǎn)，只具備配置隧道功能 (3)雙棧節(jié)點(diǎn)，具有配置隧道、自動(dòng)隧道功能。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)為純雙棧節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)其分配的IPv4,IPv6 地址沒有特別的要求，符合各自的網(wǎng)絡(luò)規(guī)定即可;當(dāng)節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)隧道功能的時(shí)候，應(yīng)該為其分配IPv4 兼容的IPv6 地址。

4.2 接收數(shù)據(jù)包

雙棧節(jié)點(diǎn)與其它類型的多棧節(jié)點(diǎn)的工作方式相同。鏈路層接收到數(shù)據(jù)段，拆開并檢查包頭。如果IPv4/IPv6 頭中的第一個(gè)字段，即IP 數(shù)據(jù)包的版本代碼是4，則該數(shù)據(jù)包就由IPv4 協(xié)議棧來(lái)進(jìn)行相關(guān)操作；相應(yīng)的，版本代碼如果是6，則交給IPv6 協(xié)議棧處理。如果建立了自動(dòng)隧道機(jī)制，則采用相應(yīng)的技術(shù)將數(shù)據(jù)包重新整合為IPv6 數(shù)據(jù)包，由IPv6 棧來(lái)處理。

4.3 發(fā)送數(shù)據(jù)包

由于雙棧主機(jī)同時(shí)支持IPv4 和IPv6 兩種協(xié)議，所以當(dāng)其在網(wǎng)絡(luò)中通信的時(shí)候需要根據(jù)情況確定使用其中的一種協(xié)議棧進(jìn)行通信，這就需要制定雙協(xié)議棧的工作方式。在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，目的地址是作為路由選擇的主要參數(shù)，因而，根據(jù)應(yīng)用程序所使用的目的地址的協(xié)議類型對(duì)雙協(xié)議棧的工作方式作出如下規(guī)定。

若應(yīng)用程序使用的目的地址為IPv4 地址，則使用IPv4 協(xié)議;假設(shè)節(jié)點(diǎn)A 與節(jié)點(diǎn)B 通信，A為雙棧節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B 支持IPv4 協(xié)議。則雙棧節(jié)點(diǎn)A 工作方式，使用IPv4 協(xié)議與節(jié)點(diǎn)B 通信。

若目的地址為IPv6 地址，且為本地在線網(wǎng)絡(luò)，則使用IPv6 協(xié)議。IPv6 使用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制確定是否為本地在線網(wǎng)絡(luò)。

若應(yīng)用程序使用的目的地址為IPv4 兼容的IPv6 地址，并且非本地在線網(wǎng)絡(luò)，則使用IPv4 協(xié)議，此時(shí)的IPv6 將封裝在IPv4 中。

若應(yīng)用程序使用域名作為目標(biāo)地址，則先從域名(DNS)服務(wù)器得到相應(yīng)的IPv4/IPv6 地址，然后根據(jù)地址情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。

隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這些工作方式必將不斷相應(yīng)的得到修改和有效補(bǔ)充。

[1]張鴻.IPv6 時(shí)代的域名系統(tǒng).CNNIC 研究開發(fā)部.2002.

[2]杜根遠(yuǎn)，邱穎豫.基于隧道技術(shù)的IPv6 遷移策略.中國(guó)有線電視，2004.