IPv4 over IPv6隧道技術在IPv6校園網的應用

文/周志峰 何章科

IPv4 over IPv6隧道技術在IPv6校園網的應用

文/周志峰 何章科

在高校已經建成互通的純IPv6網絡中，通過運用IPv4 over IPv6隧道技術將高校中無法IPv6化的應用進行互聯，為高校的IPv4業務拓展和資源共享提供了有效途徑。

隨著國際互聯網的不斷發展，現存的IPv4網絡的一些不足已經暴露出來：IPv4地址空間不足，骨干路由器維護的路由表項數量過大，不易進行自動配置和重新編址，不能解決日益突出的安全問題。為了解決這些問題，IETF制定并逐漸完善了新一代國際IP協議，即IPv6。IPv6的優點從最本質上來說都源于其128位的地址結構，從而解決了IPv4協議中地址枯竭、路由效率差、安全性不足、移動性差和報頭不易擴展等問題。目前IPv4骨干網絡無法在短時間內過渡到IPv6網絡，兩者將長期共存。目前已經提出了多種IPv4到IPv6的過渡技術的解決方案，大體上分為雙協議棧、隧道技術、NAT-PT（地址/協議轉換）。其中，隧道技術是過渡初期最易采用的技術，但多數隧道的應用都是基于IPv4的，即IPv6孤島跨越IPv4海洋的通信。本文將從另一個角度討論基于IPv6協議的IP隧道,并使用該類隧道實現跨純IPv6網絡的IPv4業務傳輸。

隧道技術

隧道是一種封裝技術，它利用一種網絡協議來傳輸另一種網絡協議，即利用一種網絡傳輸協議，將其他協議產生的數據報文封裝在它自己的報文中，然后在網絡中傳輸。隧道可以看做是一條虛擬的點對點連接，隧道的兩端需要對數據報文進行封裝及解封裝。隧道技術就是指包括數據封裝、傳輸和解封裝在內的全過程，如圖1所示。

隧道技術具有以下用途：

1.在IPv6網絡取代IPv4網絡之前，應用隧道技術實現IPv4和IPv6網絡互通，如6to4隧道技術。

2.創建虛擬專用網（Virtual Private Network，簡稱VPN），如IPv4 over IPv4隧道、IPv4/IPv6 over IPv6隧道、IPsec隧道技術等。

3.進行流量的負載均衡，緩解網絡擁塞，如多協議標記交換流量工程（Multiprotocol Label Switching Traffic Engineering，簡稱MPLSTE）。

IPv4 over IPv6隧道原理

在IPv6網絡全面部署前，IPv4孤島可以通過IPv4 over IPv6隧道連通，IPv4 over IPv6隧道是以IPv6作為隧道底層封裝協議承載上層IPv4報文。隧道的入口節點對收到的原始IPv4報文進行封裝，隧道的出口節點完成對收到的隧道報文的解封裝工作。IPv4報文在隧道中傳輸經過的封裝與解封裝過程如圖2所示。

圖1 隧道數據傳輸全過程

圖2 IPv4報文的封裝與解封裝

圖3 隧道的組網示意

應用需求及實現

近年來，學校與另一所部屬兄弟院校在校務辦公資源共享、數據容災備份等業務上的合作比較密切。但隨著學校校園網規模的擴大，業務負載的不斷增加，出口線路經常擁塞，受此影響，兩校之間的業務數據通過目前的IPv4隧道傳輸很難保證充足的帶寬。另外，部分業務應用僅支持IPv4協議傳輸。相比之下，兩校加入的IPv6網絡的出口帶寬充足，利用空余的IPv6線路傳送IPv4流量能夠很好解決這個問題，并能進一步提高帶寬利用率。因此，我們設計了應用IPv4 over IPv6隧道的方法來滿足需求。

具體的設計思路如下：

1.A校和B校的IPv4網絡分別通過路由器A和路由器B與IPv6網絡連接，兩臺路由器均支持IPv4 over IPv6隧道的建立，且相互之間IPv6報文路由可達。

2.流量通過隧道傳輸（假設A校的流量傳送至B校，反之亦然），IPv4報文到達A校部署的邊界路由器A后，經過IPv6報頭封裝送往隧道接口。

圖4 隧道驗證結果

3.流量到達對端隧道接口，B校部署的邊界路由器B將收到的該隧道報文進行IPv6解封裝，根據還原出的原始IPv4報文的目的地址進行路由轉發。

按照設計思路，本文采用IPv4 over IPv6手動隧道模式實現了該應用，以異地備份應用的實現為例，組網如圖3所示。

根據組網圖，具體實現過程如下：

1.假設備份數據流量從A校送往B校，反之亦然，通過配置內部路由將目的地址為192.168.3.215的報文轉發至接口IP為172.30.30.130的A校隧道節點路由器，路由配置略。

2.根據兩校IPv6網絡互連設置的源地址和目的地址，配置A校的隧道節點路由器，創建IPv6隧道。為了避免報文分片，建立隧道時需要同時設置隧道兩端的tcp mss值為1400。

3.配置轉發路由，將流向B校的IPv4流量報文送至IPv6隧道進行封裝后轉發。考慮到B校私網IP與A校的設置可能存在重疊，B校的隧道節點路由器完成隧道報文的解封裝后，需要對源地址為A校私網IP的IPv4流量報文進行NAT轉換，從而保證路由回送的正確性。

4.IPv4 over IPv6隧道驗證，分別從A校和B校的路由器可以Ping通對端的內網IPv4接口的地址，如圖4所示。

本文從學校實際需求的角度，應用IPv4 over IPv6隧道技術實現了兩校內網的IPv4業務跨IPv6網絡的傳輸。由于兩校間的IPv6帶寬充足，有效保障了容災備份、資源共享等關鍵業務的所需帶寬。該應用方案的成功部署，進一步緩解了學校IPv4互聯網出口壓力，提高了出口帶寬利用率。同時，也為各高校間的資源共享、云聯盟建立提供了一個有效途徑。在IPv4向IPv6過渡階段，IPv6新業務應用發揮著重要作用，通過我們的積極探索，使得IPv4網絡與IPv6網絡更好地融合。

（作者單位為大連海事大學網絡信息中心）