6to4隧道分片重組技術及仿真實驗

毛晴，胡曦明,2，馬苗,2，李鵬,2

（1.陜西師范大學計算機科學學院，西安 710119；2.現代教學技術教育部重點實驗室，西安 710119）

0 引言

現階段IPv4網絡占有主導地位，IPv6網絡還仍處于發展的初級階段，在互聯網中IPv6網絡大部分以孤島的形式存在，因此IPv6孤島之間跨IPv4網絡進行通信是目前IPv4網絡與IPv6網絡共存的主要應用模式[1]。

目前來看，隧道技術是IPv6跨IPv4實現通信的常用解決方案[2]，主要包括有GRE隧道[3]、手動隧道[4]、ISATAP 隧道[5]、IPv4 over IPv6 隧道[6]等多種隧道，其中6to4隧道是一種使用特殊的IPv6地址——6to4地址的自動隧道，可支持隧道自動配置以及多個IPv6孤島之間相互通信，在大規模應用中具有明顯優勢[7]，因而得到廣泛的應用。在6to4隧道技術方案中數據包的分片重組機制是影響隧道通信性能的一個重要因素[8]，所以為了提高IPv6孤網跨IPv4網絡通信效率，需要圍繞IPv6和IPv4混合網絡下6to4隧道的分片重組機制開展深入研究。

1 6to4隧道技術

6to4隧道采用特殊的IPv6地址（6to4地址）使在IPv4海洋中的IPv6孤島能相互連接通信[9]，其通信過程如圖1所示。首先，報文在IPv6網絡中轉發時以IPv6報文發送，當報文發送到IPv4網絡入口的隧道邊緣路由器時，隧道邊緣路由器的隧道接口會接收IPv6報文，然后根據其配置的6to4隧道內容找到報文轉發進入IPv4網絡的接口，再根據入口接口的IPv4地址將IPv6報文封裝IPv4報文頭部。當報文通過IPv4網絡到達IPv4網絡出口的隧道邊緣路由器時，隧道邊緣路由器的隧道接口將報文拆除IPv4報文頭部，繼續以IPv6報文在IPv6網絡中轉發[10]。

2 6to4隧道仿真實驗

2.1 方案設計

H3C Cloud Lab是一款基于虛擬機的網絡設備模擬軟件，它以虛擬機為支撐，實現模擬現實的組網方案，常用于企業初期的組網方案設計和網絡實驗展示。為了理解6to4隧道通信原理并深入探究數據在6to4隧道中通信的分片重組技術，利用H3C Cloud Lab軟件平臺搭建實驗環境，實驗方案設計如圖2所示。

圖1 IPv6孤網跨IPv4網絡通信過程

圖2 實驗方案設計流程圖

根據6to4隧道通信原理可知報文通過隧道時會進行封裝，那么6to4隧道邊緣路由器的MTU值是否與普通路由器默認MTU值有所不同？

純IPv4網絡和純IPv6網絡下報文的分片重組情況是有所不同的。在純IPv4網絡下，中間路由器可以將數據包分片，但不進行重組；在純IPv6網絡下，中間路由器只轉發分片包，絕對不分片和重組，如果分片包大于 PMTU，則給源端發送“ICMPv6'Too Big”消息[11]。那么數據在6to4隧道中通信的分片重組數據處理機制以及差錯檢測方法是需要研究的重點問題。

2.2 技術實現

（1）6to4隧道的搭建

①實驗拓撲

圖3 6to4隧道搭建

圖中PCA和PCB兩臺路由器定義為終端路由器，作為報文的發送方和接收方，IP地址配置為IPv6地址。RTA和RTB路由器為隧道邊緣路由器，兩臺路由器的GE_0/1接口配置IPv6地址，GE_0/2配置IPv4地址，并分別為兩臺路由器配置隧道接口，RTB路由器接口均配置為IPv4地址。

②設備配置

表1 RTA的6to4隧道配置命令

以RTA路由器為例，“source g0/2”這條配置表明為RTA路由器Tunnel接口配置的出口IPv4地址為本路由器接口GE_0/2的地址，所以當IPv6報文發送到隧道邊緣路由器時，經過隧道接口的處理最終從接口GE_0/2進入IPv4網絡。

③結果分析

報文在RTA的Tunnel接口要經過6to4隧道的封裝，即在IPv6報文頭部加上IPv4報文頭部，抓包顯示如圖4所示。

圖4 RTA的GE_0/2接口報文

根據實驗分析6to4隧道的通信過程，發現6to4隧道通信具有自動隧道維護方便的特點，6to4隧道可根據報文的IPv6地址得出IPv4地址，無需為隧道配置目的地址，同時又克服了IPv4兼容IPv6自動隧道不能連接IPv6網絡的缺陷，但由于其6to4地址的工作模式，所以必須使用規定的6to4地址。

（2）6to4隧道MTU探測

①實驗數據

已知華三模擬器中路由器接口默認情況下為1500，那么發送1452的報文則可剛好通過接口且無需分片，如果6to4隧道通信下路徑MTU值為1500，那么報文發送過程中不會丟包和分片，所以實驗在圖3搭建好的實驗拓撲中將各個接口的MTU值設置如表2。

表2 MTU探測實驗數據

②結果分析

在實驗中從PCA向PCB發送一條報文長度為1452的IPv6報文，丟包情況如圖5所示。

圖5 報文丟包情況

在發送報文過程中，通過Wireshark在PCA的GE_0/0接口和PCB的GE_0/0接口抓取報文，發現兩條ICMPv6差錯報文如圖6和圖7所示。

圖6 PCA差錯報文

圖7 PCB差錯報文

根據抓取的差錯報文的源地址和目的地址以及報文內容，可以分析出兩個報文丟失的原因。第一個報文從PCA發送給PCB時，到RTA隧道接口時因MTU值比較小，沒有發送成功；第二個由PCB回復給PCA時，到RTB隧道接口時因MTU比較小，沒有收到回復。抓取的ICMPv6差錯報文回復的MTU值均為1480，所以推測隧道接口的MTU值為1480，查詢驗證如圖8所示。

圖8 隧道接口MTU值驗證

驗證可得隧道接口MTU值為1480，分析6to4隧道報文可得其原因為：報文發送到隧道接口時，隧道接口要將報文封裝IPv4報頭，需要20個字節，所以隧道接口MTU比一般接口MTU少20個字節。

（3）6to4隧道中數據通信

①實驗拓撲

將路由器增加至6臺，搭建如圖9的實驗拓撲。

②實驗數據

探測隧道MTU值為1480，所以發送1432長度的報文不會在隧道口發生分片，因此將各個接口的MTU值設置如表3。

圖9 6to4隧道通信實驗拓撲

表3 6to4隧道通信實驗數據

③結果分析

在實驗中從PCA向PCB發送一條報文長度為1432的IPv6報文，用Wireshark抓取RTA的GE_0/1接口和RTD的GE_0/0接口的報文，分片情況如圖10和圖11所示。

圖10 RTA的GE_0/1接口報文

由抓取的報文分析可得，從PCA向PCB發送報文，在路由器RTA的端口GE_0/1發生IPv6的分片，當經過RTA的端口GE_0/2時，因為其MTU為1200，所以發生分片，而RTA的端口GE_0/2為IPv4地址，RTB路由器GE_0/0和GE_0/1端口也是如此，所以結果證明在6to4隧道通信機制下，報文在終端分片后，在中間路由器的IPv4地址處仍然可以分片，因為在隧道中發送報文時，報文被封裝IPv4報頭，所以遵循IPv4分片機制[12]。

圖11 RTD的GE_0/0接口報文

在實驗中用Wireshark再抓取RTC的GE_0/1報文，分片重組情況如圖12所示。

圖12 RTC的GE_0/1接口報文

將圖9和圖10結合分析可得，被分片的IPv4報文在路由器RTC發生重組，但IPv6分片報文并未發生重組，所以在6to4隧道通信機制下邊緣路由器可以對分片的IPv4報文重組，但無法重組IPv6報文。因為隧道路由器控制了隧道中報文的發送端和目的端，所以能夠重組隧道中被分片的IPv4報文。

（4）6to4隧道差錯檢測

①實驗拓撲

根據6to4隧道中的數據通信研究，得知隧道邊緣路由器具有特殊的分片重組功能，那么隧道邊緣路由器是否能收到ICMP差錯報文。將6臺路由器布置如圖13的實驗拓撲圖。

②實驗數據（如表4）

③結果分析

在實驗中從PCA向PCB發送一條報文長度為1300的IPv6報文，用Wireshark抓取RTD的GE_0/0接口的報文，發現一條ICMPv6差錯報文如圖14所示。

圖13 6to4隧道差錯檢測實驗拓撲

表4 6to4隧道差錯檢測實驗數據

由抓取的報文可得，ICMPv6差錯報文的目的地址為2002:0201:0101:1::2，即PCA的GE_0/0接口地址。分析報文發送過程我們可得其原因，當報文從隧道中發送出去時，它的源地址和目的地址被改為了初始的6to4地址，而不是隧道中的IPv4地址，隧道邊緣路由器只是在隧道兩端起終端作用，只能控制發送帶有IPv4報頭的報文，所以不能接收ICMPv6報文。

圖14 RTD的GE_0/0接口差錯報文

3 結語

本文基于H3C平臺搭建了在6to4隧道中IPv6孤網跨IPv4網絡實現數據通信的實驗拓撲，根據仿真實驗驗證了其通信原理，探測到隧道接口由于要進行6to4隧道報文的封裝，所以其MTU值默認為1480。

本文在隧道MTU探測基礎上，進一步針對6to4隧道進行IPv6孤島之間跨IPv4網絡通信的分片重組機制和差錯檢測方法進行了實驗探究。探究結果表明，當6to4隧道實現IPv6孤島跨IPv4網絡通信時，隧道中間IPv4路由器可發生IPv4報文分片且隧道邊緣路由器可重組被分片的IPv4報文，并且隧道邊緣路由器如果不作為IPv6報文的發送端，就無法接收ICMPv6差錯報文。所以隧道邊緣路由器在6to4隧道分片重組機制中起著決定性作用，這對于研究提高IPv6孤網跨IPv4網絡通信的網絡性具有實際應用價值。

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作者簡介：毛晴（1996-），女，河南新鄉人，在讀本科

通信作者：胡曦明（1978-），男，四川南充人，博士，講師，研究方向為教育信息化技術、計算機網絡技術

馬苗（1977-），女，山東聊城人，博士，教授，，研究方向為數據處理、智能系統、機器學習等

李鵬（1981-），男，陜西扶風人，博士，講師，研究方向為無線傳感器網絡、社會網絡

收稿日期：2018-04-12 修稿日期：2018-05-20

Abstract：Based on the H3C Cloud Lab platform,conducts a simulation experiment to study the communication process of IPv4 network.On this ba?sis,uses this method of setting MTU value to explore the fragmentation recombination technology in 6to4 tunnel.The experimental results show that,compared with no longer shard IPv6 network data transmission process,the mechanism of restructuring 6to4 tunnel due to the tunnel edge routers to shard restructuring and therefore when the data transmitted in the tunnel can be shard restructuring again.

Keywords：6 to4 Tunnel;Fragment;Restructuring;MTU