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 計算機科學(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為IPv6，在很長時間內(nèi)，IPv4 仍將存在。到那時，升級系統(tǒng)將需要保持與IPv4 系統(tǒng)的互操作能力。隨著時間的推移，互操作的負(fù)擔(dān)將由早期的實現(xiàn)者承擔(dān)轉(zhuǎn)為由傳統(tǒng)系統(tǒng)的維護者來承擔(dān)。任何情況下，同時支持IPv4 和IPv6 的系統(tǒng)都是必要的。

2 雙協(xié)議棧工作機理與應(yīng)用模型

2.1 雙協(xié)議棧工作機理

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，對于兩個協(xié)議來說，其都是基于相同的平臺。對比計算機網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)來看。如果網(wǎng)絡(luò)中一臺計算機能支持IPv6協(xié)議又同時兼容IPv4 協(xié)議，那么該主機就可以既能與支持IPv4 協(xié)議的主機通信，又能與支持IPv6 協(xié)議的主機進行通信，雙協(xié)議棧技術(shù)的工作機理就在于此。

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。

對于目前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來說，實現(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，對于IPv6 的試驗應(yīng)用和業(yè)務(wù)也很有利，是目前開展IPv6網(wǎng)絡(luò)試驗的重點之一。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)備的升級很可能需要完全替換，投資壓力很大。為了順利進行試驗，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，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。針對以上兩種模型的特點，以及綜合考慮校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、應(yīng)用特點，我們最終選擇了Limited Dual Stack Model 作為解決過渡問題的基本模型，實現(xiàn)了應(yīng)用技術(shù)與實現(xiàn)代價的有效均衡。

3 Ipv4 和Ipv6 互通技術(shù)

3.1 BIS(Bump-In-the-Stack)

BIS 機制允許在IPv4 節(jié)點運行的不支持IPv6 的應(yīng)用程序能夠與純IPv6 節(jié)點進行通信，要求在IPv4 協(xié)議棧中插入三個特殊的擴展模塊:域名解析模塊、地址映射模塊和報頭翻譯模塊。其基本思想是當(dāng)IPv4 應(yīng)用程序與純IPv6 節(jié)點通信時，將節(jié)點的IPv6 地址映射成一個備用IPv4 地址池中的IPv4 地址?？梢哉J(rèn)為BIS 是NAT-PT 在主機節(jié)點IP 協(xié)議棧的特例實現(xiàn)。

3.2 TRT(Transport Relay Translator)

TRT 機制和NAT-PT 類似，但它是在傳輸層將一個IPv4 的TCP 或UDP 連接與一個IPv6的TCP 或UDP 連接聯(lián)系起來，也就是說是在傳輸層實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，而不是在網(wǎng)絡(luò)層。TRT 機制的每個連接都是真正的IPv4 或IPv6 連接，因此可以避免IP 分組分片和ICMP 報文轉(zhuǎn)換帶來的問題，但對一些存在內(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)作來完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.3 DSTM(Dual Stack Transition Mechanism)

DSTM 機制用于實現(xiàn)支持雙協(xié)議棧但沒有分配全球唯一IPv4 地址的節(jié)點與純IPv4 節(jié)點的相互通信。其基本思想是當(dāng)支持雙協(xié)議棧的節(jié)點需要IPv4 地址時，可以通過與DSTM 服務(wù)器進行基于IPv6 的通信 (可采用擴展的DHCPv6)臨時得到一個IPv4 地址并反映到DNS 中。對于沒有IPv4 內(nèi)部路由體系的情況，支持雙協(xié)議棧的節(jié)點使用IPv6 路由體系，IPv4的數(shù)據(jù)報將會被封裝到IPv6 數(shù)據(jù)報中在節(jié)點內(nèi)傳輸。

3.4 ALG(Application Level Gateway)

ALG 機制是應(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ALG 同時支持IPv4 和IPv6 協(xié)議棧時，就可以作為IPv4 和IPv6 的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。ALG提供的每個服務(wù)都是單獨的IPv4 和IPv6 連接，可以完全避免在IP 層進行IP 頭標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來的一些問題，但ALG 機制要求對每個應(yīng)用編寫單獨的ALG 代理，而且代理必須同時支持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

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

當(dāng)節(jié)點為純雙棧節(jié)點時，對其分配的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)點具有自動隧道功能的時候，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)點與其它類型的多棧節(jié)點的工作方式相同。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)議棧來進行相關(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。如果建立了自動隧道機制，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 棧來處理。

4.3 發(fā)送數(shù)據(jù)包

由于雙棧主機同時支持IPv4 和IPv6 兩種協(xié)議，所以當(dāng)其在網(wǎng)絡(luò)中通信的時候需要根據(jù)情況確定使用其中的一種協(xié)議棧進行通信，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A 與節(jié)點B 通信，A為雙棧節(jié)點，節(jié)點B 支持IPv4 協(xié)議。則雙棧節(jié)點A 工作方式，使用IPv4 協(xié)議與節(jié)點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)地址情況進行相應(yīng)的處理。

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

[1]張鴻.IPv6 時代的域名系統(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.中國有線電視，2004.