Android移動網(wǎng)絡終端的IPv6接入系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

周浩++趙欽++馬嚴

摘 要：針對目前國內(nèi)3G/4G用戶無法接入IPv6網(wǎng)絡的問題，本文設計并實現(xiàn)了一種面向Android平臺的IPv6接入系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用隧道技術(shù)，將移動端的IPv6流量封裝進IPv4數(shù)據(jù)包中，并通過隧道傳輸至IPv6接入服務器，由IPv6接入服務器解封裝后轉(zhuǎn)發(fā)至IPv6網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)移動終端的IPv6接入能力。該系統(tǒng)利用第三方互聯(lián)網(wǎng)帳號進行接入認證，具備一定的適用性和簡易性。通過部署測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以方便有效地解決移動互聯(lián)網(wǎng)用戶接入IPv6的問題。

關(guān)鍵詞：軟件工程；IPv6接入系統(tǒng)；設計與實現(xiàn)；Android；OpenVPN；

中圖分類號：TP311.1

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.11.016

0 引言

如今，世界各地的高校、運營商以及部分商業(yè)公司已經(jīng)開始了IPv6的商業(yè)化進程。諸如Google，YouTube，百度，阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)均已經(jīng)提供了IPv6服務讓用戶訪問。此外，六維空間，晨光BT等一大批IPv6站點開始走向用戶生活，受到越來越多的用戶的關(guān)注和追捧。

然而，目前國內(nèi)的IPv6網(wǎng)絡建設仍處于一個初級階段，IPv6接入能力主要集中在面向教育網(wǎng)內(nèi)的高校。對于普通的移動網(wǎng)絡用戶而言，運營商僅僅向其提供IPv4網(wǎng)絡接入服務，這對習慣了獲取IPv6資源的用戶，特別是對于長期使用教育網(wǎng)的用戶而言，是非常不便的。因此，為這些用戶提供一種簡單有效的從IPv4向IPv6的過渡技術(shù)就非常有價值。

在目前常用的幾種過渡技術(shù)中，隧道技術(shù)由于其對網(wǎng)絡設備依賴性低，具備適用性廣和簡單易用等特點，受到不少用戶和研究人員的青睞。本文基于OpenVPN隧道技術(shù)，設計并實現(xiàn)了一套針對Android平臺移動終端的IPv6接入系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理

OpenVPN是一個開放源碼的基于SSL的隧道系統(tǒng)，具備良好的安全性和極佳的跨平臺性，是實現(xiàn)隧道技術(shù)的一個理想方案。通過對OpenVPN以及Android系統(tǒng)的研究，本文提出了在移動網(wǎng)絡環(huán)境下，面向Android設備的IPv6接入系統(tǒng)。其核心原理是借助OpenVPN創(chuàng)建Android終端與IPv6接入服務器之間的IPv4隧道連接，將Android終端產(chǎn)生的所有IPv6流量通過這條隧道引導到IPv6網(wǎng)絡。同時，將IPv6網(wǎng)絡中流向Android終端的返回數(shù)據(jù)從這條隧道傳回至Android終端。OpenVPN的核心是虛擬網(wǎng)卡，在Android客戶端創(chuàng)建隧道連接時，OpenVPN會在Android設備中創(chuàng)建名為tun的虛擬網(wǎng)卡，作為系統(tǒng)的默認IPv6出口，并通過套接字編程接口讀寫該虛擬網(wǎng)卡，對流經(jīng)該網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包進行封裝或解封裝操作。

其中，Android終端和IPv6接入服務器之間的數(shù)據(jù)交互流程如下所述，在本文，我們將Android客戶端程序稱為6in4程序：

圖1展示的是Android終端發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包的流程：

l.Android APP使用IPv6協(xié)議訪問IPv6資源，向協(xié)議棧提交一個IPv6數(shù)據(jù)包。

2.Android系統(tǒng)協(xié)議棧將應用程序提交的IPv6數(shù)據(jù)包發(fā)送到虛擬的tun接口。

3.6in4程序接著可以從tun接口讀取該IPv6數(shù)據(jù)包，而后對其進行IPv4封裝，再提交到系統(tǒng)協(xié)議棧。

4.協(xié)議棧根據(jù)路由表將IPv4數(shù)據(jù)包從IPv4接口發(fā)送出去。

圖2展示的是IPv6接入服務器接收到Android端發(fā)來的數(shù)據(jù)后的處理流程：

1.接入服務器的IPv4接口接收到封裝了IPv6數(shù)據(jù)的IPv4數(shù)據(jù)包，并提交到系統(tǒng)協(xié)議棧。

2.系統(tǒng)協(xié)議棧將數(shù)據(jù)包上傳給OpenVPN服務端程序。

3.OpenVPN服務端程序?qū)Pv6數(shù)據(jù)從IPv4包從提取出來，并再次提交到系統(tǒng)協(xié)議棧。

4.系統(tǒng)協(xié)議棧根據(jù)路由表規(guī)則將IPv6數(shù)據(jù)包從IPv6接口發(fā)送出去。

圖3展示的是IPv6接入服務器接收到外部設備發(fā)往Android終端的IPv6數(shù)據(jù)包時的處理流程：

1.接入服務器的IPv6接口收到IPv6數(shù)據(jù)包，并提交到協(xié)議棧。

2.協(xié)議棧根據(jù)路由規(guī)則將IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到tun接口。

3.OpenVPN服務端程序從tun接口讀取IPv6數(shù)據(jù)包，并將其打包到IPv4數(shù)據(jù)包內(nèi)，提交到系統(tǒng)協(xié)議棧。

4.系統(tǒng)協(xié)議棧根據(jù)路由表規(guī)則將打包后的IPv4數(shù)據(jù)包從IPv4接口發(fā)出。

圖4是Android接收IPv6響應的處理流程：

1.Android從網(wǎng)絡接口接收到IPv4數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包內(nèi)的IP地址信息，將該IPv4數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)6in4程序。

2.6in4程序?qū)?shù)據(jù)包解封裝，恢復成IPv6數(shù)據(jù)包，再將IPv6報文提交到協(xié)議棧。

3.Android協(xié)議棧根據(jù)IPv6數(shù)據(jù)包的地址和端口信息，將數(shù)據(jù)包提交給應用程序。

通過以上四個過程，實現(xiàn)了Android終端對IPv6資源的訪問。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計

通過對已有系統(tǒng)的研究和學習，本文將接入系統(tǒng)分五個功能模塊，分別為IPv6接入模塊，認證模塊，API接口模塊，數(shù)據(jù)庫，Android端程序6in4，除客戶端程序外，各個模塊可以部署在單臺或多臺服務器上。這五個部分的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示：

其中，IPv6接入模塊與Android終端之間建立IPv4隧道連接，通過該隧道為其提供IPv6接入功能。在建立隧道連接時，IPv6接入模塊會對客戶端進行身份驗證，而驗證過程則依賴認證服務器為其提供的驗證接口。

認證模塊基于FreeRadius搭建，對IPv6接人模塊提供身份驗證接口，對API接口模塊提供用戶注冊，查詢接口。

API接口模塊面向Android客戶端程序6in4，為其提供RESTful API支持，包括賬號注冊，接入服務器信息查詢，日志上報，IPv6資源下發(fā)等功能。

數(shù)據(jù)庫中存儲用戶的賬號信息，隧道連接信息，客戶端上報的日志信息等數(shù)據(jù)，方便管理員了解整個系統(tǒng)的運行狀況。

2.2 客戶端設計

客戶端程序適配Android 4.0及以上版本。這是因為Android在4.0版本提供了VPN的相關(guān)編程接口，使得第三方應用可以在未獲取Root權(quán)限的情況下，也能實現(xiàn)VPN相關(guān)的功能。此外，客戶端程序引入QQ和新浪微博賬號，方便用戶使用已有賬號進行使用?？蛻舳顺绦蚺c服務端的交互流程如圖6所示：

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與部署

3.1 認證服務器的安裝配置

本系統(tǒng)中所有服務端程序都運行于CentOS 6.5版本系統(tǒng)。

認證服務器基于FreeRadius搭建。可以通過包管理軟件yum進行radius的安裝，安裝前需確認MySQL數(shù)據(jù)庫已安裝。FreeRadius的安裝命令如下：

$yum install -yfreeradius freeradius-mysql freeradius-utils

安裝完畢后，需要修改Radius的配置，使其使用MySQL數(shù)據(jù)庫進行用戶數(shù)據(jù)的存儲。修改配置文件/etc/raddb/radius.conf，找到modules配置塊，刪除$INCLUDE sql.conf以及$INCLUDE sql/mysql/counter.conf前的“#”號，如下：

修改/etc/raddb/sql.conf，配置成MySQL數(shù)據(jù)庫的地址和賬號和表名。

3.2 OpenVPN安裝以及Radius插件配置

OpenVPN可以使用yum命令進行安裝。

$yum install openvpn -y

OpenVPN的配置步驟中，比較重要的是CA證書的生成，可以借助easy-rsa工具，進入easy-rsa目錄下后執(zhí)行命令：

$./clean-all #清除原有不需要的證書文件

$./build-ca #生成證書

創(chuàng)建服務端證書

$./build-key-server server #這里指定服務端的證書名為server

創(chuàng)建客戶端證書

$./build-key client #這里指定客戶端的證書名為client

$./build-dh #證書加密，dh指Diffie Hellman

將以上步驟創(chuàng)建的證書都復制到/etc/openvpn/keys目錄下

之后編譯Radius認證插件?？梢詮墓倬W(wǎng)下載插件源代碼，根據(jù)文檔完成編譯，生成radiusplugin.so二進制文件，并將此二進制文件以及配置文件復制到OpenVPN安裝目錄下

編輯radiusplugin.cnf配置文件，修改其中的端口，IP等參數(shù)。

修改OpenVPN的配置文件server.cnf，如下：

在配置文件中指定OpenVPN程序以server的形態(tài)運行，使用的端口號為1194，以及IPv4和IPv6地址。push參數(shù)用于向客戶端推送路由規(guī)則和DNS信息。plugin參數(shù)用于加載radiusplugin.so插件。log和status參數(shù)指定日志文件路徑。keepalive參數(shù)指定隧道的保活時間。

完成以上配置后，重啟OpenVPN程序

$ /etc/init.d/openvpn restart

3.3 API接口服務器搭建

API接口服務器使用Yii框架進行搭建，使用JSON格式數(shù)據(jù)與客戶端進行數(shù)據(jù)通訊，并對用戶名、密碼等敏感數(shù)據(jù)進行RSA加密。

3.4 Android客戶端實現(xiàn)

Android客戶端基于開源項目ics-openvpn進行深度定制與開發(fā)，加入了QQ和新浪微博的賬號登錄，網(wǎng)絡環(huán)境診斷功能，IPv6資源推薦，用戶意見反饋，應用分享等功能，內(nèi)置隧道鏈接配置文件，刪除了對配置文件的修改功能。

其中，QQ和新浪微博賬號接入使用了ShareSDK進行整合，申請賬號授權(quán)代碼如下：

此外，還需要在客戶端提供OpenVPN客戶端的配置文件，如下：

Client

dev tun

remote<服務端IP地址><端口號>

proto udp

topology subnet

resolv-retrv infinite

nobind

persist-key

persist-tun

auth-user-pass

#此處填充具體的證書內(nèi)容

ns-cert-type server

cipher AES-128-CBC

comp-lzo

route-method exe

route-delay 2

verb 3

tun-ipv6

以上配置文件指定了VPN服務端的IP地址，端口，認證方式，連接協(xié)議等信息。Android端程序?qū)⒁罁?jù)此配置與服務端建立隧道連接。

4 系統(tǒng)測試

測試使用的設備為Nexus 5，系統(tǒng)版本為Android5.1.1，關(guān)閉手機的WIFI網(wǎng)絡，僅接入北京聯(lián)通3G網(wǎng)絡。

初始的IPv4路由表如下：

IPv6路由表為空如下：

訪問IPv4地址情況如下：

訪問IPv6地址情況如下：

顯示網(wǎng)絡不可達，因為北京地區(qū)的聯(lián)通3G網(wǎng)絡未提供IPv6接入能力。

打開Android客戶端程序并建立隧道連接后，IP地址分配情況：

可見OpenVPN在Android終端內(nèi)創(chuàng)建了名為tun的虛擬端口，其IP地址被設置為服務端指派的IP地址。

再看IPv6路由表

已將tun接口設置成默認的IPv6出口。

訪問IPv6站點情況：

同時也不影響IPv4的訪問

在進過幾輪的測試后，測試設備與IPv6站點間的Ping延時如下：

從測試結(jié)果看，本系統(tǒng)可以為移動網(wǎng)絡下的Android終端提供IPv6接入能力，但由于受限與隧道加解密處理，以及IPv6接入服務器的出口帶寬等物理因素，使得Android終端對IPv6資源的訪問速度有所下降。但從手機瀏覽器訪問IPv6網(wǎng)站的用戶體驗而言，依然處于一個可用的水平。

目前，客戶端軟件已經(jīng)在百度應用市場和騰訊應用寶上架，截止2015年10月底，已經(jīng)有近1000次裝機量和500名左右注冊用戶，隧道連接的創(chuàng)建次數(shù)已經(jīng)超過了12000次。

5 總結(jié)

本文針對目前移動設備在3G/4G等移動網(wǎng)絡下無法接入IPv6網(wǎng)絡的問題，提出并實現(xiàn)了一種簡單、有效的IPv6接入系統(tǒng)。通過隧道的方式將用戶的IPv6流量封裝進IPv4數(shù)據(jù)包中，實現(xiàn)IPv6 over IPv4網(wǎng)絡的設計思路，并采用手機APP的形式，為用戶屏蔽了復雜的隧道配置過程和參數(shù)管理。同時，采用QQ，新浪微博等國內(nèi)用戶常用的互聯(lián)網(wǎng)賬號進行接入認證，更是降低了用戶的使用門檻。目前，Android4.0版本已經(jīng)占據(jù)了95%以上的份額，因此該方案也具備較廣泛的適用性，對iOS平臺下的實現(xiàn)方案也有很大的借鑒意義。

然而，受限于IPv4帶寬，終端的IPv6接入速度和接入質(zhì)量相對于雙棧接入的用戶而言，有一定的下降，這個問題可以通過改善終端與IPv6接入服務器之間的線路質(zhì)量，降低隧道的數(shù)據(jù)處理開銷，引入IPv6接入服務器集群，增加接入服務器的IPv4帶寬資源等方法進行解決。