基于隧道技術(shù)IPV4與IPv6雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)施

◆李 洋

（陜西銀河景天電子有限責(zé)任公司 陜西 710054）

基于隧道技術(shù)IPV4與IPv6雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)施

◆李 洋

（陜西銀河景天電子有限責(zé)任公司 陜西 710054）

在當(dāng)前IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)共存的環(huán)境下，如何解決兩代IP標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)問(wèn)題是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一個(gè)重要課題。本文以現(xiàn)有局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為背景，探索使用6to4隧道技術(shù)、雙棧技術(shù)、NAT-PT技術(shù)作為IPv4網(wǎng)絡(luò)上搭建IPv6網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡技術(shù)，并完成基于IPv4和IPv6雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

IPV4；IPV6；6to4隧道技術(shù)；雙棧技術(shù)；NAT-PT技術(shù)

0 引言

當(dāng)前，各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商、終端用戶(hù)激增，這就要求網(wǎng)絡(luò)具有更大的容量?，F(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)多數(shù)為基于 IPv4協(xié)議的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，具有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：

（1）有限的地址空間：IPv4中地址長(zhǎng)度為32，即有2^32-1個(gè)地址。

（2）IPv4數(shù)據(jù)包的性能不足：IPv4在最大傳輸單元、最大包長(zhǎng)度、IP頭的設(shè)計(jì)以及校驗(yàn)和的使用等方面都有待提高。

（3）安全性不高：基于IPv4協(xié)議的數(shù)據(jù)包只具有最少的安全性選項(xiàng)，沒(méi)有提供加密和認(rèn)證機(jī)制，不能保證數(shù)據(jù)資源的安全傳輸。

（4）路由瓶頸：Internet規(guī)模的增長(zhǎng)導(dǎo)致路由器的路由表迅速膨脹，導(dǎo)致路由效率下降，特別是骨干網(wǎng)絡(luò)路由效率急劇下降。另外，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中 IPv4的地址歸用戶(hù)所有，這使得移動(dòng)IP路由更加復(fù)雜，難以適應(yīng)當(dāng)今移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

基于以上原因，TCP/IP的工程師和設(shè)計(jì)人員早在20世紀(jì)80年代初期就致力于解決IPv4地址匱乏問(wèn)題的研究。NAT技術(shù)的使用使得 IPv4協(xié)議地址匱乏的問(wèn)題得到緩解，但是由于地址匱乏的原因，IETF小組在1990年開(kāi)始規(guī)劃IPv4下一代協(xié)議，1998年IPv6協(xié)議草案標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。

當(dāng)前 IPv6的標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)基本完善，在這個(gè)過(guò)程中，IPv6逐步優(yōu)化了協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，為業(yè)務(wù)發(fā)展創(chuàng)造機(jī)會(huì)，IPv6具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）地址充足：IPv6產(chǎn)生的初衷主要是解決IPv4地址匱乏問(wèn)題，即將IPv4的32bit地址，擴(kuò)展到了128bit地址，提供了足夠的地址資源。同時(shí)IPv6地址是有范圍的，包括鏈路本地地址、站點(diǎn)本地地址和任意傳播地址，進(jìn)一步增加了地址應(yīng)用的擴(kuò)展性。

（2）簡(jiǎn)化的報(bào)文頭格式：通過(guò)簡(jiǎn)化固定的基本報(bào)頭、采用64比特邊界定位、取消IP頭的校驗(yàn)和域等措施，以提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)IP報(bào)文的處理效率。

（3）擴(kuò)展為先：IPv6取消了IPv4報(bào)文頭中的選項(xiàng)字段，并引入了多種擴(kuò)展報(bào)文頭，在提高處理效率的同時(shí)還大大增強(qiáng)了IPv6的靈活性，為IP協(xié)議提供了良好的擴(kuò)展能力。IPv4報(bào)文頭中的選項(xiàng)字段最多只有40字節(jié)，而IPv6擴(kuò)展報(bào)文頭的大小只受到IPv6報(bào)文大小的限制。

（4）層次化地址結(jié)構(gòu)：IPv6極大的地址空間使層次性的地址規(guī)劃成為可能，同時(shí)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)規(guī)定了各個(gè)類(lèi)型地址的層次結(jié)構(gòu)，這樣既便于路由的快速查找，也有利于路由聚合，縮減IPv6路由表大小，降低網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃的難度。

（5）地址自動(dòng)配置：IPv6引入自動(dòng)配置以及重配置技術(shù)，對(duì)于IP地址等信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增刪和更新配置，提高IPv6的易管理性。

（6）內(nèi)置安全性：IPv6集成IPSec，用于網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證與加密，為用戶(hù)提供端到端的安全特性，使用起來(lái)比 IPv4簡(jiǎn)單、方便，可以在遷移到IPv6時(shí)同步發(fā)展IPSec。

（7）支持QoS：IPv6報(bào)文頭的流標(biāo)簽（Flow Label）字段實(shí)現(xiàn)流量的標(biāo)識(shí)，允許設(shè)備對(duì)某一流中的報(bào)文進(jìn)行識(shí)別并提供特殊處理。

（8）移動(dòng)便捷：MobileIPv6增強(qiáng)了移動(dòng)終端的移動(dòng)特性、安全特性、路由特性，降低了網(wǎng)絡(luò)部署的難度和投資，為用戶(hù)提供了永久在線(xiàn)的服務(wù)。

盡管基于 IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用得到廣泛的研究和開(kāi)發(fā)，但是，在未來(lái)一個(gè)時(shí)期里，大多數(shù)的用戶(hù)還會(huì)在基于 IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中獲得服務(wù)，即便是那些基于 IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將擁有越來(lái)越多的用戶(hù)，也無(wú)法改變這樣的狀況。原因在于，基于IPv4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常成熟，各種服務(wù)的實(shí)現(xiàn)較為方便，獲得的技術(shù)支持也較為全面，用戶(hù)樂(lè)于享受這樣完善的服務(wù)；并且現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用向 IPv6網(wǎng)絡(luò)移植的條件還不夠成熟，成本和服務(wù)的穩(wěn)定性不能得到保證，這就會(huì)使得用戶(hù)在選擇的時(shí)候更多的去選擇基于IPv4協(xié)議的服務(wù)。

這并不是說(shuō) IPv6協(xié)議有技術(shù)缺陷，而是由于服務(wù)提供商出于成本的考慮，對(duì)于IPv6開(kāi)發(fā)支持不夠。因此,IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存，從IPv4到IPv6將是一個(gè)逐漸過(guò)渡的過(guò)程，在IPv6完全取代IPv4之前，怎樣實(shí)現(xiàn)兩者之間的資源共享和通信成為當(dāng)前一個(gè)重要的研究課題。

在IPv4向IPv6過(guò)渡過(guò)程中需要遵循如下原則：

（1）轉(zhuǎn)換應(yīng)該循序漸進(jìn)的進(jìn)行，在過(guò)渡期間IPv4網(wǎng)路能夠正常獨(dú)立的快速運(yùn)行并充分的保護(hù)原有IPv4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

（2）IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該互相滲透，長(zhǎng)期共存。這就要求IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)互操作。

（3）IPv4網(wǎng)絡(luò)向IPv6網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的費(fèi)用要盡可能的低，轉(zhuǎn)換技術(shù)也要盡可能的簡(jiǎn)單易操作。能夠吸引更多的用戶(hù)主動(dòng)的向IPv6過(guò)渡。

在這些原則要求下雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)、地址翻譯技術(shù)得到了廣泛的使用，為IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)間資源共享和通信提供了途徑。

1 基于IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議的雙棧局域網(wǎng)設(shè)計(jì)

本文以某高校開(kāi)展基于 IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究和開(kāi)發(fā)為背景，在其現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立多個(gè)面向不同的 IPv6網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為了便于開(kāi)展學(xué)術(shù)交流和科研協(xié)作，又要求IPv6網(wǎng)絡(luò)和IPv4網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行資源共享和通信，在此要求下，本文將對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施。

1.1 需求分析

在校園網(wǎng)現(xiàn)有規(guī)模的基礎(chǔ)上，學(xué)校開(kāi)展了智能家居、生物監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控等多項(xiàng)應(yīng)用的研究開(kāi)發(fā)，考慮到未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，學(xué)校計(jì)劃在 IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)和測(cè)試，同時(shí)為了保證資訊暢通和進(jìn)行開(kāi)發(fā)協(xié)作，同時(shí)又要保證測(cè)試網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能夠相互通信，并且能夠無(wú)障礙的訪(fǎng)問(wèn)Internet，在訪(fǎng)問(wèn)外網(wǎng)時(shí)應(yīng)該既能對(duì)基于 IPv4的廣域網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，也能訪(fǎng)問(wèn)基于 IPv6協(xié)議的公共網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者而言，不需要開(kāi)發(fā)者去關(guān)注這些方面的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)者只需要在單一的 IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完成開(kāi)發(fā)和測(cè)試。

設(shè)計(jì)拓?fù)淙缦拢?/p>

圖1 校園局域網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D

1.2 功能描述

某高校有機(jī)電系、信息系、電子系、行政辦公區(qū)、公共活動(dòng)區(qū)、宿舍區(qū)部署運(yùn)行良好的IPv4網(wǎng)絡(luò)。學(xué)校開(kāi)展了基于IPv6協(xié)議小型科研網(wǎng)絡(luò)的研究，現(xiàn)將生物監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、智能家居等基于 IPv6協(xié)議小型科研網(wǎng)絡(luò)分別部署在電子系教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓和信息系教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓。要求實(shí)現(xiàn)基于IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與基于IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互通；校園網(wǎng)內(nèi)部IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互通；IPv6網(wǎng)絡(luò)與6bone的連通；IPv6節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)獲取IPv6地址。

對(duì)基于IPv4的廣域網(wǎng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，也能訪(fǎng)問(wèn)基于IPv6協(xié)議的公共網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者而言，不需要開(kāi)發(fā)者去關(guān)注這些方面的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)者只需要在單一的 IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完成開(kāi)發(fā)和測(cè)試。

2 雙棧局域網(wǎng)實(shí)施技術(shù)

在實(shí)施過(guò)程中，首先要保證原有校園網(wǎng)中 IPv4網(wǎng)絡(luò)的正常使用。對(duì)于新部署的小型IPv6網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部IPv6網(wǎng)絡(luò)之間互通；IPv6網(wǎng)絡(luò)與校園網(wǎng)內(nèi)部IPv4網(wǎng)絡(luò)互通；IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4 Internet互通；IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv6主干網(wǎng)的互通。

基于以上關(guān)鍵點(diǎn)的分析，為實(shí)現(xiàn)以上連通需求，現(xiàn)有解決方案主要有：雙協(xié)議棧技術(shù)、隧道技術(shù)以及 IPv4/IPv6協(xié)議翻譯技術(shù)。

隧道技術(shù)是將一種協(xié)議報(bào)文封裝在另一種協(xié)議報(bào)文中。IPv6隧道技術(shù)就是將IPv6的包封裝到IPv4的包中，這樣IPv6就可以穿越 IPv4網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩者之間通信。隧道技術(shù)只要求在隧道的入口和出口進(jìn)行修改，因此在操作上容易實(shí)現(xiàn)。[5]

隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)之間互通；隧道的建立也是非常簡(jiǎn)單，不需要其他的開(kāi)銷(xiāo)；不需要對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行修改,具備良好的擴(kuò)展性。但是隧道技術(shù)也有缺點(diǎn)，在安全性能上或多或少的存在些問(wèn)題，因?yàn)樗菍⒁环N協(xié)議封裝在另一中協(xié)議中，這樣防火墻不能檢查封裝后的數(shù)據(jù)流，而且還很容易受到注入流量的攻擊。還有就是隧道技術(shù)自身的缺陷，它不適用于IPv6和Ipv4網(wǎng)絡(luò)之間的通信。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題IPv4/IPv6協(xié)議翻譯技術(shù)能夠有效解決。隧道技術(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 雙協(xié)議棧技術(shù)示意圖

在IPv6發(fā)展初期，有許多局部IPv6孤島，這些IPv6網(wǎng)絡(luò)被IPv4骨干網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)來(lái)，為了使這些孤立的“IPv6島”互通，利用穿越現(xiàn)存1Pv4因特網(wǎng)的隧道技術(shù)將許多個(gè)“IPv6孤島”連接起來(lái)，逐步擴(kuò)大IPv6的實(shí)現(xiàn)范圍。隧道技術(shù)是在IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)間的隧道入口處，由路由器將IPv6的數(shù)據(jù)分組封裝入IPv4中。

IPv4分組的源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的lPv4地址。在隧道的出口處再將IPv6分組取出轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。隧道技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：將IPv4的隧道作為IPv6的虛擬鏈路；充分利用現(xiàn)有 IPv4骨干網(wǎng)；骨干網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備無(wú)須升級(jí)；符合從邊緣過(guò)渡的策略。隧道技術(shù)的缺點(diǎn)是：額外的隧道配置，降低效率，只能實(shí)現(xiàn) V6-V6設(shè)備互連。本課題介紹幾種具體實(shí)施方案：手工配置隧道、GRE隧道、自動(dòng)隧道(6to4隧道)。[6]

2.1 手工隧道

手工隧道模擬兩個(gè)IPv6域之間穿越IPv4骨干的永久鏈路。隧道兩端創(chuàng)建隧道接口，手工給每個(gè)隧道接口配置 IPv6地址。隧道接口沒(méi)有 IPv4地址，隧道使用物理接口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)流。實(shí)際應(yīng)用中為提供穩(wěn)定性，將環(huán)回接口用作隧道的源接口和目標(biāo)接口。手工隧道兩端的路由器須是雙棧的，要在兩個(gè) IPv6網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)分組，須正確的配置 IPv4路由功能。手工隧道示意圖如下。

圖3 手工隧道示意圖

2.2 GRE通道

GRE通道與手工隧道極其相似，其配置也與手工隧道很相似。GRE隧道是Cisco開(kāi)發(fā)的，在Cisco路由器上默認(rèn)的隧道協(xié)議為GRE封裝（使用命令tunnel mode配置）。GRE隧道在協(xié)議支持方面更靈活，可部署在多種傳輸協(xié)議之上，可運(yùn)行多種乘客協(xié)議。與手工隧道類(lèi)似，GRE隧道也通常是在路由器之間創(chuàng)建，但也可在路由器和主機(jī)之間創(chuàng)建。在路由器之間，主機(jī)和路由器之間或遠(yuǎn)程IPv6網(wǎng)絡(luò)之間需要永久性連接時(shí)，可使用GRE通道。GRE隧道示意圖如圖4所示。

圖4 GRE隧道示意圖

2.3 6to4隧道技術(shù)

6to4隧道也被稱(chēng)為 6-to-4隧道，是一種單點(diǎn)到多點(diǎn)隧道方式。用于通過(guò)IPv4IPv6域鏈接起來(lái)。邊緣路由器使用其隧道接口的IPv6地址內(nèi)嵌的IPv4地址自動(dòng)創(chuàng)建6to4隧道。每臺(tái)6to4邊緣路由器都是雙棧設(shè)備，它有一個(gè)前綴為/48的IPv6地址，這是由2002::/16和邊緣路由器的IPv4地址（十六進(jìn)制表示）組合而成。通過(guò)使用6to4隧道，可在公司網(wǎng)絡(luò)中快速部署IPv6網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)需向ISP或注冊(cè)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)公有IPv6地址。

6to4隧道的缺點(diǎn)在于，只能使用靜態(tài)路由或 BGP這是因?yàn)槠渌酚蓞f(xié)議使用鏈路本地地址來(lái)建立鄰居關(guān)系和交換更新，而鏈路本地地址不符合6to4隧道的要求。因此不能用于6to4隧道。此外，不能在隧道的IPv4路徑上使用NAT，這同樣是6to4隧道對(duì)地址的要求。6to4隧道是一種很不錯(cuò)的遷移到 IPv6的方法，但只能用作零時(shí)性而非永久性解決方案。6to4隧道示意圖如下。

圖5 6to4隧道示意圖

3 實(shí)施技術(shù)配置

在校園網(wǎng)中，需要實(shí)現(xiàn)新部署的基于 IPv6協(xié)議小型局域網(wǎng)與原基于IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的互通；IPv6局域網(wǎng)絡(luò)之間互訪(fǎng)以及與IPv4主干網(wǎng)、IPv6主干網(wǎng)的連通。出于保護(hù)原有IPv4網(wǎng)路基礎(chǔ)建設(shè)，節(jié)約成本的考慮，本文選擇 6to4隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于 IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互通以及與IPv6主干網(wǎng)的連通；IPv4/IPv6協(xié)議翻譯技術(shù)解決基于IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與基于IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的連通問(wèn)題。

本文采用6to4隧道實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互通,實(shí)現(xiàn)電子系教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓用于生物監(jiān)測(cè)的 IPv6網(wǎng)絡(luò)與信息系教學(xué)實(shí)訓(xùn)樓用于智能家居的IPv6網(wǎng)絡(luò)互通。6to4隧道配置案例拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6是一個(gè)生物監(jiān)測(cè)的IPv6網(wǎng)絡(luò)（6to4），使用6to4隧道通過(guò)6to4中繼交換機(jī)接入另外一個(gè)智能家居的IPv6網(wǎng)絡(luò)的配置。

圖6 6to4配置案例拓?fù)?/p>

在前面已經(jīng)介紹了6to4隧道技術(shù)主要用在將孤立的IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來(lái)，并且可以通過(guò)6to4中繼路由器方便的接入IPv6主干網(wǎng)絡(luò)。6to4隧道是自動(dòng)隧道，嵌入在IPv6地址的IPv4地址將用來(lái)尋找自動(dòng)隧道的另一端，因此6to4隧道無(wú)須配置隧道的目的端，同時(shí)6to4隧道的配置不像手工隧道要對(duì)稱(chēng)配置。

4 結(jié)果總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡技術(shù)研究，探討了在原有基于IPv4校園網(wǎng)中建設(shè)基于IPv6協(xié)議科研網(wǎng)絡(luò)的部署方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于IPv4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)和基于IPv6協(xié)議的雙棧校園局域網(wǎng)建設(shè)需求進(jìn)行了分析，選擇適用IPv4向IPv6過(guò)渡的技術(shù)——6to4隧道技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)解決接入校園網(wǎng)中IPv6站點(diǎn)的連通問(wèn)題。并針對(duì)校園網(wǎng)的服務(wù)功能完成了一個(gè) Ipv6的DHCP配置。

[1]周偉.IPv4向 IPv6轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011.

[2]楊穎.IPv4向 IPv6過(guò)渡的研究[J].川北醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，2010.

[3]周金金，吉萌.基于以太網(wǎng)交換機(jī)IPv4/IPv6雙協(xié)議棧研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2010.

[4]Diane Teare 著，袁國(guó)中譯.CCNP ROUTER學(xué)習(xí)指南[M].北京：人民郵電出版社.

[5]杜慧軍.基于雙協(xié)議棧的 6to4隧道技術(shù)的應(yīng)用[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.

[6]李清平.DHCP在IPv4/IPv6雙協(xié)議棧校園網(wǎng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化，2012.