文/鄧庚盛 鄢志輝 鄒偉平 魯喆
為了降低IPv6過渡階段IPv4/IPv6 Web服務(wù)的部署難度,加快向IPv6過渡的進(jìn)程,文章針對(duì)IPv6過渡的4個(gè)階段制定了Web服務(wù)基于雙棧反向代理方案和漸進(jìn)式的過渡策略。通過在雙棧環(huán)境下部署反向代理服務(wù),同時(shí)分別監(jiān)聽I(yíng)Pv4和IPv6服務(wù)端口,并結(jié)合DNS域名設(shè)置,來實(shí)現(xiàn)支持IPv4/IPv6雙棧的Web服務(wù),使得純IPv4和純IPv6用戶均可訪問。文章對(duì)反向代理后Web內(nèi)容可能存在跨站跨協(xié)議資源訪問的問題提出了增加過濾轉(zhuǎn)換器的解決方法。與其他常用的雙棧、網(wǎng)絡(luò)翻譯等過渡機(jī)制相比,采用基于雙棧反向代理方式對(duì)于Web應(yīng)用的IPv6過渡有明顯的優(yōu)勢(shì),無需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任何變更就可以快速部署,不需要公網(wǎng)雙棧和無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)翻譯機(jī)制所要求的公網(wǎng)地址,而且在用戶和服務(wù)之間增加了隔離屏障,提高了服務(wù)的安全性。
自從全球地址分配機(jī)構(gòu)(IANA)于2011年2月3日正式宣布,將其最后的IPv4地址平均分配到全球5個(gè)地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心后,目前僅剩下非洲互聯(lián)網(wǎng)信息中心(AFRINIC)可正常分配IPv4地址[1]。IPv4向IPv6的全面過渡更加緊迫,但由于互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性和多樣性,這個(gè)過渡必將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。由于IPv4協(xié)議和IPv6協(xié)議本質(zhì)上不兼容,在過渡階段如何快速有效的向純IPv4和純IPv6用戶提供支持IPv4/IPv6的服務(wù),最終實(shí)現(xiàn)平滑過渡,是必須要考慮和解決的問題。
本文首先介紹了IPv6過渡階段的Web服務(wù)過渡機(jī)制,然后設(shè)計(jì)了采用雙棧反向代理服務(wù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)支持IPv4/IPv6的Web服務(wù)方案,并針對(duì)IPv6過渡的4個(gè)階段制定了雙棧反向代理的過渡策略,最后對(duì)基于雙棧反向代理的方案與其他常用過渡機(jī)制進(jìn)行比較并得出結(jié)論。
文獻(xiàn)[2]將IPv6過渡分為4個(gè)階段:純IPv4(階段0),IPv4為主、存在少量的IPv6(階段1),IPv6為主、存在少量的IPv4(階段2)和純IPv6(階段3)。由于階段0和階段3通信需求僅限于IPv4、IPv6同協(xié)議訪問,其中階段1和階段2的不同點(diǎn)在于純IPv4網(wǎng)絡(luò)、雙棧網(wǎng)絡(luò)、純IPv6網(wǎng)絡(luò)接入類型所占比例的多少。本文主要討論階段1和階段2的場(chǎng)景,需要同時(shí)滿足終端IPv4/IPv6用戶訪問IPv6/IPv4 Web服務(wù)的需求。見表1,只有雙棧方式接入的終端用戶能夠訪問所有的IPv4/IPv6服務(wù),純IPv4用戶不能訪問純IPv6服務(wù),純IPv6用戶不能訪問純IPv4服務(wù)。要滿足所有終端用戶同時(shí)能夠訪問IPv4/IPv6服務(wù),需要終端用戶通過IPv4-over-IPv6或IPv6-over-IPv4隧道的方式建立另外一種協(xié)議的通信通道,隧道的建立需要終端用戶做一定的配置,對(duì)于情況各異的用戶來說難以大規(guī)模使用。
表1 終端用戶在IPv6過渡階段訪問IPv4/IPv6Web服務(wù)的方式
因此,需要從Web服務(wù)端實(shí)現(xiàn)純IPv4和純IPv6用戶的訪問,通常有以下兩種方法:(1)服務(wù)器基于雙棧提供Web服務(wù),原生支持IPv4/IPv6;(2)IPv4-IPv6翻譯,通過一個(gè)翻譯模塊將IPv4 數(shù)據(jù)包和IPv6 數(shù)據(jù)包互相轉(zhuǎn)換,翻譯機(jī)制可以分為無狀態(tài)翻譯,如SIIT(stateless IP/ICMP translation)和IVI(IV stands for 4 and VI stands for 6),以及有狀態(tài)翻譯,如NAT-PT(NAT-protocol translation)和 NAT64。[3-5]
Web服務(wù)本身采用雙棧方式是首選,它可避免因轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的任何復(fù)雜性,并為服務(wù)器提供最多信息。[6]雙棧方式需要整個(gè)鏈路上的設(shè)備均支持雙棧,包括服務(wù)器和應(yīng)用本身,這意味著可能涉及到網(wǎng)絡(luò)改造和軟硬件設(shè)備更新,且公網(wǎng)雙棧需要消耗公網(wǎng)IPv4地址。IPv4-IPv6翻譯機(jī)制需要在邊界部署路由或網(wǎng)關(guān),無狀態(tài)翻譯機(jī)制不需要維護(hù)會(huì)話的狀態(tài),具有一定的靈活性,但它是以消耗IPv4地址空間的代價(jià)來實(shí)現(xiàn)雙向通信,有狀態(tài)翻譯機(jī)制需要翻譯器維護(hù)一個(gè)動(dòng)態(tài)的地址(地址和端口)映射和一個(gè)IPv4地址資源池。
由于公網(wǎng)雙棧方式和無狀態(tài)翻譯機(jī)制Web服務(wù)本身需要消耗公網(wǎng)IPv4地址空間,他們沒有解決IPv6協(xié)議主要解決的地址空間的問題;私網(wǎng)雙棧雖然不消耗公網(wǎng)IPv4地址但仍然需要鏈路上設(shè)備的支持;另外,私網(wǎng)雙棧和有狀態(tài)翻譯機(jī)制需要部署路由或網(wǎng)關(guān)并維護(hù)會(huì)話狀態(tài),增加了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。因此,為了降低IPv6過渡期間Web服務(wù)部署實(shí)施的復(fù)雜度,本文提出采用雙棧反向代理的方式實(shí)現(xiàn)過渡時(shí)期對(duì)Web服務(wù)的訪問,通過將反向代理服務(wù)器部署在雙棧環(huán)境中,Web服務(wù)可以只接入純IPv4或純IPv6,不需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做任何改變,進(jìn)而逐步完成向IPv6的過渡。
反向代理是指由代理服務(wù)器來接收來自互聯(lián)網(wǎng)的訪問請(qǐng)求,再把訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)站服務(wù)器,并從對(duì)應(yīng)網(wǎng)站服務(wù)器獲取結(jié)果返回給訪問用戶。[7]對(duì)于終端用戶來說,用戶正常訪問網(wǎng)頁即可,不需要做任何改變或配置。文獻(xiàn)[7-10]介紹了反向代理在Web服務(wù)中的應(yīng)用,并介紹了在安全、負(fù)載均衡、公網(wǎng)地址消耗等方面的優(yōu)勢(shì),但這些文獻(xiàn)均未涉及IPv4/IPv6雙棧環(huán)境的場(chǎng)景。
雙棧反向代理的方式是指將反向代理服務(wù)器部署在雙棧環(huán)境中,同時(shí)分別監(jiān)聽I(yíng)Pv4和IPv6服務(wù)端口,Web服務(wù)可以只接入純IPv4或純IPv6網(wǎng)絡(luò),純IPv4和純IPv6終端用戶可以通過反向代理服務(wù)器進(jìn)行代理訪問另一協(xié)議的Web服務(wù)。由于采用雙棧代理后Web內(nèi)容可能存在跨協(xié)議的資源引用問題,本文設(shè)計(jì)采用在反向代理服務(wù)內(nèi)設(shè)置過濾轉(zhuǎn)換器和通用代理器來實(shí)現(xiàn)跨協(xié)議訪問。
1.雙棧反向代理服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
IPv6過渡階段雙棧反向代理部署網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙棧反向代理服務(wù)器部署在雙棧網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)監(jiān)聽I(yíng)Pv4/IPv6的服務(wù)端口:
(1) 對(duì)于純IPv4用戶,在一側(cè)作為IPv4服務(wù)器,另一側(cè)作為IPv6客戶端,將來自IPv4客戶端的請(qǐng)求代理到IPv6服務(wù)器。
圖1 IPv6過渡階段雙棧反向代理部署網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意
(2) 對(duì)于純IPv6用戶,在一側(cè)作為IPv6服務(wù)器,另一側(cè)作為IPv4客戶端,將來自IPv6客戶端的請(qǐng)求代理到IPv4服務(wù)器。
雙棧反向代理服務(wù)器部署比較靈活,部署的位置取決于網(wǎng)絡(luò)的哪個(gè)部分可以支持雙棧,不需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做任何變更,又實(shí)現(xiàn)了雙棧Web服務(wù)。即使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有IPv6或IPv4,也可以在外部支持雙棧的數(shù)據(jù)中心托管自己的反向代理服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6的服務(wù)。由于跨協(xié)議訪問服務(wù)是由反向代理服務(wù)器中轉(zhuǎn)完成的,因此服務(wù)內(nèi)容的管理維護(hù)與之前沒有變化,不需要考慮IPv4和IPv6不同的情況。
2.雙棧反向代理服務(wù)的域名服務(wù)設(shè)計(jì)
在反向代理服務(wù)的部署實(shí)施過程中,結(jié)合DNS(域名服務(wù))配置可以更好地實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的快速部署。本文中Web服務(wù)域名設(shè)計(jì)如下:域名為example.com和example6.com,其中example.com域下的子域名同時(shí)配置A記錄和AAAA記錄,example6.com域下的子域名僅配置AAAA記錄,在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇不使用example6.com域名。其中A記錄是用來創(chuàng)建到IPv4地址的記錄,AAAA記錄是用來創(chuàng)建到IPv6地址的記錄。
假定雙棧反向代理服務(wù)器的IPv4和IPv6的地址分別為222.204.33.99和2001:250:6c00::3:99,以處于純IPv4網(wǎng)絡(luò)中域名為lib.example.com(ipv4地址為222.200.3.200)和處于純IPv6網(wǎng)絡(luò)中域名為6.example.com(IPv6地址為2001:250:6c00::210:201)的Web服務(wù)站點(diǎn)為例介紹域名設(shè)置方式。具體域名配置時(shí)將原本純IPv4服務(wù)域名lib.example.com和lib.example6.com的AAAA記錄指向反向代理服務(wù)器的IPv6地址2001:250:6c00::3:99,將原本純IPv6服務(wù)域名6.example.com對(duì)應(yīng)的A記錄指向反向代理服務(wù)器的IPv4地址222.204.33.99。當(dāng)純IPv4或純IPv6用戶訪問原本只有另一協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的Web服務(wù)時(shí),域名將解析至反向代理服務(wù)器進(jìn)行代理訪問。
3. 雙棧反向代理服務(wù)的數(shù)據(jù)處理流程
雙棧反向代理服務(wù)部署后,純IPv4用戶可以通過反向代理服務(wù)器進(jìn)行代理訪問原本IPv6的Web服務(wù),純IPv6用戶也可以通過反向代理服務(wù)器進(jìn)行代理訪問原本IPv4的Web服務(wù),圖2為用戶通過雙棧反向代理訪問Web服務(wù)的數(shù)據(jù)流向示意圖。
IPv6用戶通過反向代理訪問原本IPv4服務(wù)lib.example.com的主要過程如下。
步驟1:用戶發(fā)起訪問請(qǐng)求,DNS解析出該域名對(duì)應(yīng)的AAAA記錄2001:250:6c00::3:99,訪問請(qǐng)求被定位至反向代理服務(wù)器的IPv6監(jiān)聽端口,這個(gè)過程基于IPv6協(xié)議;
步驟2:反向代理服務(wù)器得到用戶訪問請(qǐng)求,將訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至原本IPv4的Web服務(wù),請(qǐng)求IP為反向代理的IPv4地址222.204.33.99,服務(wù)的IP地址為222.204.31.200,這個(gè)過程基于IPv4協(xié)議;
步驟3:Web服務(wù)器接收到轉(zhuǎn)發(fā)的訪問請(qǐng)求,將響應(yīng)內(nèi)容反饋至反向代理服務(wù)器,這個(gè)過程基于IPv4協(xié)議;
圖2 雙棧反向代理數(shù)據(jù)流向示意
步驟4:反向代理服務(wù)器通過IPv6地址2001:250:6c00::3:99的服務(wù)監(jiān)聽端口將內(nèi)容返回給用戶,這個(gè)過程基于IPv6協(xié)議。
類似的,IPv4用戶通過反向代理訪問原本IPv6服務(wù)6.example.com的過程如下。
步驟1:用戶發(fā)起訪問請(qǐng)求,DNS解析出該域名對(duì)應(yīng)的A記錄222.204.33.99,訪問請(qǐng)求被定位至反向代理服務(wù)器的IPv4監(jiān)聽端口,這個(gè)過程基于IPv4協(xié)議;
步驟2:反向代理服務(wù)器得到用戶訪問請(qǐng)求,將訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至原本IPv6的Web服務(wù),請(qǐng)求IP為反向代理的IPv6地址2001:250:6c00::3:99,服務(wù)的IPv6地址為2001:250:6c00::210:201,這個(gè)過程基于IPv6協(xié)議;
步驟3:Web服務(wù)器接收到轉(zhuǎn)發(fā)的訪問請(qǐng)求,將響應(yīng)內(nèi)容反饋至反向代理服務(wù)器,這個(gè)過程基于IPv6協(xié)議;
步驟4:反向代理服務(wù)器通過IPv4地址222.204.33.99的服務(wù)監(jiān)聽端口將內(nèi)容返回給用戶,這個(gè)過程基于IPv4協(xié)議。
由于雙棧用戶訪問Web服務(wù)時(shí)只會(huì)選擇其中一種協(xié)議進(jìn)行通信,在此不另做考慮。
從反向代理訪問Web服務(wù)的過程可以看到,對(duì)于用戶來說反向代理服務(wù)器就是目的服務(wù)器,用戶并不知道位于反向代理服務(wù)器之后的Web服務(wù)的真實(shí)IP地址,這樣就很好地保護(hù)了后端Web服務(wù)的資源安全。
4.雙棧反向代理服務(wù)跨站跨協(xié)議資源的處理
雙棧反向代理使得原本在單一網(wǎng)絡(luò)的Web服務(wù)有了雙棧服務(wù)能力,但是當(dāng)純IPv4/IPv6用戶通過代理訪問Web服務(wù)時(shí),如果被代理的Web服務(wù)內(nèi)容中引用了外站的資源,使用代理服務(wù)后可能會(huì)遇到跨站、跨協(xié)議不能訪問的問題。例如常用的jquery的官網(wǎng)提供的CDN服務(wù)code.jquery.com僅支持IPv4,當(dāng)IPv4服務(wù)lib.example.com頁面內(nèi)容引用了腳本“http://code.jquery.com/jquery-3.2.1.min.js”,IPv6用戶通過反向代理訪問lib.example.com時(shí)就會(huì)遇到因引用失敗而導(dǎo)致頁面功能失效的問題。
為提高用戶體驗(yàn),解決此類跨站跨協(xié)議資源引用的問題,本文在反向代理服務(wù)器中設(shè)置了過濾轉(zhuǎn)換器和一個(gè)通用代理Proxy模塊,過濾轉(zhuǎn)換器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Web服務(wù)返回的內(nèi)容進(jìn)行處理,通用代理Proxy模塊主要用于實(shí)現(xiàn)代理訪問過濾轉(zhuǎn)換后的URL資源。通用代理Proxy同時(shí)監(jiān)聽I(yíng)Pv4和IPv6端口,同時(shí)配置域名proxy.example.com的A記錄和AAAA記錄指向反向代理服務(wù)器。
反向代理服務(wù)器處理跨站跨協(xié)議資源處理步驟如下。
步驟1:反向代理服務(wù)器接收到返回的服務(wù)內(nèi)容;
步驟2:判斷是否為“text/html”格式,如果是進(jìn)入步驟3,否則進(jìn)入步驟5;
步驟3:檢測(cè)內(nèi)容中是否包含絕對(duì)URL地址的資源引用,通常格式如src=http://a.b.c和href=http://a.b.c;
步驟4:將絕對(duì)URL地址替換為本地代理訪問的URL,如將src=http://a.b.c替換為src=http://proxy.example.com/?url=http://a.b.c;
步驟5:反向代理服務(wù)器將過濾后的內(nèi)容返回終端用戶;
步驟6:用戶瀏覽器接收到返回的內(nèi)容進(jìn)行展示,其中的跨站跨協(xié)議的資源由于URL地址已經(jīng)替換,訪問請(qǐng)求將自動(dòng)解析至反向代理服務(wù)器中的通用代理Proxy;
步驟7:通用代理Proxy代理訪問并將訪問結(jié)果返回用戶瀏覽器。
完成處理后,終端用戶對(duì)這部分跨站跨協(xié)議的資源訪問也通過雙棧反向代理訪問,如圖3所示。
5. 雙棧反向代理的過渡策略設(shè)計(jì)
根據(jù)Web服務(wù)區(qū)域的IPv6過渡的4個(gè)階段,可制定如下雙棧反向代理過渡策略,最終實(shí)現(xiàn)IPv6的過渡:
(1)階段0(純IPv4):這個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)中沒有IPv6網(wǎng)絡(luò),此時(shí)可以將反向代理部署在外部支持雙棧的數(shù)據(jù)中心,將AAAA記錄指向反向代理服務(wù)器,IPv4用戶直接訪問原有網(wǎng)站服務(wù),IPv6用戶通過反向代理訪問。
圖3 雙棧反向代理跨站跨協(xié)議資源訪問數(shù)據(jù)流向示意
圖4 ab -n 1OOO -c 1O時(shí)代理前后服務(wù)響應(yīng)時(shí)間
(2)階段1(IPv4為主、存在少量的IPv6)和階段2(IPv6為主、存在少量的IPv4):這兩個(gè)階段部署策略是一樣的,在雙棧區(qū)域部署反向代理,通過代理訪問純IPv6和純IPv4的Web服務(wù)。當(dāng)新建Web服務(wù)或升級(jí)改造時(shí)部署至雙?;蚣僆Pv6區(qū)域,通過改變域名的A記錄和AAAA記錄的指向,使得IPv4用戶訪問時(shí)通過反向代理訪問,IPv6用戶直接訪問,這樣逐步完成向IPv6的過渡。
(3) 階段3(純IPv6):這個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)中沒有IPv4網(wǎng)絡(luò),如果需要可以將反向代理部署在外部支持雙棧的數(shù)據(jù)中心,將A記錄指向反向代理服務(wù)器,IPv6用戶直接訪問網(wǎng)站服務(wù),IPv4用戶通過反向代理訪問。
基于雙棧反向代理過渡方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和應(yīng)用程序本身的要求不高,向IPv6過渡的Web應(yīng)用可以成熟一個(gè)遷移一個(gè),漸進(jìn)式完成向IPv6的過渡。
在IPv6過渡的前面三個(gè)階段,通過雙棧反向代理的部署,可以將原本純IPv4的Web服務(wù)快速擴(kuò)展至IPv6,使得IPv4/IPv6用戶均可訪問。該方案僅需要少量配置和代碼,目前在筆者單位已經(jīng)應(yīng)用近百個(gè)二級(jí)站點(diǎn)并正常運(yùn)行多年,反向代理服務(wù)器采用開源軟件Nginx部署,過濾轉(zhuǎn)換器采用ngx_lua模塊編寫代碼實(shí)現(xiàn),在Nginx的配置文件中配置二級(jí)域名的泛域名解析,可以實(shí)現(xiàn)在站點(diǎn)調(diào)整或IPv6切換時(shí)時(shí)僅需要對(duì)DNS設(shè)置進(jìn)行變更。圖4是采用Apache的ab工具對(duì)代理前后壓力測(cè)試時(shí)的響應(yīng)情況:可以看到由于加入了過濾轉(zhuǎn)換器,代理后響應(yīng)時(shí)間稍微有些增加,1000次的請(qǐng)求最高響應(yīng)時(shí)間為8ms,在可以接受的范圍之內(nèi)。
文獻(xiàn)[2]提出了針對(duì)IPv6 過渡機(jī)制的統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,主要體現(xiàn)在功能、應(yīng)用、性能、部署和安全5個(gè)方面,表2是與其他常用過渡機(jī)制在部署方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比。
從表2可以看出,采用基于雙棧反向代理方式對(duì)于Web應(yīng)用的IPv6過渡有明顯的優(yōu)勢(shì),可無需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任何變更,對(duì)設(shè)備沒有特殊要求,可以不需要公網(wǎng)雙棧和無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)翻譯機(jī)制所要求的公網(wǎng)地址,而且在用戶和服務(wù)之間增加了隔離屏障,提高了服務(wù)的安全性。
表2 與常用過渡機(jī)制評(píng)價(jià)比較
本文設(shè)計(jì)了IPv6過渡階段雙棧反向代理的Web服務(wù)方案和過渡機(jī)制,通過在雙棧環(huán)境下部署反向代理服務(wù),結(jié)合DNS域名設(shè)置,為純IPv4和純IPv6環(huán)境下的Web服務(wù)快速實(shí)現(xiàn)提供雙棧服務(wù)的能力。該方案的優(yōu)點(diǎn)是:無需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備做改變即可實(shí)現(xiàn)原本純IPv4和純IPv6的Web服務(wù)的雙棧訪問;在后端Web服務(wù)向IPv6切換時(shí)僅需要對(duì)DNS設(shè)置進(jìn)行變更,易于管理和維護(hù);反向代理服務(wù)的存在使得用戶和Web服務(wù)之間增加了一道隔離屏障,提高了服務(wù)的安全性。本文在反向代理服務(wù)中設(shè)置增加了過濾轉(zhuǎn)換器和通用代理器,用于解決代理訪問后Web內(nèi)容中跨站、跨協(xié)議資源不能訪問的問題,目前過濾轉(zhuǎn)換器對(duì)于各被代理網(wǎng)站的處理都使用統(tǒng)一的代碼,后續(xù)將對(duì)過濾轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展,以提高過濾器的性能和實(shí)現(xiàn)對(duì)被代理的站點(diǎn)更細(xì)力度的處理。
(責(zé)編:楊潔)
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