IPv6與IPv4的互聯(lián)技術(shù)

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(商洛學(xué)院 經(jīng)濟管理學(xué)院,陜西 商洛 726000)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,IPv4(Internet Protocol Version 4)經(jīng)過十幾年的商業(yè)推廣,在技術(shù)領(lǐng)域取得了巨大進步,然而互聯(lián)網(wǎng)的龐大使得IPv4的地址短缺問題尤為突出。在這種的情形下,IPv6(Internet Protocol Version 6)應(yīng)運而生,IPv6作為IPv4的改進版,彌補了IPv4使用上的不足,從根源上解決了IPv4的地址短缺問題。為了保證IPv6與IPv4的兼容性,需采用互聯(lián)技術(shù)使得IPv6與IPv4平穩(wěn)過渡。本文對IPv6與IPv4互聯(lián)技術(shù)進行了探討,并介紹了雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)等[1]過濾技術(shù)。

1 IPv6與IPv4概述

1.1 IPv4的特點

IPv4為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的第4版,它既是第1個被廣泛使用的協(xié)議,又是現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基石。IPv4的地址空間為32位,最多有232個計算機可以連到Internet上。IPv4的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)IPv4地址空間少于40億個,實際可以使用的更少。

(2)IPv4不區(qū)分網(wǎng)絡(luò)終端主機和終端設(shè)備,每臺電腦都可以作為主機和路由器。路由協(xié)議管理路由表記錄,常用的路由協(xié)議有路由信息協(xié)議、開放最短路徑協(xié)議、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議等。

(3)IPv4獨立于特定的網(wǎng)絡(luò)硬件,可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)地址分配方案唯一,設(shè)備有唯一的地址。

(4)IPv4缺乏對安全性的支持,無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實名制。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點配置很復(fù)雜,不能滿足用戶“即插即用”的需求[2]。

1.2 IPv6的特點

IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,它解決了IPv4地址短缺、服務(wù)質(zhì)量(QoS)不夠、安全性缺乏、多播繁瑣等問題。IPv6主要特點如下所示:

(1)IPv6地址長度為128位,便于管理結(jié)構(gòu)的層次化,提高了吞吐量和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

(2)IPv6安全性更高,提供身份認證和隱私權(quán)等保護私密設(shè)置。

(3)IPv6增加了組播支持和對流支持,保證了服務(wù)質(zhì)量。除此之外，IPv6還可以使用自動配置,有利于網(wǎng)絡(luò)管理和便捷應(yīng)用[3]。

1.3 IPv6與IPv4的區(qū)別

IPv6與IPv4的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)兩者地址空間大小不同。IPv6為128位地址空間,IPv4為32位地址空間。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全性能不同。IPv6對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行了加密封裝和安全認證,使用防護機制進一步保護硬件。IPv4的安全性相對較差,沒有保護措施。

(3)路由表形式不同。IPv6簡化了IPv4的路由表,并采用分級的路由結(jié)構(gòu),更加便于管理。

(4)多播技術(shù)不同。IPv6通過多播分發(fā)樹發(fā)送數(shù)據(jù),而IPv4直接進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

(5)報頭格式不同。IPv6報頭可以通過添加新的報文協(xié)議頭進行拓展,最大拓展長度受數(shù)據(jù)包長度限制,而IPv4最大能拓展到40字節(jié)[4]。

(6)對移動性支持不同。IPv4無法進行迂回路由,但IPv6可以提供內(nèi)在移動支持。

1.4 IPv6與IPv4的聯(lián)系

IPv6是在IPv4的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。IPv6仍然采用IPv4的大部分協(xié)議和軟硬件設(shè)施,并增加一些新的協(xié)議和設(shè)施。IPv4與IPv6都是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議,它們的上層應(yīng)用層協(xié)議沒有區(qū)別,所以在雙棧主機上可以同時使用IPv4和IPv6。IPv6在功能上有所增強,在表現(xiàn)形式上有所提升,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所改進。它繼承了IPv4的優(yōu)勢,彌補了IPv4的不足,在安全性方面的優(yōu)勢尤為突出。IPv6和IPv4在互聯(lián)過程中運用多種過渡技術(shù)，相互融合、相互補充[5]。

2 IPv6和IPv4過渡技術(shù)

IPv6與IPv4在本質(zhì)上是一致的,不需要單獨設(shè)置域名解析和路由,只有當主機在不同協(xié)議之間通信時才有所區(qū)別。如果2個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同且所處環(huán)境不同,則2個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的地址就存在不一致性,在協(xié)議地址間進行信源和信宿標識以及報文翻譯就成了問題。因此,IPv4向IPv6的過渡分為4個階段:網(wǎng)絡(luò)的過渡,即路由器和鏈路資源的過渡;用戶的過渡,即升級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用程序;應(yīng)用程序過渡;IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)互通。

過渡過程中常見的4類技術(shù)為多播技術(shù)、雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)以及協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)。對于實際特定的問題選擇特定的過渡機制[6]。

2.1 多播技術(shù)

IPv4多播技術(shù)的最大優(yōu)點就是節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源和提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,不需要復(fù)制分組,只需要發(fā)送一次即可。通過多播路由器運行多播協(xié)議,只能將目的地址作為多播地址。

IPv6多播技術(shù)更高效地解決了單點發(fā)送、多點接收的問題,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中單點到多點的高效數(shù)據(jù)傳送,節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用。多播分發(fā)樹是IPv6多播技術(shù)的核心,數(shù)據(jù)主要通過多播分發(fā)樹來發(fā)送,多播分發(fā)樹分為共享樹和信源樹,兩者地址格式、協(xié)議不同[7]。

2.2 雙棧技術(shù)

雙棧技術(shù)是在設(shè)備的終端安裝IPv4和IPv6,兩者的物理平臺、上層傳輸層協(xié)議基本相同,所以兩者的雙棧技術(shù)兼容性較好,利于IPv4和IPv6報文的接收和發(fā)送、設(shè)備的接收和處理以及信息流的轉(zhuǎn)發(fā)。雙棧技術(shù)在邏輯上形成2個并行網(wǎng)絡(luò),在實際操作中通過域名系統(tǒng)查詢目的主機應(yīng)用的協(xié)議類型,并提交協(xié)議的輸入處理函數(shù),再根據(jù)主機返回的協(xié)議類型使用相應(yīng)的地址。雙棧技術(shù)對IPv6與IPv4節(jié)點的兼容操作最為簡單有效,互通性能良好,是最為基礎(chǔ)、實用的過渡技術(shù)。

2.3 隧道技術(shù)

隧道技術(shù)就是把一個協(xié)議的報文封裝到另一個協(xié)議中,實現(xiàn)不同協(xié)議的通信,包括通用路由協(xié)議封裝、第二層隧道協(xié)議、站內(nèi)自動隧道尋址協(xié)議等。不同類型的隧道技術(shù)可以應(yīng)用于不同場景,可以使小的IPv6網(wǎng)絡(luò)通過IPv4主干網(wǎng)絡(luò)進行傳輸,然后匯聚成大的IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)IPv6協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用。

隧道技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備兩端之間的良好互通。在路由器設(shè)備上將IPv6封裝在IPv4的頭部,在傳輸設(shè)備的端點再將IPv6取出封裝,遞交給IPv6目的協(xié)議棧,最終完成隧道傳輸。為了使雙棧協(xié)議的主機知道IPv4隧道中傳輸?shù)氖荌Pv6,必須將IPv4頭部協(xié)議值設(shè)置為41。采用隧道技術(shù)僅僅需要在隧道的入口和出口處進行修改就可實現(xiàn)IPv6與IPv4通信,操作簡單,安全性好[8]。

6to4隧道技術(shù)的具體過程是:多個IPv6網(wǎng)絡(luò)用IPv4網(wǎng)絡(luò)連接,將IPv6地址直接轉(zhuǎn)換為6to4的目的地址,然后IPv6主機發(fā)送地址給最近的路由器,并且優(yōu)先發(fā)送帶有6to4前綴的地址;依照這個規(guī)則,將地址一個個發(fā)送到最近的路由器,直到數(shù)據(jù)包發(fā)送成功。

2.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)又稱為翻譯技術(shù),包括無狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的控制報文協(xié)議(IP/ICMP)轉(zhuǎn)換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換-協(xié)議轉(zhuǎn)換(NAT-PT)技術(shù)、棧內(nèi)擴展塊 (BIS) 技術(shù)、套接字安全性協(xié)議 (SOCKS64) 技術(shù)、應(yīng)用程序編程接口中的擴展塊 (BIA) 技術(shù)。這些技術(shù)在IPv6中可以全部使用,但在IPv4中不能全部使用,需要通過協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)對2個IP協(xié)議頭部進行轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換就是在2個不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間提供路由,便于數(shù)據(jù)在異性網(wǎng)絡(luò)之間傳輸[9]。

NAT-PT技術(shù)在進行地址轉(zhuǎn)換的同時也進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換,完全支持IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)傳輸。在IPv4地址池中挑選指定的地址給IPv6,作為通信暫時對應(yīng)的地址,然后建立IPv4地址與IPv6地址的映射表。該技術(shù)的優(yōu)點是實施成本低,過程簡單且易于操作,不需要IPv6升級改造;不足之處是IPv4和IPv6節(jié)點比較復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址轉(zhuǎn)換的開銷大[10]。

BIS技術(shù)主要在IPv4主機上運行,在IPv4棧中添加了3個擴展模塊,即擴展域名解析模塊、轉(zhuǎn)換模塊、地址映射模塊。BIS技術(shù)實現(xiàn)在一個只有IPv4、沒有IPv6的主機上,利用IPv4與IPv6主機進行通信,通信時由通信機制將產(chǎn)生的IPv4報文翻譯成為IPv6報文。

BIA技術(shù)是在雙棧主機模塊中添加特殊的擴展模塊,達到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換的目的。該技術(shù)與BIS技術(shù)基本相同,但比BIS技術(shù)要容易實現(xiàn),并且無需對IP包頭進行翻譯。BIA技術(shù)主要用于IPv6棧的系統(tǒng)[11]。

3 實例驗證

以隧道技術(shù)為例進行實驗驗證,實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通信。通過隧道協(xié)議封裝技術(shù)將IPv6報文封裝到IPv4報頭中,將IPv4報頭的協(xié)議信息改為41,以便讓隧道知道傳輸?shù)男畔镮Pv6的信息。在IPv4隧道中進行傳輸,最終將IPv4數(shù)據(jù)解封裝還原為IPv6,輸送給IPv6的目的協(xié)議棧,實現(xiàn)2個異域網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通信[12],簡單過程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)連接Fig.1 Network connection

3.1 實施過程

本實例通過6to4手動配置隧道進行過程實現(xiàn),各種設(shè)備均支持IPv6隧道,即支持雙協(xié)議棧。

(1)確認IPv4網(wǎng)絡(luò)可達。對路由器1和路由器2使用ping工具驗證彼此IPv4是否可達,注意要確保IPv6隧道配置中需要使用到的IPv4地址之間無訪問控制列表或防火墻等限制[13]。

路由器1 IPv4地址:192.168.101.254;IPv6協(xié)議地址段:2000∶8888∶3∶7∶∶/64。

路由器2 IPv4地址:192.168.188.209;IPv6協(xié)議地址段:2000∶8888∶3∶2∶∶/64。

(2)配置6to4隧道。采用通用路由協(xié)議封裝模式進行隧道配置,具體過程如下所示:

路由器1:

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 tunnel source 192.168.101.254

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 tunnel destination 192.168.188.209

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 family inet6 address 2000∶8888∶0∶1∶∶2/64

路由器2:

set chassis foci 1 pick 2 tunnel-services bandwidth 1g帶寬

set chassis network-services all-Ethernet

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 tunnel source 192.168.188.209

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 tunnel destination 192.168.101.254

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 family inet6 address 2000∶8888∶0∶1∶∶1/64

(3)配置IPv6 相關(guān)路由協(xié)議。具體述程如下所示:

路由器1:

set routing-options rib inet6.0 static route 2000∶8888∶3∶2∶∶/64 next-hop 2000∶8888∶0∶1∶∶1

路由器2:

set routing-options rib inet6.0 static route 2000∶8888∶3∶7∶∶/64 next-hop 2000∶8888∶0∶1∶∶2

3.2 實例結(jié)果

將2臺路由器分別連接2臺計算機,配置各自計算機的IPv6地址段、前綴、網(wǎng)關(guān)等基本信息。路由器與主機的協(xié)議和域名系統(tǒng)服務(wù)器配置正確后,配置隧道協(xié)議,然后對2臺主機進行相互連通測試。實驗證明,返回的數(shù)據(jù)包完整正確,IPv4能與IPv6進行通信。IPv4與IPv6的通信是建立在IPv4隧道基礎(chǔ)上,IPv4互聯(lián)是整個實驗的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

IPv4已經(jīng)有十多年的發(fā)展歷史,在技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸上都可以信賴。然而,隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷龐大,使得IPv4地址空間嚴重不足,因此IPv6應(yīng)運而生。

本文討論了IPv6與IPv4的特征與聯(lián)系,研究了IPv6和IPv4過渡與互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù),并通過實驗進行了驗證,為解決IPv4地址匱乏問題提供了一些思路。

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