企業(yè)IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)ISATAP隧道技術(shù)的仿真實(shí)現(xiàn)及性能分析

劉清華

(浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著Internet規(guī)模的不斷擴(kuò)大，IPv4地址空間將逐漸消耗殆盡，而IPv6協(xié)議使得IP地址從原來的32 bit擴(kuò)展到128 bit，且具有更小的路由表、更高的安全性、更強(qiáng)的組播支持和流控制等優(yōu)勢[1-2].但是現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)體系仍然以IPv4為主體，因此IPv4向IPv6的過渡必定是一個(gè)長期和漸進(jìn)的過程.隧道技術(shù)提供了解決不同IP版本相互通信的方案，可分為雙協(xié)議棧、協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和隧道封裝3種類型[3-4].隧道封裝通過網(wǎng)絡(luò)邊界設(shè)備在IPv6與IPv4網(wǎng)絡(luò)間的隧道入口處將IPv6數(shù)據(jù)封裝到IPv4中，其源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的IPv4地址，在隧道的出口處再將IPv6數(shù)據(jù)包取出并轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)[5].

1 ISATAP隧道技術(shù)原理

ISATAP(Intra-site automatic tunnel addressing protocol，站內(nèi)自動(dòng)隧道尋址協(xié)議)，是一種支持NBMA(Non-broadcast multiple access，非廣播多路訪問)模式的IPv6過渡機(jī)制，用于連接IPv4網(wǎng)絡(luò)上的IPv6/IPv4雙棧節(jié)點(diǎn).當(dāng)2臺主機(jī)彼此需要通信時(shí)，ISATAP將IPv4網(wǎng)絡(luò)視作IPv6的虛擬鏈路層，允許站點(diǎn)內(nèi)的主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)配置，從而提供了站點(diǎn)內(nèi)ISATAP主機(jī)和站點(diǎn)外IPv6主機(jī)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的功能[3].

網(wǎng)絡(luò)兩端的IPv6主機(jī)需要通信時(shí)，IPv4中的PC先與ISATAP路由器創(chuàng)建Tunnel接口，該接口會根據(jù)IPv4產(chǎn)生一個(gè)64 bit的接口標(biāo)識符::0:5efe:x:x:x:x(此處的x:x:x:x為雙棧主機(jī)中的IPv4地址，如圖1所示的192.168.1.1).當(dāng)主機(jī)配置ISATAP后會向ISATAP路由器發(fā)送RS(Router solicitation,路由器請求)消息請求IPv6前綴，該RS消息最終在IPv4網(wǎng)絡(luò)中被路由到ISATAP路由器.ISATAP路由器獲取RS消息后，立即以一個(gè)RA(Router advertisement,路由器通告)進(jìn)行回應(yīng)，RA消息中包含ISATAP上所配置的IPv6全局單播地址的前綴.當(dāng)PC主機(jī)收到RA回應(yīng)后，會解析出里面的IPv6前綴，并在其后加上自己ISATAP虛擬網(wǎng)卡的64 bit接口標(biāo)識地址，構(gòu)成一個(gè)IPv6全局單播地址(fe80::0200:5efe:192.168.1.1)，同時(shí)將該路由器設(shè)為自己的IPv6默認(rèn)網(wǎng)關(guān)[6]，則這臺PC就可以通過ISATAP路由器訪問IPv6資源.由此可以看出，ISATAP技術(shù)實(shí)際上是將IPv6封裝在IPv4數(shù)據(jù)包中，然后傳給ISATAP路由器，再由ISATAP路由器解封裝后轉(zhuǎn)發(fā)給IPv6網(wǎng)絡(luò)，而IPv4網(wǎng)絡(luò)只是作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)通道或承載平臺.

2 IPv6地址格式與類型

IPv6將IP地址由32 bit擴(kuò)充到128 bit，以滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的需求.IPv6使用全新的地址配置方式，包括網(wǎng)絡(luò)前綴和接口標(biāo)識2部分，使得配置更加簡單，同時(shí)還采用全新的報(bào)文格式，由IPv6包頭(40Bytes固定長度)、擴(kuò)展包頭和上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元3部分組成，提高了處理報(bào)文的效率.

圖1 ISATAP隧道技術(shù)示意圖

RFC2373詳細(xì)定義了3種規(guī)范形式的IPv6地址[7]：

1)優(yōu)先選用的形式是 X:X:X:X:X:X:X:X，其中每個(gè)X代表16個(gè)bit，以16進(jìn)制顯示，值為0x0000-0xFFFF，例如，2001:0002:1F1F:0000:0000:0100:11A0:ADDF，每組數(shù)值的前導(dǎo)0是可以省略的，例如，0002縮寫為2，0000縮寫為0.

2)一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的段內(nèi)各位全為0時(shí)，為了縮短地址長度，用::(雙冒號)表示，但一個(gè)IPv6地址只允許用一次.例如，F(xiàn)F01:0:0:0:0:0:0:101：多點(diǎn)傳送地址，可壓縮為FF01::101；0:0:0:0:0:0:0:1：回送地址，可以壓縮為 ::1；0:0:0:0:0:0:0:0：未指定地址，可壓縮為 :: .

3)為了實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6互通，IPv4地址嵌入IPv6地址中，此時(shí)地址的表達(dá)方式為X:X:X:X:X:X:D.D.D.D，前96 bit采用冒分16進(jìn)制，而最后32 bit地址則使用IPv4的點(diǎn)分10進(jìn)制.例如，0:0:0:0:0:0:192.168.1.2，內(nèi)嵌IPv6地址的IPv4地址，可壓縮為 ::192.168.1.2；0:0:0:0:0:FFFF:10.0.0.1，內(nèi)嵌IPv4地址的IPv6地址，可壓縮為 ::FFFF.10.0.0.1.

另外IPv6地址按尋址方式和功能的不同，又可以分為3種基本類型[8]：

1)單播地址(Unicast).在單播尋址模式下，一個(gè)IPv6接口(host)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里是唯一的.IPv6 報(bào)文包含源地址和目的地址，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)關(guān)或路由器收到一個(gè)Unicast IP報(bào)文，目標(biāo)是一臺主機(jī)，它把報(bào)文從與該主機(jī)相連的接口發(fā)出去.

2)任意點(diǎn)播地址(Anycast).在這種地址模式下，多個(gè)接口(主機(jī))被賦予相同的Anycast IP地址.當(dāng)一個(gè)主機(jī)希望與配備Anycast的主機(jī)聯(lián)系，它發(fā)送一個(gè)Unicast消息，在復(fù)雜路由機(jī)制的幫助下，這個(gè)Unicast消息被送到離發(fā)送者最近(路由成本最低)的主機(jī)上.

3)組播地址(Multicast).目的地為多個(gè)主機(jī)的報(bào)文由多播地址發(fā)送.所有對該多播信息感興趣的主機(jī)要事先加入多播組.所有加入該組的接口接收這個(gè)多播報(bào)文并處理它，其他不感興趣的主機(jī)忽略該多播報(bào)文.所有類型的 IPv6地址被分配到接口，而不是分配給節(jié)點(diǎn).一個(gè)IPv6單播地址屬于單個(gè)接口，即屬于單個(gè)節(jié)點(diǎn).具有多個(gè)接口的節(jié)點(diǎn)，則可以有多個(gè)單播地址，其中任何一個(gè)都可以用作該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符，至少有一個(gè)鏈路本地地址.

3 仿真環(huán)境的搭建與網(wǎng)絡(luò)配置

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

仿真實(shí)驗(yàn)基于Dynamips平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置.Dynamips是一個(gè)基于虛擬化技術(shù)且用于模擬思科(Cisco)路由器的軟件，能為用戶提供類似真實(shí)路由器的使用環(huán)境，仿真實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖2所示.企業(yè)A(EnterpriseA)所在的IPv4網(wǎng)段通過ISPAPT路由器(ISPAPT_Router)與企業(yè)B(EnterpriseB)所在的IPv6網(wǎng)段連接.PC1發(fā)往PC2的數(shù)據(jù)包使用PC1的IPv4地址192.168.1.1為源地址，ISATAP路由器的IPv4地址10.0.0.2為目的地址，去掉IPv4的數(shù)據(jù)包頭進(jìn)入IPv6網(wǎng)段，如圖2中①所示.從IPv6的數(shù)據(jù)包中提取IPv4的地址192.168.1.1作為目的地址，隨道源tunnel source地址10.0.0.2作為IPv4的源地址，將IPv6的數(shù)據(jù)包封裝到IPv4的數(shù)據(jù)包中進(jìn)入IPv4網(wǎng)段，如圖2中②所示.

圖2仿真實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

3.2 路由器端口設(shè)置與IP地址分配

ISPAPT-Router 路由器的Serial1/0、Serial1/1端口分別與IPv4網(wǎng)段IPv4-Router路由器的Serial1/0端口及IPv6網(wǎng)段IPv6-Router路由器的Serial1/1端口相連，3臺路由器以及2臺PC機(jī)的端口設(shè)置及IP地址分配如表1所示.

表1 路由器端口設(shè)置與IP地址分配表

3.3 配置命令及解析

仿真實(shí)驗(yàn)中ISPAPAT-Router的配置如圖3所示，為避免產(chǎn)生歧義，所有代碼都采用完整的命令格式，對主要配置命令的解析如表2所示.

3.4 測試結(jié)果

IPv4與IPv6網(wǎng)段連通性的測試結(jié)果如圖4所示.

通過show ipv6 route命令查看ISATAP-Router的路由表信息如圖5所示.啟用ISATAP協(xié)議后，路由器會產(chǎn)生一個(gè)ISATAP虛擬網(wǎng)卡，該虛擬網(wǎng)卡的2001:3::的64 bit接口標(biāo)識地址， 加上專為ISATAP保留32 bit的0200:5EFE以及32 bit的tunnel source地址10.0.0.2，一起構(gòu)成128 bit的IPv6全局單播地址.

圖3 ISPAPAT-Router的主要配置命令

4 網(wǎng)絡(luò)性能影響分析

4.1 數(shù)據(jù)包收發(fā)率

在企業(yè)A的IPv4網(wǎng)段，主機(jī)PC1開始發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，需要先與ISATAP路由器建立ISATAP隧道，然后根據(jù)路由器提供的IPv6前綴構(gòu)造自己的IPv6地址，因此開始階段數(shù)據(jù)包的發(fā)送率呈下降趨勢，但這個(gè)時(shí)間比較短暫，大約1 min后，主機(jī)PC1建立tunnel并完成IPv6的構(gòu)造工作，于是數(shù)據(jù)包的發(fā)送率陡然上升，約2 min后達(dá)到峰值，然后呈平緩下降趨勢，直至1 h后數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢.在企業(yè)B的IPv6網(wǎng)段，主機(jī)PC2的數(shù)據(jù)接收速率呈現(xiàn)與PC1相同的趨勢，如圖6所示，說明配置ISATAP隧道技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)收斂速度快，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)較為平滑，體現(xiàn)了良好的魯棒性.

表2 ISPAPAT-Router主要配置命令的解析

圖4 IPv4與IPv6網(wǎng)段連通性的測試結(jié)果

圖5 ISATAP-Router的路由表信息

4.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)包收發(fā)率相同的趨勢.

圖6 IPv4/IPv6網(wǎng)段的主機(jī)數(shù)據(jù)包收發(fā)率

開始時(shí)吞吐量呈下降趨勢，大約1 min后跌至峰谷，約為80 bit/s，但在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到峰值710 bit/s，大約2 min后數(shù)據(jù)包收發(fā)完畢，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量逐步接近0 bit/s，如圖7所示.這從另一方面確認(rèn)了ISATAP隧道技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)魯棒性的保障作用.

圖7網(wǎng)絡(luò)吞吐量

5 結(jié) 語

ISATAP隧道技術(shù)部署相對簡單，為IPv4向IPv6過渡階段的應(yīng)用提供了一個(gè)適宜的解決方案.ISATAP隧道是點(diǎn)到點(diǎn)的自動(dòng)隧道技術(shù)，通過在IPv6報(bào)文的目的地址中嵌入IPv4地址.當(dāng)2臺ISATAP主機(jī)通信時(shí)，自動(dòng)抽取出IPv4地址建立隧道，即可自動(dòng)獲取隧道的終點(diǎn).ISATAP過渡機(jī)制允許在現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部部署IPv6，其技術(shù)簡單而且擴(kuò)展性好，不需要特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只要通信雙方的IPv4網(wǎng)絡(luò)保持通暢即可，而且收斂速度快，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)較為平滑.