Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)雙向通信方法

梁 勇，劉承啟

(南昌大學(xué)，江西 南昌 330031)

1 引言

各類網(wǎng)絡(luò)的使用范圍與規(guī)模日益擴(kuò)大，傳統(tǒng)的Ipv4[1]已經(jīng)無法滿足當(dāng)今技術(shù)需求，因此，Ipv4地址大幅度縮減，也因此推動了Ipv4向Ipv6轉(zhuǎn)變。由于初期的Ipv6網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)計(jì)與Ipv4網(wǎng)絡(luò)地址為不兼容狀態(tài)，因此，基于所有的映射規(guī)則與技術(shù)，能夠完成Ipv4到Ipv6的過渡并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)雙向通信的有效手段為無狀態(tài)通信機(jī)制。根據(jù)Ipv4地址與Ipv6地址內(nèi)存在的映射規(guī)則，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商[2]統(tǒng)一管理并控制Ipv4與Ipv6網(wǎng)絡(luò)的用戶。在Ipv4到Ipv6的演變過程中，不僅需要過渡時間，還要達(dá)成與Ipv6的互聯(lián)通信。當(dāng)前的NAT64翻譯策略雖然可以令I(lǐng)pv6訪問Ipv4，但卻不是直接式訪問。

目前針對Ipv4與Ipv6網(wǎng)絡(luò)的雙向通信研究數(shù)量較多，并得到一些研究成果。例如，文獻(xiàn)[3]針對支持Ipv6的嵌入式設(shè)備進(jìn)行了研究，分析了嵌入式設(shè)備基于Ipv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵方式之一的地址自動配置，通過對無狀態(tài)與有狀態(tài)兩種自動配置方式的運(yùn)作機(jī)理和過程進(jìn)行分析，在嵌入式協(xié)議棧中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩種地址的自動配置。但是該方法存在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)要求較高問題，實(shí)用性較差。文獻(xiàn)[4]借助WMware Workstation以及Wireshark等軟件，設(shè)計(jì)Ipv6地址自動配置實(shí)驗(yàn)，將Ipv6工程配置和協(xié)議分析相結(jié)合，為Ipv6實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建提供了一定參考。但是該方法存在應(yīng)用效率較低問題。

為解決以上傳統(tǒng)方法存在的應(yīng)用問題，依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)接入策略，提出新的Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)雙向通信方法。通過在Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)雙向通信模型中嵌入具有雙協(xié)議的代理服務(wù)器，達(dá)成Ipv6與Ipv4間服務(wù)器轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無狀態(tài)雙向通信。實(shí)驗(yàn)中處理時長與沖突頻率為對比測試指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法應(yīng)用性能的優(yōu)勢。

2 Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)雙向通信模型架構(gòu)

無狀態(tài)通信是指在Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)報文頭部的所有字段間，實(shí)現(xiàn)算法中映射關(guān)系的構(gòu)建，以確保在未存儲、未追蹤動態(tài)映射關(guān)系的前提下，翻譯網(wǎng)關(guān)也能夠從報文[5]含有的信息里完成翻譯處理。

根據(jù)翻譯機(jī)制中的核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFC6052，制定Ipv6網(wǎng)絡(luò)與Ipv4互聯(lián)網(wǎng)雙向通信狀態(tài)下的地址映射規(guī)則，如圖1、圖2所示。

圖1 Ipv6網(wǎng)絡(luò)與Ipv4互聯(lián)網(wǎng)無狀態(tài)地址映射模型

圖2 Ipv6與Ipv4網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)地址映射模型

由于總體Ipv4地址空間能夠無狀態(tài)對應(yīng)映射一個Ipv6子網(wǎng)[6]，因此，映射規(guī)則在Ipv6的前綴后加入Ipv4地址，并用補(bǔ)零的方式處理其余空位，則得到的Ipv6地址屬于Ipv4的轉(zhuǎn)換地址，無法應(yīng)用于實(shí)際的Ipv6計(jì)算機(jī)應(yīng)用中?；ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)提供商將特殊的Ipv6地址分配給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)Ipv6地址與Ipv4地址空間的無狀態(tài)映射，該特殊地址也叫作Ipv4可譯地址。利用Ipv6地址集合與Ipv4地址空間的部分子網(wǎng)[7]，完成一對一或者多對一的無狀態(tài)映射關(guān)系架構(gòu)，則Ipv4地址空間中Ipv6地址的映像為Ipv4地址，無法用于實(shí)際的Ipv4計(jì)算機(jī)應(yīng)用中。

基于網(wǎng)絡(luò)地址映射規(guī)則，設(shè)定Cipv6為Ipv6任意計(jì)算機(jī)地址，Ipv4互聯(lián)網(wǎng)的任意計(jì)算機(jī)地址為Cipv4，如果兩計(jì)算機(jī)進(jìn)行無狀態(tài)雙向通信，則Cipv6的通信對端為計(jì)算機(jī)Cipv4在Ipv6里的映像；如果Cipv4通過訪問Cipv6在Ipv4內(nèi)所映射的ivi4地址，達(dá)成Cipv6的訪問，則Cipv4的通信對端即為訪問地址。

互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商通過接入Ipv6網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供Ipv4與Ipv6互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容服務(wù)商則通過升級Ipv6網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供Ipv6與Ipv4互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，因此，Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無狀態(tài)雙向通信模型，對Ipv4到Ipv6的過渡階段起到有效的促進(jìn)作用。

3 無狀態(tài)雙向通信的實(shí)現(xiàn)

3.1 代理服務(wù)器嵌入

為使Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無狀態(tài)雙向通信效果更加理想，應(yīng)令代理服務(wù)器的協(xié)議棧[8]內(nèi)存在支持Ipv4與Ipv6的雙協(xié)議，并具有Ipv6子網(wǎng)與Ipv4子網(wǎng)的同步訪問權(quán)限，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)Ipv6與Ipv4之間的代理服務(wù)器[9]轉(zhuǎn)化，因此，通信網(wǎng)關(guān)應(yīng)符合協(xié)議的協(xié)商機(jī)制。Ipv6協(xié)議棧示意圖如圖3所示。

圖3 Ipv6協(xié)議棧示意圖

當(dāng)用戶與代理服務(wù)器間經(jīng)過認(rèn)證協(xié)商，用戶發(fā)送請求數(shù)據(jù)包時，用戶將目的站點(diǎn)地址與端口發(fā)送至代理服務(wù)器，此時會出現(xiàn)以下兩種情況：

1)若發(fā)送的內(nèi)容為域名與端口，代理服務(wù)器將進(jìn)行域名解析。在用戶端無法獲知Ipv6站點(diǎn)是目的站點(diǎn)還是Ipv4站點(diǎn)是目的站點(diǎn)的情況下，代理服務(wù)器可以依據(jù)域名解析結(jié)果對目的站點(diǎn)進(jìn)行判定。若目的站點(diǎn)為Ipv6地址，則采用目的機(jī)器與Ipv6協(xié)議棧完成連接建立；若目的站點(diǎn)為Ipv4地址，則采用目的機(jī)器與Ipv4協(xié)議棧完成連接建立。

2)若發(fā)送的內(nèi)容為IP地址[10]與端口，那么，代理服務(wù)器能夠依據(jù)所請求的地址格式，實(shí)現(xiàn)地址種類判定，并利用不同的協(xié)議棧與目的機(jī)器創(chuàng)建連接。

基于支持Ipv4與Ipv6雙協(xié)議的代理服務(wù)器，不僅可以使Ipv4用戶實(shí)現(xiàn)Ipv4服務(wù)器的訪問，而且Ipv6用戶也能夠?qū)pv4服務(wù)器進(jìn)行訪問，用戶之間實(shí)施交叉訪問。但是大多數(shù)情況下，Ipv6用戶端的軟件必須要具備有效識別Ipv4目的地址的功能，Ipv4用戶端也要具備有效識別Ipv6目的地址[11]的功能，因此，要將Ipv4地址與Ipv6地址的轉(zhuǎn)換性能賦予代理服務(wù)器，或者通過與Ipv4兼容的Ipv6地址，實(shí)現(xiàn)Ipv6主機(jī)對Ipv4主機(jī)的訪問，最后，利用代理服務(wù)器的靜態(tài)映射表，進(jìn)行Ipv4地址與Ipv6地址的靜態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖4 代理服務(wù)器解析流程圖

代理服務(wù)器會生成兩個socket[12]對象，其主要功能是連接監(jiān)聽Ipv4與Ipv6。如果用戶連接地址不同，則處理對象也不同，即每產(chǎn)生一對新的連接，就會形成對應(yīng)的兩個socket對象實(shí)例，且不同的用戶來源與請求目的地址，所生成的對象也會發(fā)生相應(yīng)改變。若均為Ipv4的socket對象，則用戶來源與請求目的地址也為Ipv4主機(jī)；若均為Ipv6的socket對象，則用戶來源與請求目的地址也為Ipv6主機(jī)；若分別為Ipv4與Ipv6的socket對象，則要對Ipv6與Ipv4間的節(jié)點(diǎn)建立連接。

代理服務(wù)器協(xié)議處理完成后，根據(jù)新產(chǎn)生對象實(shí)例間的對應(yīng)關(guān)系，將網(wǎng)絡(luò)接口收到的數(shù)據(jù)傳輸給各對象，經(jīng)過處理后再進(jìn)行下一步發(fā)送。

Ipv6地址與Ipv4地址的雙協(xié)議代理服務(wù)器軟件，其開發(fā)平臺為Microsoft visual C++6.0版本，由面向?qū)ο蠓╗13]與MFC類庫框架完成創(chuàng)建。為接收Ipv6與Ipv4雙協(xié)議的TCP連接請求，該代理服務(wù)器使用同一端口設(shè)置了兩種協(xié)議棧的TCP連接服務(wù)，令I(lǐng)pv6與Ipv4的兩個目的地址均能夠支持雙協(xié)議，因此，所創(chuàng)建的代理服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的無狀態(tài)雙向通信。

對Ipv6進(jìn)行升級的初始階段，會在海量的Ipv4網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成Ipv6網(wǎng)絡(luò)“孤島”，通過創(chuàng)建的代理服務(wù)器，可以使網(wǎng)絡(luò)“孤島”與眾多互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間完成雙向通信，此時的網(wǎng)絡(luò)訪問形式為Ipv6主機(jī)對Ipv4網(wǎng)絡(luò)的訪問。

3.2 雙向通信的優(yōu)化

設(shè)置處理時長與沖突頻率兩個指標(biāo)，并將兩個參數(shù)最小化作為最優(yōu)目標(biāo)，此外，如果網(wǎng)絡(luò)性能具有較低的反向查詢復(fù)雜度，則通信效率會更加理想。其中，Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)處理一次雙向通信的時長為時長參數(shù)，相同平臺的處理時長越短，雙向通信速率越快；沖突頻率指的是基于一組指定Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)地址集合，雙向通信階段內(nèi)產(chǎn)生的Ipv4地址重復(fù)頻率，沖突頻率指標(biāo)與雙向通信效果呈反比例關(guān)系。

已知Ipv6網(wǎng)絡(luò)地址集合中的Ipv6地址數(shù)量為N，值域S中的Ipv4地址數(shù)量為M，且N>M，假設(shè)Ipv6地址映射到第i個Ipv4地址的數(shù)量為Ni，當(dāng)其超過一個時，沖突數(shù)量用Ni-1表示，那么，即可推導(dǎo)出下列沖突頻率表達(dá)公式

(1)

式(1)中，階躍函數(shù)為ε(x)，其條件式如下所示

(2)

通過上式可以看出，若想最小化沖突頻率，則要最大化Ni>0的Ipv4地址個數(shù)，即要使N個Ipv6地址與不同的N個Ipv4地址實(shí)現(xiàn)對應(yīng)映射關(guān)系。

反向查詢復(fù)雜度是指經(jīng)過映射Ipv6地址到Ipv4地址集S0，再根據(jù)S0內(nèi)Ipv4地址對Ipv6地址進(jìn)行反向查詢，其具有的期望時間復(fù)雜度即為反向查詢復(fù)雜度，反向查詢復(fù)雜度(即期望時間復(fù)雜度)越低，雙向通信效果優(yōu)勢越顯著。將各Ipv6地址的發(fā)生概率設(shè)定成N-1，那么，采用下列條件式對第i個Ipv4地址所需查詢的期望次數(shù)進(jìn)行界定

(3)

則整體期望查詢次數(shù)表達(dá)式如下所示

(4)

根據(jù)上式能夠發(fā)現(xiàn)，Ni方差σ2和沖突頻率p均與期望查詢次數(shù)為線性正相關(guān)關(guān)系，若沖突頻率一致，則期望查詢次數(shù)隨著方差σ2的增加而上升，故雙向通信的均衡性能可以通過方差參數(shù)進(jìn)行表示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

采取文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]與本文方法進(jìn)行對比以檢測本文方法的合理性。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用內(nèi)核為2.4.8版本的Linux操作系統(tǒng)，硬件環(huán)境為英特爾酷睿i7型號2.7GHz處理器，運(yùn)行內(nèi)存是4GB1333MHz。在某遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中抽取了大小分別為15萬、50萬、130萬、180萬以及250萬的獨(dú)立Ipv6地址集合。

4.2 不同方法的耗時對比分析

利用哈希函數(shù)[14]獲取本文方法與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]各獨(dú)立Ipv6地址集合的映射處理時長均值，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法處理時長對比圖

通過圖5可以看出，相較于另外兩種傳統(tǒng)方法，本文方法的處理時長增幅較小，最短處理時長僅有1.32μs，最長也只有1.76μs，增加比例為0.33%。說明Ipv6集合量的提升并沒有對處理時長指標(biāo)產(chǎn)生太大的影響，本文方法的穩(wěn)定性比較理想。這是因?yàn)樵诒敬窝芯恐性O(shè)計(jì)了Ipv6網(wǎng)絡(luò)與Ipv4互聯(lián)網(wǎng)的地址映射規(guī)則，在代理服務(wù)器協(xié)議棧內(nèi)引入支持Ipv4與Ipv6的雙協(xié)議，實(shí)現(xiàn)同步訪問權(quán)限。同步訪問大大減小了通信耗時。

4.3 不同方法應(yīng)用過程中通信沖突頻率對比分析

經(jīng)過各Ipv6網(wǎng)絡(luò)地址集合通信沖突頻率及其大小的對比，得出本文方法與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]沖突頻率及其大小之間的關(guān)系曲線圖。

圖6 沖突頻率對比圖

根據(jù)圖6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線的趨勢可以看出，如果Ipv4的集合數(shù)量為固定值，則通信沖突頻率與Ipv6集合數(shù)量呈正比例關(guān)系，若Ipv6集合數(shù)量為固定值，那么，Ipv4集合數(shù)量越多，沖突頻率越小。當(dāng)Ipv6地址集合大小為15萬時，沖突頻率為最小值，當(dāng)Ipv6地址集合大小為250萬時，沖突頻率得到最大值。另外從上圖可知，與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行對比，本文方法在不同地址集合沖突頻率對比中的數(shù)值更低，盡管當(dāng)Ipv6地址集合大小為250萬時，沖突頻率得到最大值，但該極大沖突頻率仍處于實(shí)際應(yīng)用的可允許范圍內(nèi)，符合Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的理想通信需求。這是因?yàn)樗岱椒ń⒘瞬煌瑓f(xié)議棧與目的機(jī)器的連接，采用代理服務(wù)器靜態(tài)映射表完成Ipv4地址與Ipv6地址靜態(tài)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換過程有效避免了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信沖突，提高了方法的實(shí)用性。

5 結(jié)論

為使不同地址的總體通信機(jī)制結(jié)構(gòu)體系的統(tǒng)一應(yīng)用目的，設(shè)計(jì)新的Ipv6遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)雙向通信方法?；诰W(wǎng)絡(luò)地址映射規(guī)則，判定出Ipv4與Ipv6網(wǎng)絡(luò)的通信對端；將支持Ipv4與Ipv6的雙協(xié)議嵌入代理服務(wù)器協(xié)議棧，采用生成的socket對象連接并監(jiān)聽Ipv4與Ipv6，完成Ipv6與Ipv4雙協(xié)議的TCP連接請求，進(jìn)而達(dá)成無狀態(tài)雙向通信，將處理時長、沖突頻率以及反向查詢復(fù)雜度設(shè)定為指標(biāo)參數(shù)，對通信方法性能進(jìn)行評估。該方法是技術(shù)解決策略的關(guān)鍵推動引擎之一，具有較好的擴(kuò)展性與可溯源性，也為Ipv4到Ipv6網(wǎng)絡(luò)的過渡需求提供了理想且有效的路線與更加便捷的服務(wù)。