IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)

　　IPv4的缺陷和Internet的飛速發(fā)展導(dǎo)致IPv6的產(chǎn)生和發(fā)展，目前，IPv6網(wǎng)絡(luò)正從試驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò)逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用，但未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，IPv4網(wǎng)絡(luò)仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)并存的局面仍將繼續(xù)，這樣，實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)互連成為IPv6網(wǎng)絡(luò)走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要步驟。

　　1、NAT-PT實(shí)現(xiàn)互連原理

　　網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換（NAT-PT）是一種將實(shí)現(xiàn)IPv4分組格式和IPv6分組格式之間轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)NAT有機(jī)結(jié)合的地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，它對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)中終端的地址配置沒(méi)有限制，也不需要對(duì)想和IPv4網(wǎng)絡(luò)通信的終端分配IPv4地址。它和IPv4網(wǎng)絡(luò)所采用的動(dòng)態(tài)NAT一樣，在網(wǎng)絡(luò)邊界的地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)置一組IPv4地址，并以此構(gòu)成IPv4地址池，當(dāng)IPv6網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)終端發(fā)起和IPv4網(wǎng)絡(luò)中的終端之間的會(huì)話時(shí)，由地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器為發(fā)起會(huì)話的終端分配一個(gè)IPv4地址，并將該IPv4地址和該終端發(fā)起的會(huì)話綁定在一起。如果會(huì)話是TCP連接，則可用會(huì)話兩端的源和目的地址、源和目的端口號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)該會(huì)話。在會(huì)話存在期間，該IPv4地址一直分配給發(fā)起會(huì)話的終端，當(dāng)屬于該會(huì)話的IPv6分組經(jīng)過(guò)地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)入IPv4網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用該IPv4地址取代IPv6分組的源地址，并完成IPv6分組至IPv4分組的轉(zhuǎn)換。IPv4網(wǎng)絡(luò)中的終端用該IPv4地址和發(fā)起會(huì)話的終端通信，當(dāng)屬于該會(huì)話的IPv4分組進(jìn)入地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器時(shí)，用該IPv4分組的目的地址檢索會(huì)話表，用會(huì)話表中給出的發(fā)起會(huì)話的終端的IPv6地址取代IPv4分組的目的地址，并完成IPv4分組至IPv6分組的轉(zhuǎn)換。在NAT-PT中，96bit網(wǎng)絡(luò)前綴可以是任意的網(wǎng)絡(luò)地址，但必須保證IPv6網(wǎng)絡(luò)將目的地址和該96bit網(wǎng)絡(luò)前綴匹配的IPv6分組路由到網(wǎng)絡(luò)邊界的地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器。地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器將和96bit網(wǎng)絡(luò)前綴匹配的目的地址的低32bit作為IPv4地址。反之，地址和協(xié)議轉(zhuǎn)換器在IPv4分組的源地址前加上96bit網(wǎng)絡(luò)前綴后作為IPv6分組的源地址。

　　2、單向會(huì)話通信過(guò)程

　　下面結(jié)合圖1詳細(xì)討論一下NAT-PT的工作機(jī)制。

圖1　NAT-PT實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)議轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程

　　在圖1中，當(dāng)終端A發(fā)起和終端C的會(huì)話時(shí)，終端A發(fā)送一個(gè)以2001::2E0:FCFF:FE00:7為源地址，以2::10.1.1.1為目的地址的IPv6分組，該IPv6分組被IPv6網(wǎng)絡(luò)路由到路由器R3。路由器R3在會(huì)話表中檢索該IPv6分組屬于的會(huì)話，由于該IPv6分組是發(fā)起會(huì)話的IPv6分組，會(huì)話表中找不到該IPv6分組所屬的會(huì)話，路由器R3為終端A分配一個(gè)IPv4地址，這里假定是193.1.1.1，同時(shí)，在會(huì)話表中創(chuàng)建一項(xiàng)，將分配該終端A的IPv4地址和終端A發(fā)起的會(huì)話綁定在一起，如表1所示。路由器R3將該IPv6分組轉(zhuǎn)換成IPv4分組，通過(guò)IPv4路由表確定的傳輸路徑將IPv4分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由器R2。該IPv4分組經(jīng)過(guò)路由器R2轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)終端C，完成終端A至終端C的傳輸過(guò)程。IPv6分組轉(zhuǎn)換成IPv4分組時(shí)各字段的轉(zhuǎn)換過(guò)程如表2所示，源和目的地址的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

　　表1　IPv4地址和會(huì)話之間的綁定


表2　IPv6首部至IPv4首部轉(zhuǎn)換


表3　IPv4首部至IPv6首部轉(zhuǎn)換

　　當(dāng)終端C向終端A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，終端C構(gòu)建一個(gè)以10.1.1.1.1為源地址，193.1.1.1為目的地址的IPv4分組，該IPv4分組被IPv4網(wǎng)絡(luò)路由到路由器R3。路由器R3用該IPv4分組的目的地址檢索會(huì)話表，找到對(duì)應(yīng)項(xiàng)，用對(duì)應(yīng)項(xiàng)給出的IPv6地址取代目的地址。由于為路由器R3配置的網(wǎng)絡(luò)前綴為2::/96，源地址被轉(zhuǎn)換成2::10.1.1.1。IPv4分組轉(zhuǎn)換成IPv6分組時(shí)各字段的轉(zhuǎn)換過(guò)程如表3所示，源和目的地址的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2　IPv4分組至IPv6分組轉(zhuǎn)換過(guò)程


圖3　用DNS應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙向會(huì)話

　　終端A后續(xù)發(fā)送給終端C的IPv6分組，由于在會(huì)話表中找到對(duì)應(yīng)項(xiàng)，可以根據(jù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)中給出的IPv4地址進(jìn)行源地址轉(zhuǎn)換。在會(huì)話存在期間，會(huì)話表中給出的地址映射一直保持。一旦會(huì)話結(jié)束，這種地址映射也隨之消除，分配的IPv4地址可以再次分配給其他IPv6網(wǎng)絡(luò)中的終端。不同類型會(huì)話的結(jié)束方式不同，有些類型的會(huì)話有會(huì)話結(jié)束過(guò)程，有些類型的會(huì)話沒(méi)有明顯的會(huì)話結(jié)束過(guò)程，后一種類型的會(huì)話用規(guī)定時(shí)間內(nèi)一直沒(méi)有屬于該會(huì)話的IP分組通過(guò)作為該會(huì)話的結(jié)束條件。

　　3、雙向會(huì)話通信過(guò)程

　　當(dāng)終端C想發(fā)起和終端A之間的會(huì)話時(shí)，終端C通過(guò)終端A的完全合格的域名：終端A解析出終端A對(duì)應(yīng)的IPv4地址。由于在路由器R3中已經(jīng)靜態(tài)配置了IPv6網(wǎng)絡(luò)中的DNS服務(wù)器的IPv6地址：2001::2E0:FCFF:FE00:9和IPv4地址：193.1.1.5之間的映射，終端C向IPv4地址為193.1.1.5的DNS服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，請(qǐng)求報(bào)文被封裝成IPv4分組后進(jìn)入IPv4網(wǎng)絡(luò)，被IPv4網(wǎng)絡(luò)路由到路由器R3。由路由器R3完成IPv4 DNS請(qǐng)求報(bào)文至IPv6 DNS請(qǐng)求報(bào)文的轉(zhuǎn)換，并將請(qǐng)求報(bào)文封裝成以2::10.1.1.1為源地址，以2001::2E0:FCFF:FE00:9為目的地址的IPv6分組，通過(guò)IPv6網(wǎng)絡(luò)將該IPv6分組傳輸?shù)絀Pv6網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器。IPv6網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器根據(jù)完全合格的域名：終端A解析出IPv6地址：2001::2E0:FCFF:FE00:7，并將該地址通過(guò)DNS響應(yīng)報(bào)文回送給源地址為2::10.1.1.1的終端（終端C）。

　　響應(yīng)報(bào)文被IPv6網(wǎng)絡(luò)路由到路由器R3，由路由器R3在IPv4地址池中選擇一個(gè)IPv4地址（這里假定是193.1.1.1）分配給終端A，同時(shí)在會(huì)話表中建立2001::2E0:FCFF:FE00:7和193.1.1.1之間的映射。路由器R3將IPv6 DNS響應(yīng)報(bào)文轉(zhuǎn)換為IPv4 DNS響應(yīng)報(bào)文，并將IPv4 DNS響應(yīng)報(bào)文封裝成以10.1.1.1為目的地址的IPv4分組，通過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)將該IPv4分組傳輸?shù)浇K端C，終端C隨后用IPv4地址：193.1.1.1和終端A進(jìn)行通信。

　　需要指出的是，在上述通信過(guò)程中，IPv4網(wǎng)絡(luò)中的終端通過(guò)DNS的地址解析過(guò)程創(chuàng)建會(huì)話，并將地址映射和該會(huì)話綁定在一起，所有源地址為2001::2E0:FCFF:FE00:7的IPv6分組或目的地址為193.1.1.1的IPv4分組都屬于該會(huì)話，按照會(huì)話表中給出的地址映射完成地址轉(zhuǎn)換。這種類型的會(huì)話只能用規(guī)定時(shí)間內(nèi)一直沒(méi)有屬于該會(huì)話的IP分組通過(guò)作為該會(huì)話的結(jié)束條件。

　　IPv4網(wǎng)絡(luò)中所有終端和服務(wù)器對(duì)應(yīng)的IPv6地址是固定的，IPv6網(wǎng)絡(luò)中的終端可以獲取Pv4網(wǎng)絡(luò)中所有終端和服務(wù)器對(duì)應(yīng)的IPv6地址，因此，IPv6網(wǎng)絡(luò)中的終端可以通過(guò)直接給出IPv6地址的方式和IPv4網(wǎng)絡(luò)中的終端通信。當(dāng)然，記住完全合格的域名總比記住128bit的IPv6地址容易，因此，IPv6網(wǎng)絡(luò)中的終端可能通過(guò)完全合格的域名（如終端C）發(fā)起和IPv4網(wǎng)絡(luò)中的終端之間的會(huì)話。

　　這種情況下，由IPv6終端向IPv4網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器發(fā)送DNS請(qǐng)求報(bào)文，由路由器R3完成IPv6 DNS請(qǐng)求報(bào)文至IPv4 DNS請(qǐng)求報(bào)文的轉(zhuǎn)換。當(dāng)路由器R3接收到IPv4網(wǎng)絡(luò)中的DNS服務(wù)器回送的DNS響應(yīng)報(bào)文時(shí)，一方面通過(guò)加上網(wǎng)絡(luò)前綴2::，將解析出的IPv4地址轉(zhuǎn)換成IPv6地址，另一方面完成IPv4 DNS響應(yīng)報(bào)文至IPv6 DNS響應(yīng)報(bào)文的轉(zhuǎn)換。