CN100459566C - 进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，将NAT设备的公网IPv4地址和该NAT设备下的客户端主机的私有IPv4地址封装在IPv6地址的低64位，并利用边界路由器公布的前缀组建IPv6地址，将该IPv6地址分配给该客户端主机；客户端主机向IPv6网络发送报文或接收来自IPv6网络的报文时，NAT设备和边界路由器根据内嵌的公网和私网IPV4地址进行二次隧道封装和解封装，形成隧道中继，使报文跨越NAT设备在私网和IPv6网络之间进行传递。本发明保证在隧道跨越NAT设备的基础上，简化了网络结构，降低了部署难度，并提高了通讯效率。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种进行网络地址转换(NAT)的互联网协议第四版(IPv4)网络到互联网协议第六版(IPv6)网络过渡时，进行隧道中继的方法。
背景技术
IPv6(互联网协议第六版)的部署是一个逐步扩大的过程，原有IPv4(互联网协议第四版)网络中的节点访问IPv6提供的服务，需要通过隧道技术连接IPv6网络。由于NAT(网络地址转换)技术在IPv4网络中大量应用，所以如何使NAT设备下挂的主机也能通过隧道访问IPv6网络是一个重要的课题。IPv4网络中双栈节点穿过IPv4NAT网络访问IPv6网络的过渡技术中，目前只有Teredo(Tunneling IPv6 over UDP throughNATs，即穿过NATs的承载在UDP上的IPv6隧道)。
在Ipv4网络中，NAT通过地址转换的方式，使内部私有网络可以仅使用较少的互联网有效IP地址，就能获得互联网接入的能力，有效地缓解了地址不足的问题，同时提供了一定的安全性。NAT可以借助于某些代理服务器来实现，或在路由器上直接实现。NAT有如下三种类型：
1、锥形NAT(Cone NATs)
在NAT的映射表项中只保存内部(私网)地址和端口号到外部(公网)地址和端口号的映射。一旦NAT映射表被建立，那么来自于任何源的、到外部(公网)地址和端口号的入数据包都可以被NAT转换。
2、受限NAT(Restricted NATs)
在NAT映射表中保存内部地址和端口号到外部地址和端口号的映射，还保存从这个端口发出数据包的特定外部主机(地址和端口号)的列表。来自第三方的入数据包将被丢弃。
3、对称NAT(Symmetric NATs)
NAT依据不同的外部目的地(对出包来说)，将相同的内部地址和端口号映射为不同的外部地址和端口号。
如图1所示为IPv6数据包隧道封装格式示意图，隧道机制提供了一种利用现有IPv4网络架构实现IPv6通信的方法，基本工作方法如下：
1、隧道入口对IPv6数据包先进行IPv4封装，然后发送。
2、隧道出口收到隧道封装的数据包后，先确认是否需要重组，如果数据包经过分段，那么需要重组；否则不必。然后去掉隧道封装(IPv4报头)，对收到的数据包作相应处理。
3、为了使数据包能够顺利通过隧道，隧道入口可能需要维护隧道的软状态信息，比如记录隧道MTU(最大传输单元)等参数。一个网络节点所使用的隧道可能会很多，相关的软状态可以被缓存等不用的时候就丢弃。
除了为IPv6的数据包加上IPv4的数据包头，封装节点还需要：
1、决定是否需要拆分数据包以及是否需要向源端发送“数据包过长”的ICMP(Internet控制消息协议)错误消息；
2、如何将隧道路径上路由器返回给源端的IPv4的错误消息映射成IPv6的ICMP消息。
位于NAT后的节点采用一般的隧道技术(IPv6-over-IPv4)是不能和NAT域外的IPv6节点进行通信的，因为目前的NAT一般不支持协议类型为41(也就是IPv6-over-IPv4)的数据包。Teredo隧道有别于一般的IPv6-over-IPv4隧道，确切地讲，它是一种IPv6-over-UDP隧道。数据包通过被封装在UDP载荷中的方式穿过NAT。
Teredo即穿过NATs的承载在UDP上的IPv6隧道，是一种允许在一级或多级NAT设备之后的主机之间建立自动IPv6隧道的IPv6/IPv4过渡技术，通过IPv4网络提供单播的IPv6连通性。Teredo适用于NAT设备不能提供6to4路由器功能的情况和存在多级NAT配置的情况。Teredo使终端节点不需具备公网IPv4地址，即可以轻易地穿越多层次的NAT环境，与IPv6网络进行通讯。
如图2所示为Teredo数据包的格式示意图，Teredo的工作原理是利用IPv4头和UDP头来封装IPv6包文，使IPv6包文成为UDP的承载负荷(Payload)。
如图3所示为Teredo原理模型示意图，Teredo由下列成员组成：
1、Teredo客户端：
Teredo客户端是位于NAT域内的双栈主机，它支持Teredo隧道接口，通过这个接口数据包被隧道到另一个Teredo客户端或IPv6网络中的节点(通过Teredo中继)。一个Teredo客户端与一个Teredo服务器通信，获得一个基于Teredo IPv6地址的地址前缀，服务器还可以帮助Teredo客户端与其他Teredo客户端或IPv6网络中的主机通信。
2、Teredo服务器：
Teredo服务器是一个连接IPv4网络和IPv6网络的双栈节点，它支持一个Teredo隧道接口。Teredo服务器帮助Teredo客户端进行地址配置，并且使Teredo客户端和其他Teredo客户端之间，或Teredo客户端和仅支持IPv6的主机(即IPv6-only Host)之间通信。Teredo服务器使用UDP端口号3544。
3、Teredo中继：
Teredo中继是一个双栈路由器，它在Teredo客户端和仅支持IPv6的主机间转发数据包。在一些情况下，Teredo中继和Teredo服务器之间互相作用，促进Teredo客户端和仅支持IPv6的主机之间开始通信。Teredo中继使用UDP端口号3544。
如图3所示，利用Teredo技术，客户端与IPv6-only Host进行通讯过程如下：
1、Teredo客户端向IPv6-only Host发送回送请求，先发送到服务器；
2、由Teredo服务器进行转发，发送至IPv6-only Host；
3、IPv6-only Host向客户端返回回送应答，先发送到Teredo中继；
4、由Teredo中继将回送应答转发至客户端；
5、客户端发往IPv6-only Host的报文先发送至Teredo中继；
6、Teredo中继将报文转发至IPv6-only Host。
Teredo可使NAT域内的IPv6节点获得全球性的IPv6连接，在因IPv4地址匮乏而广泛运行NAT的地区，Teredo隧道无疑具有较好的应用前景。但Teredo存在以下缺点：
1、结构复杂，整个体系结构包括Teredo客户端、NAT设备、Teredo服务器、Teredo中继，部署成本高；
2、隧道封装与目前的主流隧道封装差别较大，采用UDP封装技术，由于目前的过渡技术的封装一般是IP直接封装，采用UDP封装需要额外开销，需要双栈主机节点除支持普通过渡技术外，还需要特别支持Teredo，需要有特别的客户端程序，因而部署比较困难；
3、Teredo目前仅能支持锥型和受限型NAT，它不适用于对称型NAT，并且对于受限型的支持需要复杂的报文处理；客户端与Teredo服务器之间有大量bubble报文(Teredo的协议报文)交互，影响系统效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有的NAT设备下的主机通过Teredo访问IPv6网络时，结构复杂、部署成本高且效率低等不足，提供
一种NAT网络中的隧道中继方法，从而保证在隧道跨越NAT设备的基础上，简化网络结构，降低部署难度，并提高通讯效率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
这种进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，包括以下步骤：
将网络地址转换设备的公网IPv4地址和该网络地址转换设备下的客户端主机的私有IPv4地址封装在IPv6地址的低64位，并利用边界路由器公布的前缀组建IPv6地址，将该IPv6地址作为128位前缀直接分配给该客户端主机；
客户端主机向IPv6网络发送报文或接收来自IPv6网络的报文时，网络地址转换设备和边界路由器根据内嵌的公网和私网IPV4地址进行二次隧道封装和解封装，形成隧道中继，使报文跨越网络地址转换设备在私网和IPv6网络之间进行传递。
所述的网络地址转换设备将其公网IPv4地址封装在所述IPv6地址的低32位，将所述客户端主机的私有IPv4地址封装在所述IPv6地址的低64位至33位。所述客户端主机的IPv6地址由网络地址转换设备根据边界路由器公布的前缀，并组合网络地址转换设备的公网IPv4地址和客户端主机的私有IPv4地址后，自动配置给客户端主机。
私网客户端主机向IPv6网络发送报文时，步骤如下：
A1、私网客户端主机根据域名服务器的返回记录组建隧道封装报文，所述隧道封装报文的目的地址是网络地址转换设备的私有IPv4地址，源地址是客户端主机的私有IPv4地址，隧道封装报文内封装的IPv6报文的目的地址是域名服务器返回记录中的IPv6地址，源地址是客户端主机从网络地址转换设备上分配的IPv6地址；
A2、网络地址转换设备收到客户端主机发来的协议号为41的封装报文后，进行解封装，然后重新使用公网IPv4地址进行封装，封装报文的目的地址是边界路由器的公网IPv4地址，源地址是网络地址转换设备的公网IPv4地址；
A3、网络地址转换设备继续转发该封装有IPv6报文的IPv4报文到边界路由器，边界路由器解封装后，使报文在IPv6网络上传输。
从IPv6网络发送报文到私网的客户端主机时，步骤如下：
B1、边界路由器从IPv6网络接收到IPv6报文，从目的地址中取出网络地址转换设备的公网IPv4地址，根据公网IPv4地址组建封装报文，封装报文的目的地址是网络地址转换设备的公网IPv4地址，源地址是边界路由器的公网IPv4地址；
B2、封装报文抵达网络地址转换设备时，进行解封装，并根据封装IPv6报文目的地址中的客户端主机的私网IPv4地址，重新进行封装，封装报文的目的地址是客户端主机的私有IPv4地址，源地址是网络地址转换设备的私有IPv4地址，封装报文在私有网络上传送到客户端主机。
本发明的有益效果为：本发明提供一种在进行网络地址转换的网络中进行隧道中继的方法，将私网的IPv4地址和NAT设备的公网IPv4地址内嵌在IPv6地址的低64位；NAT设备根据地址就能进行正确的封装/解封装及转发。NAT设备对封装报文进行地址替换后重新进行封装实现隧道中继。本发明解决隧道跨越NAT的技术问题，在保证隧道跨越NAT的基础上简化结构，与主流隧道技术靠拢，解决了Teredo结构复杂的问题。将隧道封装的对应功能放置在NAT设备和路由器上，通过二次封装保证了封装报文跨越NAT后仍能正确传递(收发报文)。
本发明隧道中继方法结构清晰、简单，部署容易，隧道的建立完全自动化，不需要维持任何状态，只需要升级NAT设备和边界路由器就可以完成部署，客户端PC客户端只要求是双栈，不需要任何修改，没有其他特别要求，具有通用性；而现有技术的Teredo中还需要Teredo服务器、Teredo中继设备，并且PC客户机需要安装特别的客户端软件，部署非常困难。
本发明还解决了Teredo结构复杂、效率低下的问题。Teredo本身的协议报文比较复杂，客户端与服务器有大量的Bubble报文交互，影响了系统的效率；而本发明则是完全自动的，根据IPv6地址内嵌的地址进行隧道封装和解封装，提高了通讯效率，非常具有竞争力。
附图说明
图1为IPv6数据包隧道封装格式示意图；
图2为Teredo数据包的格式示意图；
图3为Teredo原理模型示意图；
图4为本发明自动隧道中继方法原理示意图；
图5为本发明通讯流程示例图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
如图4所示，私有网络中的主机通过NAT设备(可采用代理服务器)与公网(IPv4网络)连接，IPv4网络与IPv6网络之间通过边界路由器(TR)连接，本发明在NAT设备上增加隧道中继功能，使私有网络内的封装报文经过NAT设备的中继处理后能在公网IPv4上继续转发到隧道终点路由器，即边界路由器。如果NAT设备到边界路由器的隧道已经可以使用，则在客户端主机、NAT设备、边界路由器间建立两条自动隧道，实现IPv6over IPv4隧道穿透NAT设备，客户端主机与NAT设备之间的隧道为私网隧道，NAT设备与边界路由器之间的隧道为公网隧道。
本发明将NAT设备的出口IPv4地址(公网IPv4地址)和客户端主机的私有IPv4地址封装在IPv6地址的低64位，然后分配给主机，使主机的IPv6地址同时具备NAT设备公网IP地址和客户端主机私网IP地址属性。这样，对所有协议号为41的IP报文，NAT设备利用中继功能根据内嵌的相应地址进行隧道封装、解封装、再封装形成隧道中继。NAT设备在出接口上利用公网IP地址进行封装(NAT设备本身的IP)，在下行方向利用私有地址进行隧道封装。
从NAT设备上分配IPv6地址给主机有多种方式，主机的IPv6地址可由NAT设备采用IPv6自动配置给客户端主机，可以采用64位前缀，组合NAT设备的公网IPv4地址和客户端主机的私网IPv4地址后，按128位前缀分配给用户，其实就是直接分配IPv6地址。因为前缀是由边界路由器分配的，可以根据网络结构自行分配，因而具有通用性，适用于各种IPv6网络，而且不管什么样的NAT设备都能跨越。当然，主机的IPv6地址也可以通过DHCP(动态主机配置协议)方式，先截获客户的DHCP请求，然后回应进行分配；或者也可以直接手工配置。
利用本发明进行隧道中继的具体过程如下：
1、发送报文隧道中继：
私网双栈主机PC根据DNS(域名服务器)的返回记录组建隧道封装报文(返回的DNS记录包括IPv4的A记录和IPv6的AAAA记录，双栈主机根据这些记录就知道对端是IPv4还是IPv6网络，从而选择通讯方式。如果是IPv6网络，则组建隧道封装报文)，隧道封装报文的目的地址是NAT设备的私有IPv4地址，源地址是客户端主机的私有IPv4地址。隧道封装报文内封装的IPv6报文的目的地址是返回的DNS记录中的IPv6地址(即AAAA记录中的对端IPv6地址)，源地址是客户端主机从NAT设备上分配的IPv6地址。客户端主机从NAT设备上分配的IPv6地址具体格式如下：
| Prefix(边界路由器分配给NAT的64位前缀) | 私网IPv4地址 | 公网IPv4地址 |
该格式地址，由于前缀是路由器分配给NAT设备，具有通用性，低64位地址是NAT设备根据客户端主机的请求中带的IPv4地址和NAT本身的公网IP地址构成，既严格保持了私网内唯一，也能保证在全局也是唯一的，可以在IPv6网络内自由传递。
NAT设备收到客户端主机发来的协议号为41的封装报文后，进行解封装，然后重新使用公网IPv4地址进行封装，封装报文的目的地址是边界路由器的公网IPv4地址，源地址是NAT设备的公网IPv4地址；然后继续按NAT流程转发该封装有IPv6报文的IPv4报文到边界路由器，边界路由器解封装后在IPv6网络上传输。
2、IPv6接收报文隧道中继：
边界路由器TR从IPv6网络接收到IPv6报文，根据路由匹配到TR出接口，TR出接口将根据目的地址的低32位取出公网IPv4地址，组建封装报文，封装报文的目的地址是NAT设备的公网IPv4地址，源地址是边界路由器的公网IPv4地址。封装报文抵达NAT设备时，进行解封装，并根据封装IPv6报文目的地址的低64～33位取出私网IPv4地址，重新进行封装，封装报文的目的地址是客户端主机的私有IPv4地址，源地址是NAT设备的私有IPv4地址，实现报文在私有隧道上的传送。
本发明的基本原理是将私网的IPv4地址和NAT设备的公网IPv4地址内嵌在IPv6地址的低64位，同时利用路由器公布的前缀组建任意范围的IPv6地址，在此格式IPv6地址基础上，在NAT设备上增加隧道中继功能，根据地址格式中封装的私有IP地址和公有IP地址，进行封装修改，实现隧道中继，外部报文接收处理相反。
如图5所示为本发明通讯流程示例图，假设主机的私有地址为192.168.0.2，NAT设备的私有地址为192.168.0.1，NAT设备的公有地址为202.10.0.2，边界路由器TR的IPv4地址为202.10.0.1，边界路由器TR的IPv6地址为2002::1，目的IPv6主机的地址为：2003::1，则各阶段的报文格式如下：
报文1格式为：私网源IPv4地址+私网目的IPv4地址+IPv6源IP地址+IPv6目的IP地址+数据
| 192.168.0.2 | 192.168.0.1 | 2002::192.168.0.2:202.10.0.2 | 2003::1 | 数据 |
报文2格式为：公网源IPv4地址+公网目的IPv4地址+IPv6源IP地址+IPv6目的IP地址+数据
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报文3格式为：IPv6源IP地址+IPv6目的IP地址+数据
| 2002::192.168.0.2:202.10.0.2 | 2003::1 | 数据 |
相应地，报文4、报文5、报文6格式分别为：
报文4：
| 2003::1 | 2002::192.168.0.2:202.10.0.2 | 数据 |
报文5：
| 202.10.0.1 | 202.10.0.2 | 2003::1 | 2002::192.168.0.2:202.10.0.2 | 数据 |
报文6：
| 192.168.0.1 | 192.168.0.2 | 2003::1 | 2002::192.168.0.2:202.10.0.2 | 数据 |
本发明将私网的IPv4地址和NAT设备的公网IPv4地址内嵌在IPv6地址的低64位；NAT设备根据地址就能进行正确的封装/解封装及转发。NAT设备对封装报文进行地址替换后重新进行封装实现隧道中继。本发明解决隧道跨越NAT的技术问题，在保证隧道跨越NAT的基础上简化结构，与主流隧道技术靠拢，解决了Teredo结构复杂的问题。将隧道封装的对应功能放置在NAT设备和路由器上，通过二次封装保证了封装报文跨越NAT后仍能正确传递(收发报文)。
本发明结构清晰、简单，部署容易，隧道的建立完全自动化，根据上述规则自动建立，不需要维持任何状态，只需要升级NAT设备和边界路由器就可以完成部署，客户端PC客户端只要求是双栈，不需要任何修改，没有其他特别要求，具有通用性；而现有技术采用的teredo的客户端必须要具备teredo客户端软件，部署非常困难。
本发明还解决了Teredo结构复杂、效率低下的问题。Teredo本身的协议报文比较复杂，客户端与服务器有大量的Bubble报文交互，影响了系统的效率；而本发明则是完全自动的，根据IPv6地址内嵌的地址进行隧道封装和解封装，提高了通讯效率，非常具有竞争力。
本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。
Claims (5)
1、一种进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
将网络地址转换设备的公网IPv4地址和该网络地址转换设备下的客户端主机的私有IPv4地址封装在IPv6地址的低64位，并利用边界路由器公布的前缀组建IPv6地址，将该IPv6地址分配给该客户端主机；
客户端主机向IPv6网络发送报文或接收来自IPv6网络的报文时，网络地址转换设备和边界路由器根据内嵌的公网和私网IPV4地址进行二次隧道封装和解封装，形成隧道中继，使报文跨越网络地址转换设备在私网和IPv6网络之间进行传递。
2、根据权利要求1所述的进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，其特征在于：所述的网络地址转换设备将其公网IPv4地址封装在所述IPv6地址的低32位，将所述客户端主机的私有IPv4地址封装在所述IPv6地址的低64位至33位。
3、根据权利要求1或2所述的进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，其特征在于：所述客户端主机的IPv6地址由网络地址转换设备根据边界路由器公布的前缀，并组合网络地址转换设备的公网IPv4地址和客户端主机的私有IPv4地址后，以128位前缀的方式自动配置给客户端主机。
4、根据权利要求3所述的进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，其特征在于：私网客户端主机向IPv6网络发送报文时，步骤如下：
A1、私网客户端主机根据域名服务器的返回记录组建隧道封装报文，所述隧道封装报文的目的地址是网络地址转换设备的私有IPv4地址，源地址是客户端主机的私有IPv4地址，隧道封装报文内封装的IPv6报文的目的地址是域名服务器返回记录中的IPv6地址，源地址是客户端主机从网络地址转换设备上分配的IPv6地址；
A2、网络地址转换设备收到客户端主机发来的协议号为41的封装报文后，进行解封装，然后重新使用公网IPv4地址进行封装，封装报文的目的地址是边界路由器的公网IPv4地址，源地址是网络地址转换设备的公网IPv4地址；
A3、网络地址转换设备继续转发该封装有IPv6报文的IPv4报文到边界路由器，边界路由器解封装后，使报文在IPv6网络上传输。
5、根据权利要求3所述的进行网络地址转换的网络中隧道中继的实现方法，其特征在于：从IPv6网络发送报文到私网的客户端主机时，步骤如下：
B1、边界路由器从IPv6网络接收到IPv6报文，从目的地址中取出网络地址转换设备的公网IPv4地址，根据公网IPv4地址组建封装报文，封装报文的目的地址是网络地址转换设备的公网IPv4地址，源地址是边界路由器的公网IPv4地址；
B2、封装报文抵达网络地址转换设备时，进行解封装，并根据封装IPv6报文目的地址中的客户端主机的私网IPv4地址，重新进行封装，封装报文的目的地址是客户端主机的私有IPv4地址，源地址是网络地址转换设备的私有IPv4地址，封装报文在私有网络上传送到客户端主机。
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