CN100505754C - 一种实现动态4-in-6隧道建立的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过公共服务器与IPv4/IPv6双栈节点相配合，使隧道信息进行集中式管理和维护，从而实现动态4-in-6隧道建立的方法。IPv4/IPv6双栈节点向公共服务器发送隧道注册信息进行注册；公共服务器接收并保存IPv4/IPv6双栈节点发送的隧道注册信息，并向请求注册的IPv4/IPv6双栈节点返回注册应答消息；当有IPv4的流量需要通过隧道方式封装发送时，双栈节点向公共服务器发送隧道查询消息进行隧道查询；公共服务器查询隧道信息表并将查询结果返回给请求查询的IPv4/IPv6双栈节点；IPv4/IPv6双栈节点获得报文封装所须的隧道信息后，进行封装发送。IPv4/IPv6双栈节点与公共服务器之间定时传递握手消息。本方法很好地满足了IPv6网络中IPv4孤岛间的通信需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态4-in-6隧道建立的方法可广泛应用于IPv4与IPv6融合网络中，尤其适用于IPv4孤岛间通过IPv6骨干网进行通信。
背景技术
IPv6协议作为下一代互联网IP协议具备诸多优点：简化的路由表、地址自动配置、超大地址空间、对移动性很好的支持、简化的包头处理等等都为互联网从IPv4协议体系向IPv6体系提供了技术上的优势。但是IPv6的部署不单单是技术层面上的问题，更多的倚赖于ISP和政府的推动。目前互联网上大部分的路由设备和终端设备只支持IPv4，对于ISP来说，很难让其立即放弃原有的IPv4而全面升级到IPv6，为了保证ISP原有IPv4网络建设投资的延续性相应的解决IPv4和IPv6两种协议体系共存融合的过渡机制就显得越来越重要。由于IPv6和IPv4报文格式的不兼容性，人们设计了多种过渡机制，从而在网络过渡的后期使IPv4孤岛通过IPv6骨干网络进行互联互通。
就目前实现IPv4与IPv6过渡机制的方式大致可以分为以下几种：(1)双协议栈技术(Dual-stack)(2)隧道技术(Tunneling)(3)NAT-PT(NetworkAddress Translator and Protocol Translator)。其中，安装了IPv4和IPv6双协议栈的节点可以和单独的IPv4节点或IPv6节点进行通信；隧道技术则是通过一种协议对另一种协议的封装而完成报文的透传；NAT-PT驻留在网关上，主要用于两个单协议栈节点之间的通信。从实现难易程度上分析，双协议栈技术最容易实现；隧道技术也较为容易实现，但需要考虑一些细节问题；NAT-PT实现起来复杂度最高。隧道技术由于满足IPv6端到端的通信模式而被广泛采用。在IPv4向IPv6过渡的后期，因为主干网上存在大量的IPv6路由设备，需要解决IPv4孤岛间通过IPv6骨干网互联互通的问题，因而采用4-in-6的隧道技术，其核心是把IPv4报文封装在IPv6报文中，从而在IPv6骨干网络上传送IPv4报文。隧道的配置信息(包括隧道源节点和目的节点的IPv6地址，隧道MTU等信息)一般由网络管理员手工配置，这样当隧道数目增多时，一方面加大了网络管理员的配置负担，另一方面也不利于网络管理员的管理与维护。
申请号为US20040088385的美国专利《Method and apparatus forconnecting IPV4 devices through an IPV6 network using a tunnel setupprotocol》是HEXAGO公司向美国专利局提交并于2004年5月6日公开的。该专利提出了一种隧道建立协议，使得IPv4节点之间可以通过IPv6骨干网互联互通。该方案提及了利用隧道代理服务器来进行隧道配置信息的交互从而进行报文的动态封装和动态解封装，但该方案并没有给出该方法的具体实现和通讯可靠性保证机制。
申请号为3147471.3的中国专利《一种利用双重隧道机制穿透NAT的方法》是中国科学院计算技术研究所于2003年7月14日向中国专利局提交的。该专利提出了一种利用双重隧道机制穿透NAT(网络地址翻译)的方法，主要是利用含有伪隧道头部的IPv4(IP第4版)报文来封装传递IPv6(IP第6版)报文，并通过一个隧道服务器的重新封装，使位于IPv4NAT后面的IPV6/IPv4双栈主机，能够使用自己的IPv4私有地址建立双重隧道，从而穿越IPv4网络，和其他的IPv6主机建立连接。该方法可以穿透所有类型的NAT，并且和现有的网络体系兼容，无需对现有的路由设备进行升级。利用这种方法穿透NAT时，位于IPv4 NAT后面的IPv6/IPv4双栈主机可以使用独立于IPv4地址的任意IPv6地址，该地址在公共的地址服务器上注册后，即可接收由一般IPv6结点主动发起的连接，并且可以和其他位于IPv4 NAT后面的IPv6/IPv4双栈主机建立连接。该专利提出的方案和申请号为US20040088385的美国专利《Methodand apparatus for connecting IPV4 devices through an IPV6 network usinga tunnel setup protocol》所提出了专利的实现方法非常类似，原理上几乎一样。稍微不同的是，该方法利用公共地址服务器来进行隧道信息注册，但该方案同样没有给出该方法的具体实现和通讯可靠性保证机制。
本文中的方案正是基于以上空白，提出一种通过公共服务器与IPv4/IPv6双栈节点相配合，使隧道信息进行集中式管理和维护，从而实现动态4-in-6隧道建立的方法，并且定义了动态4-in-6隧道建立的完整过程和期间的消息通信机制和通讯可靠性保障机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：在IPv4与IPv6网络共存的环境下，利用公共服务器与IPv4/IPv6双栈节点的相互配合，在公共服务器上对隧道信息进行集中式管理和维护，从而使公共服务器可以协助IPv4/IPv6双栈节点动态建立4-in-6隧道，使得IPv4孤岛之间能够通过Ipv6骨干网互联互通。
为了实现上述目的，本发明公开了一种实现动态隧道建立的方法，包括以下步骤：
步骤一，IPv4/IPv6双栈节点向公共服务器发送隧道注册信息进行注册；
步骤二，公共服务器接收并保存IPv4/IPv6双栈节点发送的隧道注册信息，并向请求注册的IPv4/IPv6双栈节点返回注册应答消息；
步骤三，当有IPv4的流量需要通过隧道方式封装发送时，双栈节点向公共服务器发送隧道查询消息进行隧道查询；
步骤四，公共服务器查询隧道信息表并将查询结果返回给请求查询的IPv4/IPv6双栈节点；
步骤五，IPv4/IPv6双栈节点获得报文封装所须的隧道信息后，进行封装发送；
步骤六，IPv4/IPv6双栈节点定时向公共服务器发送握手消息，公共服务器收到握手信号后，向IPv4/IPv6双栈节点返回握手应答消息。
本发明公开了一种通过公共服务器与IPv4/IPv6双栈节点相配合，使隧道信息进行集中式管理和维护，从而实现动态4-in-6隧道建立的方法。本发明的优点在于通过本发明所定义的动态4-in-6隧道建立的完整过程和期间的消息通信机制和通讯可靠性保障机制，其动态4-in-6隧道的建立可以很方便的实现IPv4孤岛间通过IPv6骨干网的互联互通，从而避免了隧道手工配置所带来的管理和维护的复杂性。
附图说明
图1是本发明应用场景和动态4-in-6隧道建立示意图；
图2是隧道注册、状态检查和隧道发送的全过程流程图；
图3是隧道注册/隧道注册应答消息包格式示意图；
图4是握手/握手应答消息包格式示意图；
图5是公共服务器上隧道信息表格式示意图；
图6是隧道查询/隧道查询应答消息包格式示意图；
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
本发明的技术方案的核心思想是：利用公共服务器和双栈节点间隧道信息的交互，完成IPv4/IPv6双栈节点隧道的注册和公共服务器上对隧道信息的集中式管理和维护；利用消息交互机制实现4-in-6隧道的动态建立和维护以及通讯的可靠性。
图1是本发明应用场景和动态4-in-6隧道建立示意图，其中网络实体001为IPv4/IPv6双栈节点1，004为IPv4子网1，网络实体001是IPV4子网004的接入设备，充当隧道端节点的作用；002为IPv4/IPv6双栈节点2，005为IPv4子网2，IPv4/IPv6双栈节点002是IPV4子网005的接入设备，充当隧道端节点的作用；网络实体003是公共服务器，主要用于保存IPv4/IPv6双栈节点001和IPv4/IPv6双栈节点002的隧道信息，对隧道信息进行集中管理和维护，将IPv4/IPv6双栈节点001和IPv4/IPv6双栈节点002所需要的隧道信息发送给请求方，从而配合IPv4/IPv6双栈节点001和IPv4/IPv6双栈节点002完成动态4-in-6隧道的建立；101和201分别是隧道注册消息包和隧道注册应答消息包，用于IPv4/IPv6双栈节点向公共服务器注册隧道信息；102和202分别是握手消息包和握手应答消息包，用于监控IPv4/IPv6双栈节点和公共服务器之间通信链路的工作情况；103和203分别是隧道查询消息包和隧道查询应答消息包，用于IPv4/IPv6双栈节点向公共服务器查询隧道信息。图1所示的发明应用场景和动态隧道建立示意图是典型的IPv4向IPv6过渡的后期，网络上的IPv4孤岛之间通过IPv6骨干网络进行隧道通信的示意图。
图2是隧道注册、状态检查和隧道发送的全过程流程图。本图给出了当IPV4子网004和IPV4子网005两个IPv4子网通信时，IPv4/IPv6双栈节点001和IPv4/IPv6双栈节点002以及公共服务器003之间如何通过信息传递来完成4-in-6隧道动态建立这样一个完整的交互过程。当IPv4/IPv6双栈节点001上的IPv4/IPv6协议栈初始化完成并正常工作后，协议栈启动隧道注册定时器，收集隧道信息向公共服务器进行注册。所需要收集的隧道信息包括查询IPv4子网列表而获得的IPv4/IPv6双栈节点001所连IPv4子网的网络前缀，接入设备与IPv6骨干网相连的接口IPv6地址，以及隧道的MTU信息。在得到上述信息后，IPv4/IPv6双栈节点001将这些信息保存在报文格式如图3—a所示的隧道注册消息包101中，并将隧道注册消息包101发送给公共服务器003进行隧道注册，同时为了保证消息传递的可靠性，IPv4/IPv6双栈节点001将隧道注册消息包101保存在发送缓存中，直到收到公共服务器003返回的注册应答消息201后才将隧道注册请求包101从发送缓存中删除，否则IPv4/IPv6双栈节点001将定时向公共服务器003发送注册消息包101。公共服务器003的IP地址以及端口号已经在协议栈软件中预先设置完成。公共服务器003接收到IPv4/IPv6双栈节点001发来的隧道注册请求包101后，将隧道信息从隧道注册请求包101中提取出来并保存在如图5所示的隧道信息表中，并将‘隧道状态’字段设置为‘CONFIGURED’，表明该条目已经生效。而后，公共服务器003将向IPv4/IPv6双栈节点001发送报文格式如图3—b所示的隧道注册应答消息201，其中消息序列号字段用来匹配注册/注册应答消息。类似地，IPv4/IPv6双栈节点002也按照上述步骤在公共服务器003上注册了隧道信息。
在空闲期内，也即此时没有隧道通信需求时，IPv4/IPv6双栈节点001定时的向公共服务器003发送握手消息包102，其消息格式如图4-a所示。在握手消息包102中携带的信息包括IPv4/IPv6双栈节点001所连的IPV4子网004的旧的IPv4子网前缀，如果路由器重编号后，IPV4子网004的IPv4子网前缀发生了变化，则握手消息包102中还需携带变化后的新IPv4子网前缀，在公共服务器003上的具体操作是：提取握手消息包102中的信息，将所提取出的‘旧IPv4子网前缀’作为查找键进行隧道信息表006的查询，如果从握手消息包102所提取信息的‘新IPv4子网前缀’存在并且不为空，则将隧道信息表006中相应条目的‘Ipv4子网前缀’字段的内容替换为‘新IPv4子网前缀’中的内容，其它字段保持不变。之后，公共服务器003向IPv4/IPv6双栈节点001发送如图4—b所示报文格式的握手应答消息包202，其中消息序列号字段用来匹配握手/握手应答消息。通过上述信息的交互，可以监控IPv4/IPv6双栈节点001与公共服务器003之间通信链路的状态并且将IPv4/IPv6双栈节点001所连的IPv4子网前缀的变化信息及时反映给公共服务器003，通过公共服务器003对隧道信息表进行及时更新从而同步这一变化。
当IPV4子网004与IPV4子网005这两个IPv4子网之间有通信需求时，以IPV4子网004向IPV4子网005发送报文为例，IPv4报文会送给004的接入设备IPv4/IPv6双栈节点001，IPv4/IPv6双栈节点001从IPv4报文中取出IPv4源地址和IPv4目的地址，分别将IPv4源地址和IPv4目的地址作为携带的信息填充到如图6—a所示的隧道查询消息包103中，而后将隧道查询消息包103发送给公共服务器003进行查询；公共服务器003收到IPv4/IPv6双栈节点001发来的查询报文103后，从隧道查询消息包103中提取出‘源IPv4子网前缀’和‘目的IPv4子网前缀’，分别作为查找键对隧道信息表006进行查询，将所查表项的‘IPv6地址’字段的内容分别作为‘源IPv6地址’和‘目的IPv6地址’，并且将‘源IPv4子网前缀’所对应表项的‘隧道MTU’字段的内容填充到如图6—b所示报文格式的隧道查询应答消息包203中，而后将隧道查询应答消息包203发送给IPv4/IPv6双栈节点001。IPv4/IPv6双栈节点001收到公共服务器返回的隧道查询应答消息包203后，取出隧道查询应答消息包203中‘源IPv6地址’和‘目的IPv6地址’，分别作为IPv6源地址和IPv6目的地址构造封装报文的IPv6标准头，将IPv4/IPv6双栈节点001待发送的IPv4报文作为封装IPv6标准头后的净荷，用从隧道查询应答消息包203中提取得‘隧道MTU’来判断是否需要对隧道报文进行分片。报文封装完成后，经过IPv6骨干网向隧道目的端IPv4/IPv6双栈节点002传送，IPv4/IPv6双栈节点002收到封装的隧道报文后，通过上述类似的查询操作完成对隧道报文的解封装，将解封装后的IPv4报文递交到IPv4子网005进行处理。
图3是隧道注册/隧道注册应答消息包格式示意图。对于隧道注册消息包101和隧道注册应答消息包201，其传输层协议可以选用TCP或者UDP。对于隧道注册消息包101，所要携带的信息包括：‘注册ID’，也即注册命令字，由IPv4/IPv6双栈节点001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，由IPv4/IPv6双栈节点001协议栈软件动态随机生成，以匹配注册/注册应答消息；‘IPv4子网前缀’，是IPv4/IPv6双栈节点001上IPv4子网列表中标识的子网前缀；‘IPv6地址’，是IPv4/IPv6双栈节点001与IPv6骨干网相连的接口的IPv6地址；‘隧道MTU’是隧道发送时隧道报文的最大传输单元，是判断隧道报文是否需要分片的依据。对于隧道注册应答消息201，所要携带的信息包括：‘注册应答ID’，也即注册应答命令字，由IPv4/IPv6双栈节点001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，和101中的‘消息序列号’内容相同，以匹配注册/注册应答消息。
图4是握手/握手应答消息包格式示意图。对于握手消息包102和握手应答消息包202，其传输层协议可以选用TCP或者UDP。对于握手消息包102，所要携带的信息包括：‘握手ID’，也即握手命令字，由IPv4/IPv6双栈节点001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，由IPv4/IPv6双栈节点001协议栈软件动态随机生成，以匹配握手/握手应答消息；‘旧IPv4子网前缀’，是IPv4/IPv6双栈节点001上IPv6子网列表中标识的子网前缀；‘新IPv4子网前缀’，是当路由器重编号后IPv4子网发生变化后的子网前缀，如果前缀没有变化，该内容为空。对于握手应答消息包202，所要携带的信息包括：‘握手应答ID’，也即握手应答命令字，由001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，和握手消息包102中的‘消息序列号’内容相同，以匹配握手/握手应答消息。
图5是公共服务器上隧道信息表格式示意图。该表包括如下字段：‘序列号’，‘IPv4子网前缀’，‘IPv6地址’和‘隧道状态’。可以‘IPv4子网前缀’作为查找键查询对应隧道端节点的‘IPv6地址’；也可以‘IPv6地址’作为查找键查询对应隧道端节点所连的‘IPv4子网前缀’。
图6是隧道查询/隧道查询应答信息包格式示意图。对于隧道查询消息包103和隧道查询应答消息包203，其传输层协议可以选用TCP或者UDP。对于隧道查询消息包103，所要携带的信息包括：‘查询ID’，也即查询命令字，由IPv4/IPv6双栈节点001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，由001协议栈软件动态随机生成，以匹配查询/查询应答消息；‘源IPv4子网前缀’，是隧道源端节点所连IPv4子网的前缀，也即IPv4子网004的前缀；‘目的IPv4子网前缀’，是隧道目的端节点所连IPv4子网的前缀，也即IPv4子网005的前缀。对于隧道查询应答消息包203，所要携带的信息包括：‘查询应答ID’，也即查询应答命令字，由IPv4/IPv6双栈节点001和公共服务器003双方协商而定；‘消息序列号’，和隧道查询消息包103中的‘消息序列号’内容相同，以匹配查询/查询应答消息；‘源IPv6地址’，是公共服务器003的隧道信息表006中对应于‘源IPv4子网前缀’的‘IPv6地址’字段的内容；‘目的IPv6地址’，是公共服务器003的隧道信息表006中对应于‘目的IPv4子网前缀’的‘IPv6地址’字段的内容。
本发明公开了一种通过公共服务器与IPv4/IPv6双栈节点相配合，使隧道信息进行集中式管理和维护，从而实现动态4-in-6隧道建立的方法。本发明的优点在于通过本发明所定义的动态4-in-6隧道建立的完整过程和期间的消息通信机制和通讯可靠性保障机制，其动态4-in-6隧道的建立可以很方便的实现IPv4孤岛间通过IPv6骨干网的互联互通，从而避免了隧道手工配置所带来的管理和维护的复杂性。
Claims (10)
1、一种实现动态隧道建立的方法，包括以下步骤：
步骤一，IPv4/IPv6双栈节点向公共服务器发送隧道注册信息进行注册；
步骤二，公共服务器接收并保存IPv4/IPv6双栈节点发送的隧道注册信息，并向请求注册的IPv4/IPv6双栈节点返回注册应答消息；
步骤三，当有IPv4的流量需要通过隧道方式封装发送时，双栈节点向公共服务器发送隧道查询消息进行隧道查询；
步骤四，公共服务器查询隧道信息表并将查询结果返回给请求查询的IPv4/IPv6双栈节点；
步骤五，IPv4/IPv6双栈节点获得报文封装所须的隧道信息后，进行封装发送；
步骤六，IPv4/IPv6双栈节点定时向公共服务器发送握手消息，公共服务器收到握手信号后，向IPv4/IPv6双栈节点返回握手应答消息。
2、据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述步骤一中，将隧道注册信息作为净荷利用IPv6报文进行传送。
3、据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述隧道注册信息被保存在IPv4/IPv6双栈节点的缓存中，直到接收到所述公共服务器的应答消息后，才将所述隧道注册信息从缓存中删除，否则定时向所述公共服务器重发。
4、据权利要求1、2或3所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，步骤五中所述隧道信息包括：注册ID、消息序列号、IPv4/IPv6双栈节点所连IPv4子网的网络前缀、IPv4/IPv6双栈节点与IPv6骨干网相连的出接口的IPv6地址、隧道的MTU信息。
5、根据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述步骤二中，公共服务器利用IPv6协议与双栈路由设备通信，将接收到的隧道注册信息存储在隧道信息表中，并向请求注册的IPv4/IPv6双栈节点发送注册应答消息。
6、根据权利要求1、2、3或5所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述注册应答消息包括：注册应答ID、消息序列号。
7、根据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述步骤三中，IPv4/IPv6双栈节点利用IPv6TCP或UDP作为传输层协议承载查询请求，向公共服务器发送隧道查询消息。
8、根据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述步骤四中，公共服务器根据IPv4子网前缀或IPv6地址作为查找键进行隧道信息表的查询，将查询结果返回给请求查询的IPv4/IPv6双栈节点。
9、根据权利要求8所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述查询结果包括：查询应答ID、消息序列号、源Ipv6地址和目的Ipv6地址。
10、根据权利要求1所述的实现动态隧道建立方法，其特征在于，所述步骤五中，IPv4/IPv6双栈节点得到所需的隧道信息后，对IPv4报文进行隧道封装和发送。
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