CN101227373B - 基于无状态映射的IPv4和IPv6网互通的方法 - Google Patents

Abstract

基于无状态映射的IPv4和IPv6网互通的方法属于互联网技术领域，其特征在于在所选的IPv4和IPv6网间配置一台边界路由器，在该边界路由器中配置无状态地址映射模块，以进行IPv4和IPv6网间地址映射；分组翻译模块，以进行分组头之间的互相翻译，使得IPv6网中维护IPv4网的可达信息或者在IPv4网中维护IPv6网的可达性信息从而保证不同网之间的端到端通信，解决了可扩展性问题。

Description

基于无状态映射的IPv4和IPv6网互通的方法

技术领域

基于无状态映射的IPv4和IPv6网互通的方法属于互联网技术领域。

背景技术

随着IPv4地址资源的耗尽和IPv6技术的发展，从IPv4过渡到IPv6网络成为了Internet发展的趋势。但IPv4和IPv6协议本身的不兼容性使得IPv4到IPv6的过渡成为了一大难题——即我们无法使全球的互联网在同一时刻完全过渡到IPv6，IPv4到IPv6的转换是一个由部分而整体的逐步过程。在这个过程中如何使互联网上资源的IPv4和IPv6均可访问性得到保证是我们要解决的主要问题。

在问题的基础上，已有很多研究成果，主要对应于三个方向：

1.IPv4/IPv6双栈网络。这种方式实际上是在运行两个网络，资源的可访问性是在每个终端同时拥有两种地址的基础上保证的，因此在这种方式下原有IPv4的地址枯竭问题并未得到解决。

2.隧道接入。这种方式适合于将IPv4或IPv6的孤岛网络通过IPv6或IPv4的大网连接到其它IPv4或IPv6网络上。这种方式在IPv6的前期发展上起了很大的作用，但是随着需要部署范围的增大，需要打通的隧道越来越多，使这种方式显现出扩展性方面的局限性。

3.网络地址转换-端口转换协议NAT-PT数据包翻译。这种机制通过网关将IPv4和IPv6的数据包互译，运行方式则类似目前用于解决IPv4地址缺乏的NAT网关。但由于其运用的是传输控制协议TCP/用户数据协议UDP端口到IP地址的有状态映射，因此IP网络端到端通信的特性无法保证，且状态的引入带来了同样的可扩展性问题。

我们设计的基于无状态映射的IPv6网和IPv4网间互通的方法，正是在上述方法的基础上，通过在数据包地址翻译过程中引入独特的无状态映射，达到互访和资源共享的目的。该方法消除了网络地址转换-端口转换协议NAP-PT中由于状态造成的路径依赖性，从而使得用户网络在获得IPv6和IPv4互访功能的同时，能够在多接入(Multihoming)环境下保持良好的路径多样性，从而在链路可能发生故障的情况下提高IPv6/IPv6互访网络的性能和可靠性。

我们的映射方法具备如下的独特性质：1)一一映射：保证一个终端的标识，无论其为IPv4还是IPv6，在IPv4+IPv6全局中都是唯一的。这保证了该终端在IPv4、IPv6网中的全局可访问性。2)无状态：即进行数据包翻译和地址映射的设备无需保存与该次翻译相关的翻译和映射状态信息。这保证了系统的可扩展性。3)兼容性：IPv4和IPv6互相的地址映射，会导致互相间路由的融合。映射过去的地址能很好的被路由，不会给路由系统带来过大的负担。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的IPv4网络和IPv6网络互通方法可扩展性差的问题，提供一种新的IPv4网络IPv6网络之间通信的技术方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过无状态映射(IVI，其中罗马字母IV表示IPv4，罗马字母VI表示IPv6)，在IPv6网络中维护IPv4网络的可达性信息，在此基础上，在IVI路由器上实现分组翻译，从而保证两个不同网络节点之间的端到端通信。

本发明所提出的方法的特征在于：基于IVI无状态映射的IPv6网和IPv4网间互通的方法其特征在于，当IPv4节点主动发起与IPv6节点的通信时，依次含有以下步骤：

步骤(1)初始化

在所述IPv4、IPv6网间配置一台边界路由器，在所选路由器中配置地址映射模块和分组翻译模块，其中：

地址映射模块，配置有一个路由表，其中含有IPv4到IPv6路由映射信息，用于依次按以下步骤把IPv4地址翻译为IPv6地址：

把IPv4地址前加特定前缀后再添加到目标IPv6地址/32位前缀后，再根据所述路由映射信息翻译为正确的IPv6地址；例如，设中缀为“FF”，现有IPv4地址202.38.114.1，欲映射至IPv6地址前缀2001:250:/32下，则映射结果应为：2001:250:ff<202.38.114.1>，翻译为正确的IPv6地址即为：20010:250:ffca:2672:0100::

分组翻译模块，依次按以下步骤把IPv4分组头翻译为IPv6分组头：

IPv6分组头中的净荷长度字段的值为IPv4分组头中的全长字段的值减去4倍的因特网报头长度的值IHL，该IHL为设定值；

IPv6分组头中的下一个分组头字段是直接复制自IPv4分组头中的协议字段；

IPv6分组头中的跳数限制字段是直接复制自IPv4分组头中的生存周期字段；

IPv6格式的源地址为：把IPv4的源地址添加IPv6的32位前缀和作为IPv6的中缀的“FF”后得到的；

IPv6格式的目标地址为：把IPv4的目标地址添加IPv6的32位前缀和所述8位中缀“FF”后得到的；

步骤(2)当前述的边界路由器的IPv4协议栈收到IPv4数据包后，首先查询路由表，若路由为非IVI映射路由，则按普通IPv4数据包转发；

步骤(3)若发现步骤(2)中的所述数据包的对应路由为IVI映射路由，则进行IVI地址映射操作，把IPv4地址映射为IPv6地址；再进行翻译操作，把IPv4分组头翻译为IPv6分组头；

步骤(4)检查IP报头之后的协议：

当报文采用传输控制协议TCP格式或用户数据协议UDP格式时，要分别用RFC794和RFC768中的方法重新计算校验和并更改报头的校验和域；

当报文采用因特网控制消息协议ICMP格式时，要把信息类型和代码由ICMP格式用RFC2765中的方法翻译为ICMPv6格式，同时，若ICMP消息后附带IP数据包，则要用地址映射方法将其翻译为IPv6数据包；

步骤(5)报文翻译完成后，把新的数据包转送到IPv6协议栈，同普通IPv6数据包一起进行后续处理；

当IPv6节点主动发起与IPv4节点的通信时，依次含有以下步骤：

步骤(I)初始化

在所述IPv6和IPv4网间配置一台边界路由器，在所述路由器中配置地址映射模块和分组翻译模块，其中：

地址映射模块，配置有一个路由表，其中含有IPv6映射到IPv4的一部分地址映射信息，用于依以下步骤把IPv6地址翻译为IPv4地址，部分IPv6地址是指原有的IPv4网过渡为IPv6网后按照映射规则分配的地址：在把这部分IPv6地址映射到IPv4地址时，直接去掉IPv6地址前缀和映射标志中缀，以得到IPv4地址；例如，设中缀为“FF”上述的202.38.114.1，在过渡到IPv6时可获得地址2001:250:ffca:2672:0100::，对于这个IPv4兼容的IPv6地址，映射时直接去掉IPv6前缀和映射标志前缀“ff”即可得到IPv4地址202.38.114.1；

分组翻译模块，用于把IPv6分组头翻译为IPv4分组头，其步骤如下：

新的IPv4分组头的因特网报头长度IHL的值设为5；

IPv6分组头中的净荷长度字段的值加上4倍的IHL的值直接作为IPv4分组头中的全长字段的值；

IPv6分组头中的跳数限制字段直接作为IPv4分组头中的生存周期字段；

IPv6分组头中的下一个分组头字段直接作为IPv4分组头中的协议字段；

IPv4分组头的校验和字段需要根据RFC791中的方法直接计算；

IPv6的IVI格式源地址去掉前40位的前缀和所述的“FF”后，再去32位得到映射的IPv4源地址；

IPv6的IVI格式目的地址去掉前40位的前缀和所述的“FF”后，再去32位得到映射的IPv4目的地址；

步骤(II)边界路由器在其IPv6协议栈收到IPv6数据包后，首先查询路由表，若为非IVI映射路由，则按照普通IPv6数据包转发；

步骤(III)若步骤(II)中的所述IPv6数据包为IVI映射路由，则进行IVI地址映射操作，把IPv6地址翻译为IPv4地址；再进行分组翻译操作，把IPv6分组头翻译为IPv4分组头；

步骤(IV)检查IPv6分组头之后的协议：

若报文采用传输控制协议TCP格式或用户数据协议UDP格式，则要重新计算校验和，并改变校验和域的值；

若报文采用ICMPv6格式时，把信息类型和代码由ICMPv6格式翻译为ICMP格式，同时若ICMPv6消息后附IPv6数据包，则要翻译该数据包为IPv4数据包，方法与步骤(I)中所述的方法相同；

步骤(V)把步骤(IV)得到的新的数据包，转送到IPv4协议栈，同普通IPv4数据包一样进行后续处理。

本发明所提出的基于IVI无状态映射的IPv6网络和IPv4网络互通方法，解决了已有的协议翻译机制需要保存通信双方的状态信息而导致的单点故障和可扩展性差的问题，提供一种新的IPv4网络IPv6网络之间通信的技术方法，可以实现在网络中间节点无状态翻译分组，从而解决传统IPv4/v6网络之间互通方法的可扩展性问题。

附图说明

图1.IVI地址映射规则示意图

图2.基于IVI无状态映射的IPv6网和IPv4网间互通的方法网络环境图

图3.基于IVI无状态映射的IPv6网和IPv4网间互通的方法流程图

图4.基于IVI无状态映射的IPv6网和IPv4网间互通的方法系统逻辑结构图

具体实施方式

本发明按以下步骤实现：

Ipv4接入网通过IVI路由器接入至IPv6骨干网，并与有IPv4兼容的IPv6地址的IPv6接入网进行通信，如图2所示。

步骤1：V4客户端首先发起了对V6服务器的访问请求，如图2中1.0.0.1发起对3.0.0.1(V6地址为2001:0:ff30:0100)的请求。

步骤2：IVI边界路由器在IPv4协议栈收到来自V4客户端的IPv4数据包后，发现其对应路由为IVI映射路由，开始进行IVI地址映射和数据包翻译操作；

步骤3：IVI边界路由器根据路由表中的IVI路由映射信息将IPv4地址翻译为IPv6地址，并将IPv4数据包的分组头翻译为IPv6分组头；

步骤3.1 IPv6分组头中的净荷长度字段(Payload Length)的值为IPv4分组头中的全长字段(Tota Length)减去4倍的IHL值；

步骤3.2：Ipv6分组头中的下一个分组头字段(Next Header)直接复制IPv4分组头中的协议字段(Protocol)；

步骤3.3：Ipv6分组头中的跳数限制字段(Hop limit)直接复制IPv4分组头中的生存周期字段(TTL)；

步骤3.4：IPv4的源地址根据IVI地址映射方法添加IPv6的32位前缀和“FF”8位中缀后得到的IPv6格式的源地址，如图2，将1.0.0.1翻译为2001:1:ff10:0100::；

步骤3.5：IPv4的目标地址根据IVI地址映射方法添加IPv6的32位前缀和“FF”8位中缀后得到的IPv6格式的目标地址，如图2，将3.0.0.1翻译为2001:0:ff30:0100::；

步骤4：分组头翻译完毕后检查IP报头之后的协议，分为TCP/UDP/ICMP三种情况；

步骤4.1：当报文为TCP或UDP时，因其报文校验和需要包含伪IP报头，所以IP报头翻译后，需要重新计算此校验和并更改报头的校验和域，仅此一处改动即可；

步骤4.2：当报文为ICMP时，需要将信息类型和代码由ICMP格式翻译为ICMPv6格式；同时，如果ICMP消息后附带IP数据包，需要根据同样的方法将此IP数据包翻译为IPv6数据包；翻译方法根据RFC2765即SIIT协议进行；

步骤5：报文翻译过程完毕后，将新的数据包转送至IPv6协议栈，同普通IPv6数据包一样进行后续处理；

步骤6：新的IPv6数据包离开IVI边界路由器，通过IPv6网络路由到V6服务器。

反过来，从V6服务器到V4客户端的访问也是类似。

步骤1：V6服务器首先发起了对V4客户端的访问请求，如图2中2001:0:ff30:0100::发起对2001:0:ff10:0100::(V4地址为1.0.0.1)的请求。

步骤2：IVI边界路由器在IPv6协议栈收到IPv6数据包后，首先查询路由表，如果路由为普通路由，则按普通IPv6数据包转发；

步骤3：如果发现其对应路由为IVI映射路由，则进行IVI地址映射和翻译操作；地址映射和翻译操作首先利用映射路由内的信息将IPv6地址翻译为IPv4地址，将IPv6数据报头翻译为IPv4数据报头；

步骤3.1：从IPv6到IPv4的IVI地址规则如图1所示；

在我们的映射规则下，只有部分IPv6地址可以被映射到IPv4地址，这些地址通常来自原有的IPv4网络过渡为IPv6网络后按映射规则的地址分配；例如上述的202.38.114.1，在过渡到IPv6时可获得地址2001:250:ffca:2672:0100::，对于这个IPv4兼容的IPv6地址，映射时直接去掉IPv6前缀和映射标志前缀“ff”即可得到IPv4地址202.38.114.1；

步骤3.2：按如下方式构造IPv4分组头：

新的IPv4分组头的IHL字段(Internet Header Length)设为5；

IPv6分组头中的净荷长度字段(Payload Length)的值加上4倍的IHL值直接填入IPv4分组头中的全长字段(Total Length)；

Ipv6分组头中的跳数限制字段(Hop limit)直接填入IPv4分组头中的生存周期字段(TTL)；

Ipv6分组头中的下一个分组头字段(Next Header)直接填入IPv4分组头中的协议字段(Protocol)；

直接计算IPv4分组头的校验和字段(Header Checksum)；

IPv6的IVI格式源地址去除前40位前缀和中缀后，再取32位得到映射的IPv4源地址；如图2，将2001:0:ff30:0100::翻译为3.0.0.1

IPv6的IVI格式目标地址去除前40位前缀和中缀后，再取32位得到映射的IPv4目标地址；如图2，将2001:1:ff10:0100::翻译为1.0.0.1；

步骤4：检查IP报头之后的协议，分为TCP/UDP/ICMPv6三种情况；

步骤4.1：当报文为TCP或UDP时，因其报文校验和需要包含伪IP报头，所以IP报头翻译后，需要重新计算此校验和，并改变此域值，仅此一处改动即可；

步骤4.2：当报文为ICMPv6时，需要将信息类型和代码由ICMPv6格式翻译为ICMP格式。同时，如果ICMPv6消息后附带IP数据包，需要将此IP数据包翻译为IPv6数据包；翻译方法根据RFC2765即SIIT协议进行；

步骤5：报文翻译过程完毕后，将新的数据包转送至IPv4协议栈，同普通IPv4数据包一样进行后续处理；

步骤6：新的Ipv4数据包离开IVI边界路由器，通过Ipv4网络路由到V4客户端。

Claims (1)

1.基于无状态映射的IPv4和IPv6网互通的方法，其特征在于，当IPv4节点主动发起与IPv6节点的通信时，依次含有以下步骤：

步骤(1)初始化

在所述IPv4、IPv6网间配置一台边界路由器，在所选路由器中配置地址映射模块和分组翻译模块，其中：

地址映射模块，配置有一个路由表，其中含有IPv4到IPv6路由映射信息，用于依次按以下步骤把IPv4地址翻译为IPv6地址：

把IPv4地址前加特定长度中缀后，再添加到目标IPv6地址32位前缀后，再根据所述路由映射信息翻译为正确的IPv6地址；

分组翻译模块，依次按以下步骤把IPv4分组头翻译为IPv6分组头：

IPv6分组头中的净荷长度字段的值为IPv4分组头中的全长字段的值减去4倍的因特网报头长度IHL的值，该IHL的值为设定值；

IPv6分组头中的下一个分组头字段是直接复制自IPv4分组头中的协议字段；

IPv6分组头中的跳数限制字段是直接复制自IPv4分组头中的生存周期字段；

IPv6格式的源地址为：把IPv4的源地址添加IPv6的32位前缀和作为IPv6的中缀的“FF”后得到的；

IPv6格式的目标地址为：把IPv4的目标地址添加IPv6的32位前缀和所述8位中缀“FF”后得到的；

步骤(2)当前述的边界路由器的IPv4协议栈收到IPv4数据包后，首先查询路由表，若路由为非无状态映射路由，则按普通IPv4数据包转发；

步骤(3)若发现步骤(2)中的所述数据包的对应路由为无状态映射路由，则进行无状态地址映射操作，把IPv4地址映射为IPv6地址；再进行翻译操作，把IPv4地址映射为IPv6地址；再进行翻译操作，把IPv4分组头翻译为IPv6分组头；

步骤(4)检查IP报头之后的协议：

当报文采用传输控制协议TCP格式或用户数据协议UDP格式时，要分别用RFC794和RFC768中的方法重新计算校验和并更改报头的校验和域；

当报文采用因特网控制消息协议ICMP格式时，要把信息类型和代码由ICMP格式用RFC2765中的方法翻译为ICMPv6格式，同时，若ICMP消息后附带IP数据包，则要用地址映射方法将其翻译为IPv6数据包；

步骤(5)报文翻译完成后，把新的数据包转送到IPv6协议栈，同普通IPv6数据包一起进行后续处理；

当IPv6节点主动发起与IPv4节点的通信时，依次含有以下步骤：

步骤(I)初始化

在所述IPv6和IPv4网间配置一台边界路由器，在所述路由器中配置地址映射模块和分组翻译模块，其中：

地址映射模块，配置有一个路由表，其中含有IPv6映射到IPv4的一部分地址映射信息，用于依以下步骤把IPv6地址翻译为IPv4地址，部分IPv6地址是指原有的IPv4网过渡为IPv6网后按照映射规则分配的地址：在把这部分IPv6地址映射到IPv4地址时，直接去掉IPv6地址前缀和映射标志中缀，以得到IPv4地址；

分组翻译模块，用于把IPv6分组头翻译为IPv4分组头，其步骤如下：

新的IPv4分组头的因特网报头长度IHL的值设为5；

IPv6分组头中的净荷长度字段的值加上4倍的IHL的值直接作为IPv4分组头中的全长字段的值；

IPv6分组头中的跳数限制字段直接作为IPv4分组头中的生存周期字段；

IPv6分组头中的下一个分组头字段直接作为IPv4分组头中的协议字段；

IPv4分组头的校验和字段需要根据RFC791中的方法直接计算；

IPv6的源地址去掉前40位的前缀和所述的“FF”后，再去32位得到映射的IPv4源地址；

IPv6的目的地址去掉前40位的前缀和所述的“FF”后，再去32位得到映射的IPv4目的地址；

步骤(II)边界路由器在其IPv6协议栈收到IPv6数据包后，首先查询路由表，若为非无状态映射路由，则按照普通IPv6数据包转发；

步骤(III)若步骤(II)中的所述IPv6数据包为无状态映射路由，则进行无状态地址映射操作，把IPv6地址翻译为IPv4地址；再进行分组翻译操作，把IPv6分组头翻译为IPv4分组头；

步骤(IV)检查IPv6分组头之后的协议：

若报文采用传输控制协议TCP格式或用户数据协议UDP格式，则要重新计算校验和，并改变校验和域的值；

若报文采用ICMPv6格式时，把信息类型和代码由ICMPv6格式翻译为ICMP格式，同时若ICMPv6消息后附IPv6数据包，则要翻译该数据包为IPv4数据包，方法与步骤(I)中所述的方法相同；

步骤(V)把步骤(IV)得到的新的数据包，转送到IPv4协议栈，同普通IPv4数据包一样进行后续处理。

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