CN103227787B - 一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,将LCRA功能与CPE设备结合,获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定,使得CPE设备开启代理ARP功能,在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网,实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下,跨越IPv6网络获取公有IPv4地址,并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4Internet,实现了IPv6单栈接入网中IPv4主机间的互访。
Description
技术领域
本发明属于互联网技术领域,特别涉及一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法。
背景技术
当前IPv4互联网规模迅速扩大,对IPv4地址的需求量也在不断增加,至使全球IPv4地址于2011年已分配完结。NAT技术和私有地址的使用虽然一定程度上实现了地址复用,但是却破坏了端到端特性,增加了网络结构的复杂度。IPv6协议具有更大的地址空间(2128)、更好的编址路由特性和安全性等特点,成为了建设下一代互联网的重要协议。但是由于IPv4与IPv6编址路由不兼容,互联网由IPv4过渡到IPv6需要较长的时期。
端到端特性是IPv4互联网的重要特点。这一特性使得核心网络功能简单,而端系统相对复杂。由于端系统更加可控,使得创新层出不穷,例如P2P应用、即时通信、在线视频、网络定位服务等。近年来,P2P软件和即时通信软件用户规模不断扩大。这些服务应用均涉及到了主机互访问题,也使得主机间互访成为各过渡技术不可忽视的重要内容。由于客户端不可控,过渡技术应该尽量减少对客户端的修改,实现用户无感知的向IPv6过渡。
为在IPv6过渡时期保证端系统IPv4协议栈正常工作,用户可以正常访问IPv4服务,并保持互联网的端到端特性,IETF Softwire工作组提出Public4over6机制。Public4over6机制通过DHCPv4over IPv6技术跨越IPv6接入网为CE(Customer Edge)动态分配和回收公有IPv4地址,同时在BR(BorderRelay)处维护CE IPv6地址与IPv4地址的映射表,CE和BR作为IPv4-over-IPv6隧道的端点,实现有状态IPv4-over-IPv6封装/解封装。其中CE设备分为CPE路由器(Customer Premise Equipment)和直连主机。本专利方案主要针对隧道端点为CPE路由器的场景。
DHCPv4over IPv6技术,通过使用IPv6承载DHCPv4报文,从而使得DHCPv4可以跨越IPv6网络正常运行。该技术扩展DHCPv4服务器(TSV,IPv6-Transport Server)使之能够解析IPv6包中的DHCPv4报文,继而利用原有功能完成DHCPv4过程。在DHCPv4客户侧增加CRA模块(Client RelayAgent)用于将DHCPv4报文封装入IPv6包以及处理TSV回复的DHCPv4报文。LCRA(on-Link Client Relay Agent)是链路客户端中继代理,可以实现为同一链路上的DHCPv4客户端提供中继服务。客户端即可实现通过DHCPv4overIPv6获取公有IPv4地址。LCRA的功能一般是由CPE设备实现。
主机间进行互访时,发起端要广播ARP请求,以获得目的端或下一跳的MAC地址来进行通信。如果两台主机在同一个网段内,那么发起端会请求目的端主机的MAC地址;否则发起端会请求默认网关的MAC地址。在Public4over6中,由于同一网段的地址可能分配给连接于不同CPE后的主机,并且CPE后的主机的实际网关是CPE,为使主机能够通信,CPE设备需采用相应措施实现,如代理ARP机制。代理ARP机制如下:网关设备(如CPE)代替无法直达的主机(如其它CPE后的主机)对ARP请求进行回答,以自己的MAC地址代替目标主机的MAC地址。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,在Public4over6技术的基础上,针对CPE路由器作为IPv4-over-IPv6隧道发起点的场景,通过对LCRA功能进行扩展,获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定,使CPE设备实现代理ARP功能,实现了在IPv6单栈接入网中,使得连接在CPE设备下的主机在不做改动的前提下跨越IPv6网络获取公有IPv4地址,并通过由CPE自动建立的隧道实现访问IPv4网络,以及同一Public4over6域内的主机互访。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,将LCRA功能与CPE设备结合,获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定,使得CPE设备开启代理ARP功能,在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网,实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下,跨越IPv6网络获取公有IPv4地址,并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4Internet。
其中,Public4over6域的主机通过DHCPv4over IPv6过程获得公有IPv4地址:
当TSV接收到主机广播的Discover请求后进行回复,TSV将网关的IPv4地址添加到Router Option中,将Offer报文发送给请求主机对应的LCRA;
当LCRA接收到TSV发送的ACK报文后进行解析,获取Router Option选项中网关的IPv4地址信息,并与CPE路由器的MAC地址绑定;同时,LCRA获取ACK报文中地址分配信息,并为该地址在路由表中添加一条/32路由表项。
而主机访问IPv4Internet的某一公网地址,具体步骤如下:
主机发出ARP请求,询问网关的MAC地址;
发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答;
主机将IPv4报文发送至发起点CPE;
发起点CPE接收到该报文后,以自己的IPv6地址为源地址,汇聚点BR的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR;
汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的IPv4地址信息进行正常IPv4转发;
IPv4Internet的服务器进行回复,IPv4报文路由到达汇聚点BR;
汇聚点BR接收该IPv4报文,根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表,如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE地址,则以BR的IPv6地址为源地址,CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给CPE;否则,丢弃该报文;
发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表,通过LAN口转发给相应的Host主机。
同一Public域内的主机间进行通信,具体步骤如下:
发起端主机-1首先会广播ARP请求,询问目的端主机-2的MAC地址;
如果主机-1和主机-2连接同一个CPE,则主机-2接收到ARP请求后进行ARP应答。主机-1可根据主机-2的地址信息,直接将IPv4报文发送给主机-2。如果主机-1和主机-2连接的是不同的CPE,则CPE1会对主机-1的ARP请求进行ARP应答。当主机-1向主机-2发送IPv4报文,该报文将先发给CPE1;
CPE1接收这个报文,以自己的IPv6地址为源地址,BR的IPv6地址为目的地址封装成IPv6报文,发送给BR;
BR接收到之后进行解封装,根据得到的IPv4报文中的目的地址查找IPv4-IPv6映射表,得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址,然后BR以自己的IPv6地址为源地址,CPE2的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2;
CPE2接收到报文进行解封装,根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表,然后通过LAN口转发给主机-2;
主机-2以相同过程向主机-1回复。
所述发起端主机-1通过广播ARP请求询问目的端主机-2的MAC地址时:
如果两台主机连接的是同一台CPE,那么目的端主机能够收到发起端的ARP请求,并使用自己的MAC地址进行ARP应答;
如果两台主机连接的是不同的CPE,那么CPE1接收到主机-1的ARP请求后,查询/32路由表,发现其中没有相应的表项,CPE1使用自己的MAC地址进行ARP应答。
从控制层面和数据层面两个方面说明以上的具体内容。
控制层面主要包括:终端主机公有IPv4地址的获取和CPE代理ARP功能的启动。当用户接入CPE下的网络时,会发起DHCP过程。通过LCRA与TSV的交互,TSV将IPv4地址下发给终端主机。DHCP回复报文中会包含RouterOption选项,用于通告终端主机网关地址信息。
LCRA收到TSV回复的ACK报文后,进行报文解析,提取报文中为主机分配的IPv4地址信息,用于为该地址添加/32的路由表项。该表项主要有两方面的作用:1.当CPE接收到一个发往连接该CPE主机的4over6隧道报文后进行解封装,然后通过这条表项将报文发给LAN口,之后转发给相应的主机;2.当连接该CPE的主机进行ARP广播时,CPE可以通过该表项确定是否进行代理ARP。当子网内的某一主机发出DHCPRELEASE报文或分配的地址租约到期时,CPE会删除路由表中的对应表项。
同时,LCRA会从DHCPACK报文中的Router Option选项中提取网关的IPv4地址信息,该地址用于与当前CPE设备的MAC地址进行绑定。当主机发出ARP请求获取网关的MAC地址时,CPE便会使用自己的MAC地址进行ARP应答。
数据层面主要是对数据的封装、解封装和转发。CPE和BR设备的作用是进行双向的封装、解封装,并将封装后的报文通过4over6隧道发送给对端。CPE设备和下连主机之间、BR与IPv4Internet之间进行正常IPv4转发。
BR维护IPv4-IPv6地址映射表,用于确定正确的IPv6封装地址。当主机通过DHCP过程获取IPv4地址后,BR会添加相应的IPv4-IPv6映射表项。其中,IPv4地址是主机的地址,IPv6地址为CPE的地址。由于同一CPE下会连接多台主机,因此会出现一个IPv6地址对应多个IPv4地址的情况。BR接收IPv4报文后,会根据其中目的IPv4地址查询地址映射表,即以IPv4地址作为索引进行查询,然后根据查询所得的IPv6地址封装转发给相应的CPE,因此BR能够进行正确的封装转发。
当主机间进行互访时,会出现两种情况。一种情况是两台主机连接的是同一个CPE。首先,发起端广播ARP请求。目的端接收到这个ARP包后,用自己的IPv4地址和MAC地址进行ARP应答,双方即可建立通信。
另一种情况是两个主机分别连接同一个BR下的两台CPE设备。首先发起端广播ARP请求。CPE接收到这个请求后,查询其维护的ARP表,发现没有与ARP请求中目的IPv4地址对应的表项。CPE便用自己的MAC地址进行ARP应答,即CPE进行代理ARP。
当需要向此IPv4地址发送数据时,发起端主机先将数据发送给代理网关CPE,由CPE进行封装,转发给BR。BR接收到后进行解封装,根据得到的IPv4报文中的目的地址查询IPv4-IPv6映射表,从而得到目的端对应的CPE设备的IPv6地址,并将其作为目的地址对该报文进行再封装,然后转发给相应的CPE。CPE接收到后进行解封装并转发给目的主机。目的端主机进行回复时的过程与上述过程相同。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.LCRA功能与CPE设备结合,在不改动客户主机的前提下实现跨IPv6网络的公有IPv4地址获取,并以CPE为发起点自动建立4over6隧道。
2.对LCRA进行功能扩展,协助CPE设备自动开启代理ARP功能。
3.实现IPv6单栈接入网中IPv4主机间的互访。
附图说明
图1是本发明的适用场景拓扑图。
图2是DHCPv4over IPv6过程图。
图3是主机访问外网的报文交互图。
图4是同一CPE下主机互访报文交互图。
图5是不同CPE下主机互访报文交互图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明针对的应用场景如图1所示,即接入网为IPv6单栈网络,CPE作为隧道发起点,实现IPv4终端主机通过4over6隧道访问IPv4Internet。本发明主要涉及DHCPv4over IPv6和LCRA处理Router Option过程、主机访问Internet报文交互过程以及主机间互访报文交互过程。下面对这三个过程进行具体描述。
第一、DHCPv4over IPv6过程,如图2所示:
1)主机广播DHCP Discover请求;
2)LCRA接收到后将报文的IPv4报头替换为IPv6报头,源地址为CPE的IPv6地址,目的地址为TSV的IPv6地址;
3)TSV收到请求后,将网关的IPv4地址添加到Router Option选项回复DHCP Offer,并将DHCP报文放入IPv6数据包中,单播发给LCRA;
4)LCRA接收到报文后将IPv6报头替换为IPv4报头,并将DHCP Offer报文转发给相应的主机;
5)主机接收到DHCP Offer报文后,发送DHCP Request报文;
6)LCRA收到该报文后,将其改造并转发给TSV;
7)TSV收到后进行解析得到DHCP Request报文,然后回复DHCP ACK报文,通过IPv6单播发给LCRA;
8)LCRA得到DHCP ACK报文,获取其中Router Option选项中的网关地址信息,与CPE的IPv4地址进行绑定;同时获取报文中的地址分配信息,然后由CPE设备为该地址建立一条/32的路由;将DHCP ACK报文发送给相应主机。
第二、主机访问IPv4Internet的过程,如图3所示:
1)主机-1(192.0.0.2/24)需要访问IPv4Internet的某一公网地址,如,192.0.1.2/24。主机-1发出ARP请求,询问网关的MAC地址。
2)发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答,即进行ARP代理;
3)主机-1将IPv4报文发送至发起点CPE;
4)发起点CPE接收到该报文后,以自己的IPv6地址(2001::5/64)为源地址,汇聚点BR的IPv6地址(2001::2/64)为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR;
5)汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的IPv4地址信息(192.0.1.2/24)进行正常IPv4转发;
6)IPv4Internet的服务器进行回复,其源地址为192.0.1.2/24,目的地址为主机-1的IPv4地址(192.0.0.2/24);
7)汇聚点BR接收该IPv4报文,根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表。如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE地址(2001::5/64),则以自己的IPv6地址为源地址,CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给CPE。否则,丢弃该报文;
8)发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表,通过LAN口转发给相应的主机。
第三、主机间互访的过程:
主机间互访存在两种情况:一种是两个主机连接的是同一台CPE,另一种情况是两个主机连接的是不同的CPE。
针对第一种情况,如图4所示:
1)主机-1(192.0.0.3/24)广播ARP请求,询问主机-2(IP地址为192.0.0.4/24)的MAC地址;
2)主机-2接收到主机-1的ARP请求后,将自己的MAC地址回复给主机-1。
3)主机-1和主机-2即可建立通信。
针对第二种情况,如图5所示:
1)主机-1(192.0.0.5/24)广播ARP请求,询问主机-2(IP地址为192.0.0.6/24)的MAC地址;
2)CPE1接收到这个请求后,查询/32路由表,没有找到192.0.0.6/32对应的表项,因而使用自己的MAC地址进行ARP应答,即进行ARP代理;主机-1向主机-2发送IPv4报文时,该报文会先发往CPE1;
3)CPE1接收这个报文,以自己的IPv6地址(2001::6/64)为源地址,BR的IPv6地址(2001::2/64)为目的地址封装成IPv6报文,发送给BR;
4)BR接收到之后进行解封装,根据得到的IPv4报文中的目的地址(192.0.0.6/24)查找IPv4-IPv6映射表,得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址2001::7/64。然后BR以自己的IPv6地址(2001::2/64)为源地址,CPE2的IPv6地址(2001::7/64)为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2;
5)CPE2接收到报文进行解封装,根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表,然后通过LAN口转发给主机-2;
6)主机-2回复主机-1的过程与上述过程相同。
本发明在Public4over6技术的基础上,通过对LCRA功能进行扩展,使其能够获取真正网关的地址信息,CPE设备通过其MAC地址与网关的IP地址的绑定实现代理ARP功能,从而在IPv6单栈接入网中,使连接在CPE设备下的主机在不做改动的前提下跨越IPv6网络获取公有IPv4地址,并实现同一Public4over6域内的主机互访。利用上述方法,4over6隧道过渡技术实现了用户无感知的向IPv6平滑过渡。
Claims (4)
1.一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,将LCRA(on-Link Client Relay Agent)功能与CPE设备结合,获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定,使得CPE设备开启代理ARP功能,在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网,实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下,跨越IPv6网络获取公有IPv4地址,并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4 Internet,其特征在于,Public 4over6域的主机通过DHCPv4 over IPv6过程获得公有IPv4地址:
当TSV(IPv6-Transport Server)接收到主机发送的Discover请求后进行回复,TSV将网关的IPv4地址添加到Router Option中,将Offer报文发送给请求主机对应的LCRA;
当LCRA接收到TSV发送的ACK报文后进行解析,获取Router Option选项中网关的IPv4地址信息,并与CPE路由器的MAC地址绑定;同时,LCRA获取ACK报文中地址分配信息,并为该地址在路由表中添加一条/32路由表项。
2.根据权利要求1所述基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,其特征在于,主机访问IPv4 Internet的某一公网地址,具体步骤如下:
主机发出ARP请求,询问网关的MAC地址;
发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答;
主机将IPv4报文发送至发起点CPE;
发起点CPE接收到该报文后,以自己的IPv6地址为源地址,汇聚点BR的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR;
汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的IPv4地址信息进行正常IPv4转发;
IPv4 Internet的服务器进行回复,IPv4报文路由到达汇聚点BR;
汇聚点BR接收该IPv4报文,根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表,如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE IPv6地址,则以BR的IPv6地址为源地址,CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文,然后通过4over6隧道发送给CPE;否则,丢弃该报文;
发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文,然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表,通过LAN口转发给相应的主机。
3.根据权利要求1所述基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,其特征在于,同一Public域内的主机间进行通信,具体步骤如下:
发起端主机-1首先会广播ARP请求,询问目的端主机-2的MAC地址;
如果主机-1和主机-2连接同一个CPE,则主机-2接收到ARP请求后进行ARP应答,主机-1可根据主机-2的地址信息,直接将IPv4报文发送给主机-2;
如果主机-1和主机-2连接的是不同的CPE,则CPE1会对主机-1的ARP请求进行ARP应答,当主机-1向主机-2发送IPv4报文,该报文将先发给CPE1;
CPE1接收这个报文,以自己的IPv6地址为源地址,BR的IPv6地址为目的地址封装成IPv6报文,发送给BR;
BR接收到之后进行解封装,根据得到的IPv4报文中的目的地址查找IPv4-IPv6映射表,得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址,然后BR以自己的IPv6地址为源地址,CPE2的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2;
CPE2接收到报文进行解封装,根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表,然后通过LAN口转发给主机-2;
主机-2以相同过程向主机-1回复。
4.根据权利要求3所述的基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法,其特征在于,所述发起端主机-1通过广播ARP请求询问目的端主机-2的MAC地址时:
如果两台主机连接的是同一台CPE,那么目的端主机能够收到发起端的 ARP请求,并使用自己的MAC地址进行ARP应答;
如果两台主机连接的是不同的CPE,那么CPE1接收到主机-1的ARP请求后,查询/32路由表,发现其中没有相应的表项,CPE1使用自己的MAC地址进行ARP应答。
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GR01 | Patent grant |