CN104135446B - 基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统及方法，涉及SDN领域，该系统的硬件包括控制器和交换机，该系统的软件模块均在linux操作系统的应用层开发，控制器包括第一OpenFlow接口模块、第一配置管理模块、第一流表管理模块和第一地址管理模块；交换机包括第二OpenFlow接口模块、第二配置管理模块、第二流表管理模块、第二地址管理模块、隧道模块和网络地址转换NAT模块。本发明能灵活、简单地设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，实现网络流量的灵活控制，支持传统交换机，方便扩展，移植性好，再次开发容易。

Description

基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统及方法

技术领域

本发明涉及SDN领域，具体是涉及一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统及方法。

背景技术

网络经历了数十年的发展，如今在人们的生产、生活中发挥着巨大的作用。全球的网络拓扑结构错综复杂，由许多的自制系统组成。数据包从中国的一台PC(PersonalComputer，个人计算机)机发出，访问到美国的主机，需经过一系列的路由、转发，而经由的网络拓扑节点由层层网关、路由器支配，难于控制。一些组织，在架设自身的可扩展、大规模网络环境时，也同样遇到了拓扑结构复杂、难于维护的问题。

如果能剥离开网络的物理拓扑结构，将网络资源虚拟化，隐藏物理结构的复杂性，统一的进行逻辑层的管理控制，就能满足多变的网络需求。SDN(Software DefinedNetwork，软件定义网络)能够高效地将网络数据流处理从控制数据流的逻辑和规则中分离出来。这让运营商和企业能够控制管理自己的数据，从而实现不同规则的路由，包括决定哪些类型的数据在本地、哪些类型的数据在远程处理。本质上，SDN让组织机构能够精细地看到并控制对网络和资源的访问，让IT经理得以解决影响网络的具体问题。现如今，SDN的发展成为必然。

目前IPv4(Internet Protocol Version 4，因特网协议版本4)的发展遇到瓶颈，一方面，IANA(The Internet Assigned Numbers Authority，互联网数字分配机构)的IPv4地址已经枯竭，各RIR(Regional Internet Register，地区性互联网注册机构)可分配地址空间将在2014年左右耗尽，现有网络将无法获得IPv4地址以持续发展，移动互联网、物联网的出现使得问题加剧；另一方面，IPv4体系的路由效率低，移动性差，安全和服务质量难以保障，可扩展性较差，因此，IPv4网络难以满足和支撑网络，特别是移动互联网、物联网等新业务和网络构架的发展。

IPv6(Internet Protocol Version 6，因特网协议版本6)作为IETF(InternetEngineering Task Force，互联网工程任务组)确定的下一代互联网协议，能够从根本上解决IPv4存在的问题。IETF从1992年就开始着手研究IPv6，目前IPv6的相关标准和产品已经成熟。IPv6以其地址充足、报头高效、即插即用、网络安全、端到端QoS(Quality ofService，服务质量)以及良好移动IP等特性，可为移动互联网、云计算、物联网等新业务的开展提供有力的保证。因此，IPv4网络向IPv6网络过渡演进是必然趋势，且刻不容缓。

目前，单纯的SDN技术已经实现，单纯的IPv4向IPv6过渡的技术也可实现，但是，现阶段在SDN环境下实现IPv4向IPv6过渡技术还没有实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统及方法，能够灵活、简单地设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，实现网络流量的灵活控制，支持传统交换机，方便扩展，移植性好，再次开发容易。

本发明提供一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统，该系统的硬件包括控制器和交换机，该系统的软件模块均在linux操作系统的应用层开发，所述控制器包括第一OpenFlow接口模块、第一配置管理模块、第一流表管理模块和第一地址管理模块；所述交换机包括第二OpenFlow接口模块、第二配置管理模块、第二流表管理模块、第二地址管理模块、隧道模块和网络地址转换NAT模块，其中：

所述第一OpenFlow接口模块用于：实现交换机和控制器之间的连接，控制器通过第一OpenFlow接口模块控制交换机、接收交换机上报给控制器的流、下发流的处理并返回给交换机、下发交换机的配置参数给交换机，交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；

所述第一配置管理模块用于：通过配置管理界面或者修改配置文件，动态设置每一个交换机从IPv4向IPv6过渡的技术；接收到交换机发来的协议协商OFPT_HELLO消息后，通过交换机的IP地址读取该交换机的配置参数；

所述第一流表管理模块用于对每一台交换机上报的流进行处理；

所述第一地址管理模块用于对交换机的NAT转化地址进行管理；

所述第二OpenFlow接口模块用于：采用OpenFlow协议标准，在交换机和控制器之间建立连接；接收控制器下发给交换机的配置参数；接收控制器对该交换机上报流的处理数据包；

所述第二配置管理模块用于：根据第二OpenFlow接口模块接收的交换机的配置参数，解析交换机的参数信息，设置交换机待加载的模块；

所述第二地址管理模块用于：当交换机和控制器之间的连接断开时，获取NAT转化后的IP地址；

所述第二流表管理模块用于对上行流、下行流进行处理：当上行流到达交换机时，在交换机的流表中查找该上行流，如果在交换机的流表中查找不到该上行流，即该上行流是首包，交换机通过第二OpenFlow接口模块上报给控制器；如果在交换机的流表中查找到该上行流，即该上行流不是首包，交换机按照查找到的该上行流的处理流程处理，然后发送出去；下行流的处理过程与上行流的处理过程一样；

所述隧道模块用于：当交换机从IPv4向IPv6过渡时，IPv4用户的数据包通过IPv6网络访问IPv4服务器时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6用户的数据包通过IPv4网络访问IPv6服务器时要进行解封装：去掉IPv6头部；同理，服务器返回给用户的数据包也要先封装、然后解封装：IPv4服务器通过IPv6网络返回数据包给IPv4用户时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6服务器通过IPv4网络返回数据包给IPv6用户时要进行解封装：去掉IPv6头部；

所述NAT模块用于：当交换机和控制器连接时，交换机的NAT模块接收到控制器NAT转化后的地址和端口，并使用该地址和端口修改数据包的地址和端口。

在上述技术方案的基础上，所述交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、轻量级过渡技术LAFT6、双栈精简DS-Lite、Smart6、IPv6快速部署6RD、IPv4和IPv6的翻译技术IVI、映射地址和端口MAP。

在上述技术方案的基础上，所述第二配置管理模块按照以下规则设置交换机待加载的模块：当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为NAT44、NAT46、IVI或MAP时，交换机加载NAT模块，不加载隧道模块；当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机同时加载NAT模块和隧道模块。

在上述技术方案的基础上，所述控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的通信流程如下：

交换机的第二OpenFlow接口模块和控制器的第一OpenFlow接口模块通过协议协商OFPT_HELLO消息，使用双方都支持的最低版本协议建立连接；

交换机的第二OpenFlow接口模块与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接后，控制器的第一OpenFlow接口模块向交换机的第二OpenFlow接口模块下发请求交换机的信息OFPT_FEATURES_REQUEST消息的数据包，目的是请求交换机的信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的信息OFPT_FEATURES_REPLY消息回复该交换机的信息；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过控制器设置交换机的配置参数OFPT_SET_CONFIG消息设置交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块发送请求获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REQUEST请求获取交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过流表修改FLOW_MOD消息设置交换机流的添加、删除或修改；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过回复获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REPLY消息，返回该交换机的配置参数给控制器；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过请求交换机的统计信息OFPT_STATS_REQUEST消息获取交换机统计信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的统计信息OFPT_STATS_REPLY消息返回统计信息给控制器；

交换机的第二OpenFlow接口模块接收到用户首包，在流表中查找该流是否存在，如果该流不存在，通过交换机首包上报OFPT_PACKET_IN消息上报给控制器的第一OpenFlow接口模块。

本发明还提供一种适用于上述系统的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，包括以下步骤：

S1、通过配置管理界面或者修改配置文件，使用交换机的IP地址来设置该交换机的配置参数；交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；

S2、交换机的第二OpenFlow接口模块采用OpenFlow协议标准与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接：控制器的第一OpenFlow接口模块接收到交换机发送的协议协商OFPT_HELLO消息，控制器的第一配置管理模块查看是否查找到该交换机的IP地址，如果查找到该交换机的IP地址，表明该交换机被控制器控制，控制器的第一OpenFlow接口模块接收交换机的连接信息，建立连接；

S3、控制器与交换机建立连接后，控制器的第一配置管理模块获取交换机的配置参数，控制器的第一OpenFlow接口模块下发配置参数给交换机的第二OpenFlow接口模块；

S4、交换机的第二OpenFlow接口模块接收控制器的第一OpenFlow接口模块下发的配置参数，第二配置管理模块得到交换机的配置参数后，配置交换机的信息；

S5、第二配置管理模块通过交换机的配置参数得到交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术涉及到隧道技术时，交换机自动加载隧道模块；

S6、客户的上行数据包到达交换机的第二OpenFlow接口模块，交换机的第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找到该流，就按照该流的处理流程进行处理；如果在交换机的流表中查找不到该流，交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的操作；

S7、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

当交换机需要使用隧道模块时，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S8、交换机的第二OpenFlow接口模块接收到下行数据包时，第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找不到该流，则交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的处理；

S9、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

当交换机需要使用隧道模块时，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S10、交换机和控制器建立连接后，如果连接断开，交换机有上行数据包、需要进行NAT处理的时候，交换机的第二地址管理模块得到相应的NAT转化地址和端口，交换机的NAT模块处理数据包的地址和端口，然后发送出去。

在上述技术方案的基础上，所述交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、LAFT6、DS-Lite、Smart6、6RD、IVI、MAP。

在上述技术方案的基础上，在步骤S5中，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为NAT44、NAT46、IVI或MAP时，交换机加载NAT模块，不加载隧道模块；当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机同时加载NAT模块和隧道模块。

在上述技术方案的基础上，步骤S6中所述相应的操作为：如果流需要进行NAT转化，控制器的第一地址管理模块获取NAT转化的地址，控制器的第一OpenFlow接口模块将该流NAT转化后的地址和端口发送给交换机的第二OpenFlow接口模块，并告诉交换机需要新建流；如果流不需要进行NAT处理，默认的NAT地址为0.0.0.0，端口为0。

在上述技术方案的基础上，步骤S8中所述相应的处理为：如果上行流进行了NAT转化，下行流到达的时候也要进行NAT转化，转化成以前的上行流未NAT转化之前的IP和端口。

在上述技术方案的基础上，所述控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的通信流程如下：

交换机的第二OpenFlow接口模块和控制器的第一OpenFlow接口模块通过协议协商OFPT_HELLO消息，使用双方都支持的最低版本协议建立连接；

交换机的第二OpenFlow接口模块与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接后，控制器的第一OpenFlow接口模块向交换机的第二OpenFlow接口模块下发请求交换机的信息OFPT_FEATURES_REQUEST消息的数据包，目的是请求交换机的信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的信息OFPT_FEATURES_REPLY消息回复该交换机的信息；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过控制器设置交换机的配置参数OFPT_SET_CONFIG消息设置交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块发送请求获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REQUEST请求获取交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过流表修改FLOW_MOD消息设置交换机流的添加、删除或修改；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过回复获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REPLY消息，返回该交换机的配置参数给控制器；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过请求交换机的统计信息OFPT_STATS_REQUEST消息获取交换机统计信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的统计信息OFPT_STATS_REPLY消息返回统计信息给控制器；

交换机的第二OpenFlow接口模块接收到用户首包，在流表中查找该流是否存在，如果该流不存在，通过交换机首包上报OFPT_PACKET_IN消息上报给控制器的第一OpenFlow接口模块。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)灵活、简单地设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术

现有过渡技术的确定是通过运行交换机的程序，需要连接交换机，然后修改交换机过渡技术的程序，由于只有懂软件开发的人能确定过渡技术，因此只有专业的技术人员才能设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术。本发明中交换机从IPv4向IPv6过渡的技术是由控制器控制的，用户通过第一配置管理模块，使用交换机的IP地址来设置该交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，然后控制器下发配置参数给交换机，能够灵活、简单地设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术。

(2)本发明在SDN中利用OpenFlow协议，将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供良好的平台。

(3)支持传统交换机

本发明是在linux应用层上实现的，对硬件没有特殊要求，本发明也可以在传统的交换机上运行，不需要修改硬件。

(4)本发明采用标准的OpenFlow协议实现OpenFlow接口模块，OpenFlow协议支持1.0、1.3版本，当OpenFlow协议升级的时候，修改OpenFlow接口模块即可，方便扩展。

(5)本发明实现的IPv4向IPv6过渡技术不是单一的一种，基本包含现如今所有的过渡技术。本发明通过过渡技术的类型来加载功能模块，当出现新的过渡技术时，添加该新的过渡技术的实现模块，然后确定该技术加载新的实现模块即可，方便扩展。

(6)移植性好

本发明是在linux应用层实现的，它的功能与机器系统结构无关，可跨越很多机器界限，只要交换机和控制器的操作系统为linux，本发明都可以运行，实现，移植性好。

(7)再次开发容易

本发明是在linux应用层实现的，如果想再次开发，非常容易。

附图说明

图1是本发明实施例中控制器的硬件结构框图。

图2是本发明实施例中交换机的硬件结构框图。

图3是本发明实施例中OpenFlow通信的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统，该系统的硬件包括控制器(controller)和交换机(switch)，该系统的软件模块均在linux操作系统的应用层开发。参见图1所示，控制器包括第一OpenFlow接口模块、第一配置管理模块、第一流表管理模块和第一地址管理模块；参见图2所示，交换机包括第二OpenFlow接口模块、第二配置管理模块、第二流表管理模块、第二地址管理模块、隧道模块和NAT(Network AddressTranslation，网络地址转换)模块，其中：

第一OpenFlow接口模块用于：实现交换机和控制器之间的连接，控制器通过第一OpenFlow接口模块控制交换机、接收交换机上报给控制器的流、下发流的处理并返回给交换机、下发交换机的配置参数给交换机，交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、LAFT6(Lightweight Address FamilyTransition for IPv6，轻量级过渡技术)、DS-Lite(Dual Stack-Lite，双栈精简)、Smart6、6RD(IPv6 Rapid Deployment，IPv6快速部署)、IVI(IPv4和IPv6的翻译技术)、MAP(MappingAddress and Port，映射地址和端口)；

第一配置管理模块用于：通过配置管理界面或者修改配置文件，动态设置每一个交换机从IPv4向IPv6过渡的技术；接收到交换机发来的OFPT_HELLO(协议协商)消息后，通过交换机的IP地址读取该交换机的配置参数；

第一流表管理模块用于对每一台交换机上报的流进行处理；

第一地址管理模块用于对交换机的NAT转化地址进行管理；

第二OpenFlow接口模块用于：采用OpenFlow协议标准，在交换机和控制器之间建立连接；接收控制器下发给交换机的配置参数；接收控制器对该交换机上报流的处理数据包；

第二配置管理模块用于：根据第二OpenFlow接口模块接收的交换机的配置参数，解析交换机的参数信息，按照以下规则设置交换机待加载的模块：当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为NAT44、NAT46、IVI或MAP时，交换机加载NAT模块，不加载隧道模块；当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机同时加载NAT模块和隧道模块；

第二地址管理模块用于：当交换机和控制器之间的连接断开时，获取NAT转化后的IP地址；

第二流表管理模块用于对上行流、下行流进行处理：当上行流到达交换机时，在交换机的流表中查找该上行流，如果在交换机的流表中查找不到该上行流，即该上行流是首包，交换机通过第二OpenFlow接口模块上报给控制器；如果在交换机的流表中查找到该上行流，即该上行流不是首包，交换机按照查找到的该上行流的处理流程处理，然后发送出去；下行流的处理过程与上行流的处理过程一样；

隧道模块用于：交换机从IPv4向IPv6过渡的技术不同，需要的模块不同，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，需要有隧道的封装、解封装功能，下面以LAFT6为例进行说明：当交换机采用LAFT6实现从IPv4向IPv6过渡时，IPv4用户的数据包通过IPv6网络访问IPv4服务器时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6用户的数据包通过IPv4网络访问IPv6服务器时要进行解封装：去掉IPv6头部；同理，服务器返回给用户的数据包也需要先封装、然后解封装，例如：IPv4服务器通过IPv6网络返回数据包给IPv4用户时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6服务器通过IPv4网络返回数据包给IPv6用户时要进行解封装：去掉IPv6头部；

NAT模块用于：当交换机和控制器连接时，交换机的NAT模块接收到控制器NAT转化后的地址和端口，并使用该地址和端口修改数据包的地址和端口。

本发明实施例提供一种适用于上述系统的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，包括以下步骤：

S1、通过配置管理界面或者修改配置文件，使用交换机的IP地址来设置该交换机的配置参数；交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、LAFT6、DS-Lite、Smart6、6RD、IVI、MAP；

S2、交换机的第二OpenFlow接口模块采用OpenFlow协议标准与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接：控制器的第一OpenFlow接口模块接收到交换机发送的OFPT_HELLO(协议协商)消息，控制器的第一配置管理模块查看是否可以查找到该交换机的IP地址，如果查找到该交换机的IP地址，表明该交换机被控制器控制，控制器的第一OpenFlow接口模块接收交换机的连接信息，建立连接；如果查找不到该交换机的IP地址，控制器就不会发送OpenFlow信息，不会和该交换机建立连接；

S3、控制器与交换机建立连接后，控制器的第一配置管理模块获取交换机的配置参数，控制器的第一OpenFlow接口模块下发配置参数给交换机的第二OpenFlow接口模块；

S4、交换机的第二OpenFlow接口模块接收控制器的第一OpenFlow接口模块下发的配置参数，第二配置管理模块得到交换机的配置参数后，配置交换机的信息；

S5、第二配置管理模块通过交换机的配置参数得到交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，涉及到隧道技术，交换机自动加载隧道模块；

S6、客户的上行数据包到达交换机的第二OpenFlow接口模块，交换机的第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找到该流，就按照该流的处理流程进行处理；如果在交换机的流表中查找不到该流，交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的操作，例如：如果该流需要进行NAT转化，控制器的第一地址管理模块获取NAT转化的地址，控制器的第一OpenFlow接口模块将该流NAT转化后的地址和端口发送给交换机的第二OpenFlow接口模块，并告诉交换机需要新建流；如果该流不需要进行NAT处理，默认的NAT地址为0.0.0.0，端口为0；

S7、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

交换机根据过渡技术来决定封装、解封装功能，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机需要使用隧道模块，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S8、交换机的第二OpenFlow接口模块接收到下行数据包时，第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找不到该流，则交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的处理，例如：如果上行流进行了NAT转化，下行流到达的时候也要进行NAT转化，转化成以前的上行流未NAT转化之前的IP和端口；

S9、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

当交换机需要使用隧道模块时，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S10、交换机和控制器建立连接后，如果连接断开，交换机有上行数据包、需要进行NAT处理的时候，交换机的第二地址管理模块得到相应的NAT转化地址和端口，交换机的NAT模块处理数据包的地址和端口，然后发送出去。

本发明实施例的软件是在linux操作系统的应用层开发的，交换机和控制器通过OpenFlow接口实现分离交换机的处理数据和转发的功能。在交换机上实现NAT模块、隧道模块，控制器控制交换机加载哪些模块。

下面举一个例子进行详细说明。

1、准备交换机和控制器硬件

首选需要准备两台硬件设备，对硬件没有特殊的要求，需要这两台硬件的操作系统为linux即可，普通的电脑也可以，虚拟机也可以。

2、编写控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块

给这两台硬件设备配置好IP地址，开发OpenFlow接口，用于分离交换机处理数据和转发数据的能力，实现SDN环境。

参见图3所示，控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的通信流程如下：

交换机的第二OpenFlow接口模块和控制器的第一OpenFlow接口模块通过OFPT_HELLO(协议协商)消息，使用双方都支持的最低版本协议建立连接；

交换机的第二OpenFlow接口模块与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接后，控制器的第一OpenFlow接口模块向交换机的第二OpenFlow接口模块下发OFPT_FEATURES_REQUEST(请求交换机的信息)消息的数据包，目的是请求交换机的信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过OFPT_FEATURES_REPLY(获取交换机的信息)消息回复该交换机的信息；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过OFPT_SET_CONFIG(控制器设置交换机的配置参数)消息设置交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块发送OFPT_GET_CONFIG_REQUEST(请求获取交换机的配置参数)请求获取交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过FLOW_MOD(流表修改)消息设置交换机流的添加、删除或修改；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过回复OFPT_GET_CONFIG_REPLY(获取交换机的配置参数)消息，返回该交换机的配置参数给控制器；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过OFPT_STATS_REQUEST(请求交换机的统计信息)消息获取交换机统计信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过OFPT_STATS_REPLY(获取交换机的统计信息)消息返回统计信息给控制器；

交换机的第二OpenFlow接口模块接收到用户首包，在流表中查找该流是否存在，如果该流不存在，通过OFPT_PACKET_IN(交换机首包上报)消息上报给控制器的第一OpenFlow接口模块。

参见图3所示，编写控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的过程如下：

控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块都采用socket(套接字)编程，控制器监听的端口为6633，控制器监听的端口可以自己指定；创建socket之后，交换机跟控制器会彼此发送OFPT_HELLO数据包，目的是协议协商，内容是本方支持的最高版本的协议，成果使用双方都得支持的最低版本协议，结果建立连接；当交换机和控制器完成连接后，控制器向交换机下发OFPT_FEATURES_REQUEST的数据包，目的是请求交换机的信息，交换机接收到该数据包会回复OFPT_FEATURES_REPLY消息，控制器就对交换机有了一个全面的了解，从而为后面的控制提供的控制信息。其余的setconfig、getconfigrequest、getconfig reply、stats request、stats reply(这些都是OpenFlow协议的标准)就不在具体的介绍，可以查看OpenFlow协议标准。对于进入交换机而没有匹配流表，不知道如何操作的数据包，交换机会将其封装在OFPT_PACKET_IN中发给控制器。

3、编写控制器的第一配置管理模块和交换机的第二配置管理模块

对于交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，lan口、wan口、NAT转化的地址等信息，交换机需要从控制器获取。首先，可以通过应用层的界面配置交换机的参数，写入控制器的数据库或者通过交换机的配置参数写在控制器的配置文件中，交换机通过控制器建立连接后的IP地址，控制器通过读取控制器的数据库或者读取控制器的配置文件找到该交换机的配置参数，然后通过控制器的第一OpenFlow接口模块的Vendor(用于OpenFlow交换机协商厂家自定义的附加功能，为未来版本预留)消息发送给交换机的第二OpenFlow接口模块；交换机的第二OpenFlow接口模块接收Vendor消息后，然后读取Vendor消息中的参数信息，通过该参数信息配置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，来加载功能模块。例如NAT模块、隧道模块。如果采用NAT44、NAT46、IVI或MAP，就不需要隧道模块。

4、编写控制器的第一流表管理模块和交换机的第二流表管理模块

客户的上行流量通过5元组来确定流是否存在，根据自己的情况可以自己定，例如OpenFlow协议1.0版本是11元组。上行的流量到达交换机后在流表中查找该流，如果流不存在，将数据包封装在OFPT_PACKET_IN中，通过交换机的第二OpenFlow接口模块发送给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到该数据包，在流表中查找该流是否存在，如果流不存在，则通过该交换机从IPv4向IPv6过渡的技术和配置参数做出相应的操作，例如NAT44过渡技术，此时控制器需要通过NAT模块得到配置参数中的NAT地址，然后进行NAT，将NAT后的地址和端口，放在Flow_Mod数据包中的action(动作)中，并告诉交换机新建该流，下发给交换机。交换机的第二OpenFlow接口模块接收数据包后，保存NAT后的地址和端口并新建该流。同时，如果流在60秒或者其他配置时间内没有再次出现，会自动删除该流。

5、编写控制器的第一地址管理模块和交换机的第二地址管理模块

控制器的第一配置管理模块得到相应交换机的配置参数，当交换机新流上报给控制器后，控制器通过过渡技术(例如NAT44)知道该流需要进行NAT转化，控制器需要先获得NAT地址，然后进行NAT转化具体的实现可以查看RFC(Request For Comments，请求评议)3022、RFC2993、RFC2663、RFC3027、RFC6333文档。具体实现私网地址转化成公网地址。当交换机和控制器建立连接后，交换机和控制器断开，为了保证客户的正常上网，需要交换机自身也具备地址管理的能力，它需要通过交换机的第二配置管理模块得到NAT地址，然后进行NAT转化得到NAT后的地址和端口。

6、编写NAT模块

交换机接收到控制器下发的策略，包含了NAT后的地址和端口，然而没有具体的写到数据包中，需要得到该地址和端口后修改数据包中的地址和端口，然后发送出去。

7、编写隧道模块

交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD的时候，需要进行封装、解封装。上行数据包到达交换机，交换机通过过渡技术知道需要封装和解封装，封装就是将IPv4数据包封装在IPv6头部下，解封装就是去掉IPv6的头部，封装、解封装的目的是实现IPv4的数据包可以在IPv6网络中传输，具体可以查看RFC6333。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统，该系统的硬件包括控制器和交换机，其特征在于：该系统的软件模块均在linux操作系统的应用层开发，所述控制器包括第一OpenFlow接口模块、第一配置管理模块、第一流表管理模块和第一地址管理模块；所述交换机包括第二OpenFlow接口模块、第二配置管理模块、第二流表管理模块、第二地址管理模块、隧道模块和网络地址转换NAT模块，其中：

所述第一OpenFlow接口模块用于：实现交换机和控制器之间的连接，控制器通过第一OpenFlow接口模块控制交换机、接收交换机上报给控制器的流、下发流的处理并返回给交换机、下发交换机的配置参数给交换机，交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；

所述第一配置管理模块用于：通过配置管理界面或者修改配置文件，动态设置每一个交换机从IPv4向IPv6过渡的技术；接收到交换机发来的协议协商OFPT_HELLO消息后，通过交换机的IP地址读取该交换机的配置参数；

所述第一流表管理模块用于对每一台交换机上报的流进行处理；

所述第一地址管理模块用于对交换机的NAT转化地址进行管理；

所述第二OpenFlow接口模块用于：采用OpenFlow协议标准，在交换机和控制器之间建立连接；接收控制器下发给交换机的配置参数；接收控制器对该交换机上报流的处理数据包；

所述第二配置管理模块用于：根据第二OpenFlow接口模块接收的交换机的配置参数，解析交换机的参数信息，设置交换机待加载的模块；

所述第二地址管理模块用于：当交换机和控制器之间的连接断开时，获取NAT转化后的IP地址；

所述第二流表管理模块用于对上行流、下行流进行处理：当上行流到达交换机时，在交换机的流表中查找该上行流，如果在交换机的流表中查找不到该上行流，即该上行流是首包，交换机通过第二OpenFlow接口模块上报给控制器；如果在交换机的流表中查找到该上行流，即该上行流不是首包，交换机按照查找到的该上行流的处理流程处理，然后发送出去；下行流的处理过程与上行流的处理过程一样；

所述隧道模块用于：当交换机从IPv4向IPv6过渡时，IPv4用户的数据包通过IPv6网络访问IPv4服务器时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6用户的数据包通过IPv4网络访问IPv6服务器时要进行解封装：去掉IPv6头部；同理，服务器返回给用户的数据包也要先封装、然后解封装：IPv4服务器通过IPv6网络返回数据包给IPv4用户时要进行封装：添加IPv6头部；IPv6服务器通过IPv4网络返回数据包给IPv6用户时要进行解封装：去掉IPv6头部；

所述NAT模块用于：当交换机和控制器连接时，交换机的NAT模块接收到控制器NAT转化后的地址和端口，并使用该地址和端口修改数据包的地址和端口；

所述交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、轻量级过渡技术LAFT6、双栈精简DS-Lite、Smart6、IPv6快速部署6RD、IPv4和IPv6的翻译技术IVI、映射地址和端口MAP；

所述第二配置管理模块按照以下规则设置交换机待加载的模块：当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为NAT44、NAT46、IVI或MAP时，交换机加载NAT模块，不加载隧道模块；当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机同时加载NAT模块和隧道模块。

2.如权利要求1所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的系统，其特征在于：所述控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的通信流程如下：

交换机的第二OpenFlow接口模块和控制器的第一OpenFlow接口模块通过协议协商OFPT_HELLO消息，使用双方都支持的最低版本协议建立连接；

交换机的第二OpenFlow接口模块与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接后，控制器的第一OpenFlow接口模块向交换机的第二OpenFlow接口模块下发请求交换机的信息OFPT_FEATURES_REQUEST消息的数据包，目的是请求交换机的信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的信息OFPT_FEATURES_REPLY消息回复该交换机的信息；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过控制器设置交换机的配置参数OFPT_SET_CONFIG消息设置交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块发送请求获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REQUEST请求获取交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过流表修改FLOW_MOD消息设置交换机流的添加、删除或修改；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过回复获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REPLY消息，返回该交换机的配置参数给控制器；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过请求交换机的统计信息OFPT_STATS_REQUEST消息获取交换机统计信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的统计信息OFPT_STATS_REPLY消息返回统计信息给控制器；

交换机的第二OpenFlow接口模块接收到用户首包，在流表中查找该流是否存在，如果该流不存在，通过交换机首包上报OFPT_PACKET_IN消息上报给控制器的第一OpenFlow接口模块。

3.适用于权利要求1所述系统的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过配置管理界面或者修改配置文件，使用交换机的IP地址来设置该交换机的配置参数；交换机的配置参数包括交换机从IPv4向IPv6过渡的技术、NAT转化IP地址池、LAN口值、WAN口值、LAN口的IP地址和WAN口的IP地址；

S2、交换机的第二OpenFlow接口模块采用OpenFlow协议标准与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接：控制器的第一OpenFlow接口模块接收到交换机发送的协议协商OFPT_HELLO消息，控制器的第一配置管理模块查看是否查找到该交换机的IP地址，如果查找到该交换机的IP地址，表明该交换机被控制器控制，控制器的第一OpenFlow接口模块接收交换机的连接信息，建立连接；

S3、控制器与交换机建立连接后，控制器的第一配置管理模块获取交换机的配置参数，控制器的第一OpenFlow接口模块下发配置参数给交换机的第二OpenFlow接口模块；

S4、交换机的第二OpenFlow接口模块接收控制器的第一OpenFlow接口模块下发的配置参数，第二配置管理模块得到交换机的配置参数后，配置交换机的信息；

S5、第二配置管理模块通过交换机的配置参数得到交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术涉及到隧道技术时，交换机自动加载隧道模块；

S6、客户的上行数据包到达交换机的第二OpenFlow接口模块，交换机的第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找到该流，就按照该流的处理流程进行处理；如果在交换机的流表中查找不到该流，交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的操作；

S7、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

当交换机需要使用隧道模块时，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S8、交换机的第二OpenFlow接口模块接收到下行数据包时，第二流表管理模块在交换机的流表中查找该流，如果在交换机的流表中查找不到该流，则交换机的第二OpenFlow接口模块上报该流给控制器的第一OpenFlow接口模块；控制器的第一OpenFlow接口模块接收到数据包，控制器的第一流表管理模块在控制器的流表中查找该流，如果在控制器的流表中查找到该流，就按照在控制器的流表中查找到的操作下发给交换机；如果在控制器的流表中查找不到该流，就按照该交换机的过渡技术对该流进行相应的处理；

S9、交换机的第二OpenFlow接口模块接收该流NAT转化后的地址和端口，交换机的NAT模块修改数据包中的地址和端口，发送出去；同时，交换机的第二流表管理模块获取对上报流的处理过程，并保存至相应的流表下；

当交换机需要使用隧道模块时，交换机接收到控制器下发的新建流后，通过隧道模块对该流进行相应的封装、解封装处理，然后发送出去；

S10、交换机和控制器建立连接后，如果连接断开，交换机有上行数据包、需要进行NAT处理的时候，交换机的第二地址管理模块得到相应的NAT转化地址和端口，交换机的NAT模块处理数据包的地址和端口，然后发送出去。

4.如权利要求3所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于：所述交换机从IPv4向IPv6过渡的技术包括NAT44、NAT46、LAFT6、DS-Lite、Smart6、6RD、IVI、MAP。

5.如权利要求4所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于：在步骤S5中，当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为NAT44、NAT46、IVI或MAP时，交换机加载NAT模块，不加载隧道模块；当交换机从IPv4向IPv6过渡的技术为LAFT6、DS-Lite、Smart6或6RD时，交换机同时加载NAT模块和隧道模块。

6.如权利要求3所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于：步骤S6中所述相应的操作为：如果流需要进行NAT转化，控制器的第一地址管理模块获取NAT转化的地址，控制器的第一OpenFlow接口模块将该流NAT转化后的地址和端口发送给交换机的第二OpenFlow接口模块，并告诉交换机需要新建流；如果流不需要进行NAT处理，默认的NAT地址为0.0.0.0，端口为0。

7.如权利要求3所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于：步骤S8中所述相应的处理为：如果上行流进行了NAT转化，下行流到达的时候也要进行NAT转化，转化成以前的上行流未NAT转化之前的IP和端口。

8.如权利要求3至7中任一项所述的基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的方法，其特征在于：所述控制器的第一OpenFlow接口模块和交换机的第二OpenFlow接口模块的通信流程如下：

交换机的第二OpenFlow接口模块和控制器的第一OpenFlow接口模块通过协议协商OFPT_HELLO消息，使用双方都支持的最低版本协议建立连接；

交换机的第二OpenFlow接口模块与控制器的第一OpenFlow接口模块建立连接后，控制器的第一OpenFlow接口模块向交换机的第二OpenFlow接口模块下发请求交换机的信息OFPT_FEATURES_REQUEST消息的数据包，目的是请求交换机的信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的信息OFPT_FEATURES_REPLY消息回复该交换机的信息；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过控制器设置交换机的配置参数OFPT_SET_CONFIG消息设置交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块发送请求获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REQUEST请求获取交换机的配置参数；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过流表修改FLOW_MOD消息设置交换机流的添加、删除或修改；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过回复获取交换机的配置参数OFPT_GET_CONFIG_REPLY消息，返回该交换机的配置参数给控制器；

控制器的第一OpenFlow接口模块通过请求交换机的统计信息OFPT_STATS_REQUEST消息获取交换机统计信息；

交换机的第二OpenFlow接口模块通过获取交换机的统计信息OFPT_STATS_REPLY消息返回统计信息给控制器；

交换机的第二OpenFlow接口模块接收到用户首包，在流表中查找该流是否存在，如果该流不存在，通过交换机首包上报OFPT_PACKET_IN消息上报给控制器的第一OpenFlow接口模块。