CN1783869A - 在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，其实现步骤包括：保持TCP/IPv4协议栈及IPv6协议栈中对不同接口结构体的定义，并通过在上述不同的结构体中增加互指的指针来实现对应结构体的互相关联和索引；IPv4协议栈和IPv6协议栈中对接口结构体的操作各自独立实现，在涉及到对IPv4的接口结构体的操作需要触发IPv6接口结构体的处理时，通过其中互指的指针来完成；反之亦然。本发明方法既可以很好的继承已有的IPv4协议栈成果，也同时能够充分互联网上有关IPv6开发的成果，从而使得现有的设备能够在较短的时间内实现对IPv4/IPv6双栈功能的支持。

Description

在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法

技术领域

本发明涉及一种互联网技术中的协议栈方法，尤其是涉及一种在已有的TCP/IPv4协议栈中增加IPv6协议支持的方法，该方法可广泛应用于主机系统协议栈软件开放、通信设备协议栈软件等领域。

背景技术

传统的互联网是基于IPv4协议的，这一协议的开放自由特点促成了互联网的迅速发展。但是，随着互联网用户数量不断增长，以及对互联网应用的要求不断提高，IPv4协议的不足也逐渐凸现出来。其中最尖锐的问题就是不断增长的对互联网资源的巨大需求与IPv4地址空间匮乏之间的矛盾。另外，由于IPv4地址方案不能很好地支持地址汇聚，现有的互联网正面临路由表不断膨胀的压力；同时，对服务质量、移动性和安全性等方面的需求都迫切要求开发新一代IP协议。为了彻底解决互联网的地址危机，IETF提出了IPv6互联网协议。除了对地址空间的扩展以外，IPv6还提供了对安全性，服务质量QoS，移动性的更好支持，从当前IPv6技术研究和实验的情况以及信息技术发展的趋势看，基于IPv6的下一代互联网出现并逐渐取代IPv4已经是不可避免的趋势。

面对商用化呼声越来越高的IPv6协议，原来的IPv4网络设备制造商不得不考虑对IPv6协议的支持，即开放出支持IPv6的设备或者是对现有设备进行升级以支持IPv6协议。由于IPv4网络设备的大量应用，IPv4和IPv6共存的互联网将在未来很长一段时间内共存，因此IPv4和IPv6的互通性就变得非常重要。

为了解决互通性的问题，IETF提出了多种解决方案，几种现有技术中常用的方案包括：(1)双协议栈技术(Dual-stack)；(2)隧道技术(Tunneling)；(3)NAT-PT(Network Address Translator and ProtocolTranslator)。

双协议栈技术就是使得设备同时支持IPv4和IPv6两套协议，这是一种基本的方案，也是当前应用范围最广泛的方案。从技术实现的角度看，网络设备对双栈技术的支持有两种实现方法，一种方案就是采用全新的IPv4/IPv6协议栈实现方法，完全替换已有的IPv4协议栈。另一种方案是在现有IPv4协议栈代码基础上扩展功能，增加新代码，以实现对IPv6协议的支持。

第一方案所开发出的IPv4/IPv6双栈具有良好的代码一致性，并能够吸收IPv4协议栈在应用过程中所取得的经验和教训，使得代码在性能和可扩展性具有比较大的上升空间。Wind River公司就采用的是这种方案，该公司对Kame协议栈进行了移植和修改，形成了自己的全新的IPv4/IPv6双协议栈，并开始在自己的产品中替换旧的IPv4协议栈。

虽然第一方案有诸多优点，但其中存在一个非常致命的问题，即新的双协议栈的稳定性需要相当长的时间来验证。特别是对电信设备，运营商对其稳定性要求非常高，往往要求其中的软硬件稳定性有相当的保证，并且在市场上得到了一定的应用。特别是路由器，其功能主要体现在报文的路由和转发上，对网络层代码的稳定性要求更高。另外，虽然IPv6协议所带来的变化主要集中在网络层，但该层次代码的变化，必然引起链路层和上层应用的变化，从而带来更多的不稳定隐患。这种情况在类似于VxWorks这样的嵌入式实时操作系统中还会变得更严重。上述情况实际上是由于这种方案没有继承IPv4协议已有成果所引起的。

第二种方案正是考虑到对已有IPv4成果的继承性而提出的，该方案对现有IPv4代码采取了充分利用的思想，通过增加IPv6协议的功能来实现对IPv4/IPv6双栈的支持。特别是在高端路由器中，其分布式的软件架构使得软件的开发变得异常复杂，如果对现有成果不采取继承的方式，势必影响产品的推出时间。在这种方式下，原有的IPv4功能得到了继承，其协议一致性和没有IPv6报文处理时的稳定性得到了一定的保证。从产品开发的经验上看，这种方式对类似与VxWorks下的分布式软件开发是一种更好的选择。目前，Windows2000、WindowsXP和Linux等操作系统都是采用这种方式。由于其相应的开发人员对IPv4的代码和实现机制有相当的了解，另外他们的开发进度也有一定的保证，因此他们完全可以在现有的IPv4协议栈上进行自行设计和开发，完成对IPv6协议的支持。

但是，从开发时间看，第二种方案需要自行设计和开发，其开发的周期比较长。即使部分实现参考了开放源码Open Source或者商用IPv6协议栈的代码，但由于其主导思想是以自主开发为主，所完成的设计需要兼顾IPv4已有的框架结构，开发的周期和时间必然增加，因此这样的方式对需要快速响应市场需求的公司来说是不可接受的。

因此，现有技术存在缺陷，而有待于改进和发展。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，兼顾上述两种方案的方法，在现有以IPv4协议为基础的设备中，通过移植现有的、来自于Open Source的IPv6协议栈代码，以实现该设备对IPv4/IPv6双栈功能的支持，即充分利用现有的Open Source或者商用IPv6协议栈的代码，又考虑到对已有IPv4代码的继承性，从而在对IPv4代码基本上不做修改的基础上，移植已有IPv6协议栈，只需要去掉除了IPv6功能外的其他代码，以使得现有产品能快速支持IPv6协议。

本发明的技术方案为：

一种在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，其实现步骤包括：

a)保持TCP/IPv4协议栈及IPv6协议栈中对不同接口结构体的定义，并通过在上述不同的结构体中增加互指的指针来实现对应结构体的互相关联和索引；

b)IPv4协议栈和IPv6协议栈中对接口结构体的操作各自独立实现，在涉及到对IPv4的接口结构体的操作需要触发IPv6接口结构体的处理时，通过其中互指的指针来完成；反之亦然；

c)IPv4协议栈和IPv6协议栈各自独立维护和协议相关的数据结构，对数据结构的操作独立进行；

d)输入的IPv4报文和IPv6报文在链路层统一处理，然后分发到不同的IPv4和IPv6网络层代码中；

e)所述输出的报文独立的调用各自的协议输出函数，直到驱动的输出函数，其中不涉及到不同协议的交叉调用。

所述的方法，其中，所述方法还包括：

f)TCP for IPv6和UDP for IPv6的实现独立于IPv4对应的代码。

所述的方法，其中，所述方法还包括：

g)动态路由协议部分，IPv6路由器信息协议和IPv6开放最短路径协议直接从IPv6的代码移植过来，IPv6的多协议扩展BGP协议和IPv6的ISIS协议ISISv6则在已有的BGP4和ISISv4基础上扩展实现。

所述的方法，其中，所述方法还包括：

h)对网络管理与维护方面，对不同协议分别提供独立的操作维护接口；对由用户发起的配置和维护信息，由网管模块分解后分别给IPv4和IPv6进行处理；对由IPv4和IPv6处理后返回的，则由网管模块进行汇总后统一回显给用户。

所述的方法，其中，所述步骤c)还包括在IPv4和IPv6中分别维护不同的路由表，互不影响。

本发明所提供的一种在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，通过移植现有IPv6协议栈中的代码，快速实现IPv4/IPv6双栈机制，既可以很好的继承已有的IPv4协议栈成果，也同时能够充分互联网上有关IPv6开发的成果，从而使得现有的设备能够在较短的时间内实现对IPv4/IPv6双栈功能的支持。

附图说明

图1是本发明所实现的IPv4和IPv6双栈结构及其数据流向示意图；

图2是本发明方法的IPv6与IPv4接口链挂接示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案的较佳实施作进一步的详细描述：

本发明的思想是：继承已有的IPv4成果，在基本上不改变IPv4功能和稳定性的基础上，充分利用现有IPv6已有的成果，快速实现对IPv6功能的支持。

本发明提出一种在继承已有IPv4成果的基础上，通过移植已有IPv6协议栈的代码，来实现对IPv4/IPv6双栈功能的支持，其基本思想主要体现在：

1.保持不同协议栈中对接口结构体的定义，并通过在这不同的结构体中增加互指的指针来实现对应结构结构体的互相关联和索引；

2. IPv4和IPv6中对接口结构体的操作各自独立实现，如果涉及到对IPv4接口结构体的操作需要触发IPv6接口结构体的处理，则可以通过其中互指的指针来完成，反之亦然；IPv4所有对接口的操作代码不会受新代码的影响，而对IPv6接口操作的代码可以直接从IPv6协议栈很快的移植过来。

3. IPv4和IPv6各自独立维护和协议相关的数据结构，对数据结构的操作也独立进行。例如路由表，在IPv4和IPv6中分别维护不同的路由表，互不影响；IPv4和IPv6各自独立维护和协议相关的数据结构，从而使得所有IPv6基本协议栈的快速移植成为可能，并且IPv4和IPv6彼此独立而不互相影响。

4.输入的IPv4和IPv6报文在链路层统一处理，然后分发到不同的IPv4和IPv6网络层代码中；输入报文在链路层进行分发，然后IPv4的报文在网络层次的处理由原有的IPv4代码处理，IPv6的报文在网络层的处理则由新增加的IPv6代码处理，彼此在网络层是独立的。

5.输出的报文独立的调用各自的协议输出函数，直到驱动的输出函数，其中不会涉及到不同协议的交叉调用；IPv4和IPv6的报文输出彼此是独立的，从而使得新的IPv6代码不会影响IPv4的代码，而新的IPv6代码也可以从IPv6协议栈中移植过来。。

对网络管理与维护方面，对不同协议分别提供独立的操作维护接口。对由用户发起的配置和维护信息，由网管模块分解后分别给IPv4和IPv6进行处理。对由IPv4和IPv6处理后返回的，则由网管模块进行汇总后统一回显给用户。

如图1所示是利用本发明所实现的IPv4和IPv6双栈结构及其数据流向示意图。利用本发明所实现的IPv4/IPv6双栈中，IPv4和IPv6的基本协议栈代码是彼此独立的，IPv4和IPv6的报文只有在输入链路层上统一处理，其余处理过程中都是彼此分开的，即IPv4的报文由IPv4的代码处理，IPv6的代码由IPv6的代码处理。

IPv6接口链的存储以及初始化：

本发明的关键所在就是对接口结构体的处理，因为在TCP/IP协议栈的设计中，端口是一个非常重要的数据结构，通过端口数据结构，可以访问端口的各种链路层信息、网络层信息，同时，端口结构和路由表、接口地址列表、多播地址列表等重要的数据紧密联系在一起。在本发明方法中，IPv6接口结构体中要增加对指向对应IPv4接口结构体的指针，同样的，在IPv4的结构体中也要增加指向对应IPv6结构体的指针。如图2所示的给出了对IPv4和IPv6接口结构体修改的示意图，即在每一个IPv4结构体的最后添加一个空指针用于指向对应的IPv6结构体，在每一个IPv6的结构体的最后添加一个空指针用于指向对应IPv4结构体。

在图2接口链挂接方式下，IPv4和IPv6协议栈原有的对接口链的操作代码将不会有大的变化，可能引起的变化部分在于对两个不同结构体中必须同步的信息，这些信息的变化要同时反映到两个结构体中，即IPv4对接口参数的修改函数要对应类似的一个IPv6函数，对IPv4函数的调用也要同时调用对应的IPv6的函数，反之亦然。

IPv6接口链的初始化随同IPv4的接口链一起完成，即在IPv4/IPv6双协议栈中要分别定义对应的IPv4和IPv6的接口初始化函数，并在IPv4接口初始化的同时完成IPv6接口结构体的初始化。

需要注意的地方是，IPv6和IPv4接口结构体中对接口属性的描述值随协议栈的不同而可能不同，这个问题可以通过定义属性映射函数来解决。

IPv6协议代码对链路层的影响：

由于IPv6对TCP/IP协议所带来的变化主要是在链路层之上，以及已有的IPv4产品中对链路层协议都有比较完善的实现，因此，链路层的代码仍然是以继承为主的。根据实际的物理链路的不同，具体的处理细节也有所不同。

对以太网来说，对网输入部分，只需要增加对IPv6数据报文的识别代码，然后把数据报文传递给IPv6的代码。对以太网输出部分，由于链路层的处理在某些情况下也需要进行和协议相关的一些处理，因此，本发明将输出部分分别处理，即IPv4和IPv6分别调用各自的输出函数。按照这种思路，IPv4已有的代码就不用改变，IPv6的输出代码只需要从OpenSource中移植过来就可以了。

对PPP链路来说，LCP(Link Control Protocol，链路控制协议)和ACP(Authentication Control Protocol，认证控制协议)对IPv4和IPv6都是一样的，只有NCP(Network Control Protocol，网络控制协议)不同，这里可以采用两者方式来实现IPv6CP，一种方式就是移植新的IPv6协议栈中的IPv6CP，另外一种方式就时直接对IPv4产品中对应的IPCP代码修改以支持IPv6CP。本发明中推荐使用后一种方法。

对其它类型的链路层的处理基本上类似，这里就不一一罗列。

支持IPv6的TCP和UDP

从标准的角度讲，TCP和UDP没有大的变化，因此，针对IPv6的TCP、UDP实现可以在IPv4相应代码的基础上进行修改。考虑到代码至上而下的一致性，也可以采用新的、独立于原有IPv4的TCP for IPv6和UDP for IPv6，而这样的方式也可以通过移植新的IPv6协议栈中的相应代码来完成。在本发明中推荐使用后一种方法。UDP for IPv6和TCP forIPv6可以直接移植IPv6协议栈中的代码，从而加快了产品开发的进程。

IPv6相关的动态路由协议

动态路由协议中，针对IPv6的IPv6路由器信息协议RIPng(RIPng forIPv6)和IPv6开放最短路径协议OSPFv3(OSPF for IPv6)协议和相应的IPv4的RIP和OSPFv2协议不同，完全依赖于IPv6，其代码的设计独立于IPv4，因此，在IPv4/IPv6双协议栈中，这两个动态路由协议都是IPv6协议栈中的实现代码，和对应的IPv4版本没有关系；RIPng和OSPFv3可以直接从IPv6协议栈中移植过来而不用做大的修改。

多协议扩展BGP协议BGP4+(BGP4 Multiprotocol Extensions forIPv6)是对BGP4的扩展，它可以工作在TCP for IPv4上，也可以工作在TCP for IPv6上。这部分的功能实现也可以直接从IPv6协议栈中移植过来。按照这种思路BGP4+将处理IPv6的域间路由信息，而旧产品中已有的BGP4将处理IPv4的域间路由信息。对其中传递的路由信息将只包括相应版本中条目。另外，也可以在BGP4基础上修改代码，以支持BGP4+的功能。由于网络层中采用的是不同的路由表，在这种方式下，和路由表的交互就需要根据不同协议的路由协议进行分发。考虑到对6PE等功能的支持，本发明中推荐在BGP4基础上进行修改以支持BGP4+的功能。

IPv6的ISIS协议(Intermediate System for IPv6)是建立在链路层上的路由协议，IS-IS6扩展了路由可达和端口地址TLV，并扩展了NLPID。本发明中对ISISv6的实现仍然采用在ISISv4基础进行修改的方式，其中协议部分可以从已有IPv6协议栈中移植过来。

网络管理

为了方便网管，移植后的双栈将向上提供IPv6的网管接口，例如socket for IPv6，通过这个接口，用户可以方便的监控IPv6的网络。

已有的IPv4产品都有各自的管理系统，IPv6的网管要和已有IPv4的网管紧密结合起来，即操作者的角度说，IPv6的网管需要统一到IPv4的网管中。对网络的配置操作，只需要调研类似于socket for IPv6就可以完成，但是对网络信息的显示则稍有不同。首先需要通过类似于Socket forIPv6这样的网络API获取IPv6的信息，然后和已有的IPv4的信息统一处理后再回显给管理员；管理员对双栈发出的网管命令需要解析，然后分发到IPv4和IPv6的相关代码中进行处理，对从双栈返回的响应信息，需要在莫网管模块中统一处理后再回显给管理员。

利用上述方法，本发明可以实现在已有IPv4协议栈中快速增加IPv6的功能，并且不会影响IPv4已有的代码，从而实现在现有产品中快速增加IPv6的功能。

本发明的所述在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，在已有TCP/IPv4协议栈基础上，通过移植现有IPv6协议栈中的代码，快速实现了IPv4/IPv6双栈机制，从而使得现有设备可以快速实现对IPv6功能支持。本发明的基本思路是修改IPv4和IPv6的关键数据结构，即接口结构体，使得IPv4和IPv6的接口链可以方便的互相索引。在此修改的基础上，不同协议各自维护协议相关的数据结构，包括路由表、多播表等，对接口结构体的操作也分别进行，这样就能实现协议的分开处理了。

本发明解决的是“IPv4协议栈+IPv6协议栈＝IPv4/IPv6双栈”的问题，其中的IPv4协议栈表示现有产品中已经有的协议栈，IPv6的协议栈既可以是互联网上免费的IPv6协议栈代码，也可以是外购的IPv6协议栈，利用本发明中所提出方法，可以快速的结合两种不同的协议栈代码，快速的实现IPv4/IPv6双栈协议功能。

应当理解的是，本发明的上述描述针对较佳实施例比较具体，但不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，须知，专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1、一种在TCP/IPv4协议栈中增加IPv6支持的方法，其实现步骤包括：

a)保持TCP/IPv4协议栈及IPv6协议栈中对不同接口结构体的定义，并通过在上述不同的结构体中增加互指的指针来实现对应结构体的互相关联和索引；

b)IPv4协议栈和IPv6协议栈中对接口结构体的操作各自独立实现，在涉及到对IPv4的接口结构体的操作需要触发IPv6接口结构体的处理时，通过其中互指的指针来完成；反之亦然；

c)IPv4协议栈和IPv6协议栈各自独立维护和协议相关的数据结构，对数据结构的操作独立进行；

d)输入的IPv4报文和IPv6报文在链路层统一处理，然后分发到不同的IPv4和IPv6网络层代码中；

e)所述输出的报文独立的调用各自的协议输出函数，直到驱动的输出函数，其中不涉及到不同协议的交叉调用。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

f)TCP for IPv6和UDP for IPv6的实现独立于IPv4对应的代码。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

g)对动态路由协议部分，IPv6路由器信息协议和IPv6开放最短路径协议直接从IPv6的代码移植过来，IPv6的多协议扩展BGP协议和IPv6的ISIS协议ISISv6则在已有的BGP4和ISISv4基础上扩展实现。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

h)对网络管理与维护方面，对不同协议分别提供独立的操作维护接口；对由用户发起的配置和维护信息，由网管模块分解后分别给IPv4和IPv6进行处理；对由IPv4和IPv6处理后返回的，则由网管模块进行汇总后统一回显给用户。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c)还包括在IPv4和IPv6中分别维护不同的路由表，互不影响。

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