IPv6与IPv4的互联技术

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(商洛学院 经济管理学院,陕西 商洛 726000)

随着互联网技术的飞速发展,IPv4(Internet Protocol Version 4)经过十几年的商业推广,在技术领域取得了巨大进步,然而互联网的庞大使得IPv4的地址短缺问题尤为突出。在这种的情形下,IPv6(Internet Protocol Version 6)应运而生,IPv6作为IPv4的改进版,弥补了IPv4使用上的不足,从根源上解决了IPv4的地址短缺问题。为了保证IPv6与IPv4的兼容性,需采用互联技术使得IPv6与IPv4平稳过渡。本文对IPv6与IPv4互联技术进行了探讨,并介绍了双栈技术、隧道技术和协议转换技术等[1]过滤技术。

1 IPv6与IPv4概述

1.1 IPv4的特点

IPv4为互联网协议的第4版,它既是第1个被广泛使用的协议,又是现今网络协议的基石。IPv4的地址空间为32位,最多有232个计算机可以连到Internet上。IPv4的特点主要体现在以下几个方面:

(1)IPv4地址空间少于40亿个,实际可以使用的更少。

(2)IPv4不区分网络终端主机和终端设备,每台电脑都可以作为主机和路由器。路由协议管理路由表记录,常用的路由协议有路由信息协议、开放最短路径协议、边界网关协议等。

(3)IPv4独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网、互联网中。网络地址分配方案唯一,设备有唯一的地址。

(4)IPv4缺乏对安全性的支持,无法实现网络实名制。网络中节点配置很复杂,不能满足用户“即插即用”的需求[2]。

1.2 IPv6的特点

IPv6是下一代互联网协议,它解决了IPv4地址短缺、服务质量(QoS)不够、安全性缺乏、多播繁琐等问题。IPv6主要特点如下所示:

(1)IPv6地址长度为128位,便于管理结构的层次化,提高了吞吐量和网络传输效率。

(2)IPv6安全性更高,提供身份认证和隐私权等保护私密设置。

(3)IPv6增加了组播支持和对流支持,保证了服务质量。除此之外，IPv6还可以使用自动配置,有利于网络管理和便捷应用[3]。

1.3 IPv6与IPv4的区别

IPv6与IPv4的区别主要体现在以下几个方面:

(1)两者地址空间大小不同。IPv6为128位地址空间,IPv4为32位地址空间。

(2)网络安全性能不同。IPv6对网络协议进行了加密封装和安全认证,使用防护机制进一步保护硬件。IPv4的安全性相对较差,没有保护措施。

(3)路由表形式不同。IPv6简化了IPv4的路由表,并采用分级的路由结构,更加便于管理。

(4)多播技术不同。IPv6通过多播分发树发送数据,而IPv4直接进行数据发送。

(5)报头格式不同。IPv6报头可以通过添加新的报文协议头进行拓展,最大拓展长度受数据包长度限制,而IPv4最大能拓展到40字节[4]。

(6)对移动性支持不同。IPv4无法进行迂回路由,但IPv6可以提供内在移动支持。

1.4 IPv6与IPv4的联系

IPv6是在IPv4的基础上发展起来的新一代网络协议。IPv6仍然采用IPv4的大部分协议和软硬件设施,并增加一些新的协议和设施。IPv4与IPv6都是网络层的协议,它们的上层应用层协议没有区别,所以在双栈主机上可以同时使用IPv4和IPv6。IPv6在功能上有所增强,在表现形式上有所提升,在结构设计上有所改进。它继承了IPv4的优势,弥补了IPv4的不足,在安全性方面的优势尤为突出。IPv6和IPv4在互联过程中运用多种过渡技术，相互融合、相互补充[5]。

2 IPv6和IPv4过渡技术

IPv6与IPv4在本质上是一致的,不需要单独设置域名解析和路由,只有当主机在不同协议之间通信时才有所区别。如果2个网络协议不同且所处环境不同,则2个网络协议的地址就存在不一致性,在协议地址间进行信源和信宿标识以及报文翻译就成了问题。因此,IPv4向IPv6的过渡分为4个阶段:网络的过渡,即路由器和链路资源的过渡;用户的过渡,即升级网络协议和应用程序;应用程序过渡;IPv4与IPv6网络互通。

过渡过程中常见的4类技术为多播技术、双栈技术、隧道技术以及协议转换技术。对于实际特定的问题选择特定的过渡机制[6]。

2.1 多播技术

IPv4多播技术的最大优点就是节约网络资源和提升网络传输速率,不需要复制分组,只需要发送一次即可。通过多播路由器运行多播协议,只能将目的地址作为多播地址。

IPv6多播技术更高效地解决了单点发送、多点接收的问题,实现了网络中单点到多点的高效数据传送,节约了网络带宽的使用。多播分发树是IPv6多播技术的核心,数据主要通过多播分发树来发送,多播分发树分为共享树和信源树,两者地址格式、协议不同[7]。

2.2 双栈技术

双栈技术是在设备的终端安装IPv4和IPv6,两者的物理平台、上层传输层协议基本相同,所以两者的双栈技术兼容性较好,利于IPv4和IPv6报文的接收和发送、设备的接收和处理以及信息流的转发。双栈技术在逻辑上形成2个并行网络,在实际操作中通过域名系统查询目的主机应用的协议类型,并提交协议的输入处理函数,再根据主机返回的协议类型使用相应的地址。双栈技术对IPv6与IPv4节点的兼容操作最为简单有效,互通性能良好,是最为基础、实用的过渡技术。

2.3 隧道技术

隧道技术就是把一个协议的报文封装到另一个协议中,实现不同协议的通信,包括通用路由协议封装、第二层隧道协议、站内自动隧道寻址协议等。不同类型的隧道技术可以应用于不同场景,可以使小的IPv6网络通过IPv4主干网络进行传输,然后汇聚成大的IPv6协议网络,实现IPv6协议网络的普遍应用。

隧道技术实现了设备两端之间的良好互通。在路由器设备上将IPv6封装在IPv4的头部,在传输设备的端点再将IPv6取出封装,递交给IPv6目的协议栈,最终完成隧道传输。为了使双栈协议的主机知道IPv4隧道中传输的是IPv6,必须将IPv4头部协议值设置为41。采用隧道技术仅仅需要在隧道的入口和出口处进行修改就可实现IPv6与IPv4通信,操作简单,安全性好[8]。

6to4隧道技术的具体过程是:多个IPv6网络用IPv4网络连接,将IPv6地址直接转换为6to4的目的地址,然后IPv6主机发送地址给最近的路由器,并且优先发送带有6to4前缀的地址;依照这个规则,将地址一个个发送到最近的路由器,直到数据包发送成功。

2.4 协议转换技术

协议转换技术又称为翻译技术,包括无状态的网络协议中的控制报文协议(IP/ICMP)转换技术、网络地址转换-协议转换(NAT-PT)技术、栈内扩展块 (BIS) 技术、套接字安全性协议 (SOCKS64) 技术、应用程序编程接口中的扩展块 (BIA) 技术。这些技术在IPv6中可以全部使用,但在IPv4中不能全部使用,需要通过协议转换技术对2个IP协议头部进行转换。协议转换就是在2个不同协议的网络之间提供路由,便于数据在异性网络之间传输[9]。

NAT-PT技术在进行地址转换的同时也进行协议的转换,完全支持IPv4网络和IPv6网络传输。在IPv4地址池中挑选指定的地址给IPv6,作为通信暂时对应的地址,然后建立IPv4地址与IPv6地址的映射表。该技术的优点是实施成本低,过程简单且易于操作,不需要IPv6升级改造;不足之处是IPv4和IPv6节点比较复杂,网络协议转换、地址转换的开销大[10]。

BIS技术主要在IPv4主机上运行,在IPv4栈中添加了3个扩展模块,即扩展域名解析模块、转换模块、地址映射模块。BIS技术实现在一个只有IPv4、没有IPv6的主机上,利用IPv4与IPv6主机进行通信,通信时由通信机制将产生的IPv4报文翻译成为IPv6报文。

BIA技术是在双栈主机模块中添加特殊的扩展模块,达到数据包转换的目的。该技术与BIS技术基本相同,但比BIS技术要容易实现,并且无需对IP包头进行翻译。BIA技术主要用于IPv6栈的系统[11]。

3 实例验证

以隧道技术为例进行实验验证,实现IPv6网络与IPv4网络的互联通信。通过隧道协议封装技术将IPv6报文封装到IPv4报头中,将IPv4报头的协议信息改为41,以便让隧道知道传输的信息为IPv6的信息。在IPv4隧道中进行传输,最终将IPv4数据解封装还原为IPv6,输送给IPv6的目的协议栈,实现2个异域网络的互联通信[12],简单过程如图1所示。

图1 网络连接Fig.1 Network connection

3.1 实施过程

本实例通过6to4手动配置隧道进行过程实现,各种设备均支持IPv6隧道,即支持双协议栈。

(1)确认IPv4网络可达。对路由器1和路由器2使用ping工具验证彼此IPv4是否可达,注意要确保IPv6隧道配置中需要使用到的IPv4地址之间无访问控制列表或防火墙等限制[13]。

路由器1 IPv4地址:192.168.101.254;IPv6协议地址段:2000∶8888∶3∶7∶∶/64。

路由器2 IPv4地址:192.168.188.209;IPv6协议地址段:2000∶8888∶3∶2∶∶/64。

(2)配置6to4隧道。采用通用路由协议封装模式进行隧道配置,具体过程如下所示:

路由器1:

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 tunnel source 192.168.101.254

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 tunnel destination 192.168.188.209

set interfaces gr-1/2/0 unit 0 family inet6 address 2000∶8888∶0∶1∶∶2/64

路由器2:

set chassis foci 1 pick 2 tunnel-services bandwidth 1g带宽

set chassis network-services all-Ethernet

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 tunnel source 192.168.188.209

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 tunnel destination 192.168.101.254

set interfaces gr-1/2/10 unit 0 family inet6 address 2000∶8888∶0∶1∶∶1/64

(3)配置IPv6 相关路由协议。具体述程如下所示:

路由器1:

set routing-options rib inet6.0 static route 2000∶8888∶3∶2∶∶/64 next-hop 2000∶8888∶0∶1∶∶1

路由器2:

set routing-options rib inet6.0 static route 2000∶8888∶3∶7∶∶/64 next-hop 2000∶8888∶0∶1∶∶2

3.2 实例结果

将2台路由器分别连接2台计算机,配置各自计算机的IPv6地址段、前缀、网关等基本信息。路由器与主机的协议和域名系统服务器配置正确后,配置隧道协议,然后对2台主机进行相互连通测试。实验证明,返回的数据包完整正确,IPv4能与IPv6进行通信。IPv4与IPv6的通信是建立在IPv4隧道基础上,IPv4互联是整个实验的基础。

4 结语

IPv4已经有十多年的发展历史,在技术、数据传输上都可以信赖。然而,随着互联网的不断庞大,使得IPv4地址空间严重不足,因此IPv6应运而生。

本文讨论了IPv6与IPv4的特征与联系,研究了IPv6和IPv4过渡与互联的关键技术,并通过实验进行了验证,为解决IPv4地址匮乏问题提供了一些思路。

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