Ipv6远程监控网络无状态双向通信方法

梁 勇，刘承启

(南昌大学，江西 南昌 330031)

1 引言

各类网络的使用范围与规模日益扩大，传统的Ipv4[1]已经无法满足当今技术需求，因此，Ipv4地址大幅度缩减，也因此推动了Ipv4向Ipv6转变。由于初期的Ipv6网络地址设计与Ipv4网络地址为不兼容状态，因此，基于所有的映射规则与技术，能够完成Ipv4到Ipv6的过渡并实现互联网双向通信的有效手段为无状态通信机制。根据Ipv4地址与Ipv6地址内存在的映射规则，互联网服务提供商[2]统一管理并控制Ipv4与Ipv6网络的用户。在Ipv4到Ipv6的演变过程中，不仅需要过渡时间，还要达成与Ipv6的互联通信。当前的NAT64翻译策略虽然可以令Ipv6访问Ipv4，但却不是直接式访问。

目前针对Ipv4与Ipv6网络的双向通信研究数量较多，并得到一些研究成果。例如，文献[3]针对支持Ipv6的嵌入式设备进行了研究，分析了嵌入式设备基于Ipv6网络互联的关键方式之一的地址自动配置，通过对无状态与有状态两种自动配置方式的运作机理和过程进行分析，在嵌入式协议栈中设计并实现了两种地址的自动配置。但是该方法存在网络状态要求较高问题，实用性较差。文献[4]借助WMware Workstation以及Wireshark等软件，设计Ipv6地址自动配置实验，将Ipv6工程配置和协议分析相结合，为Ipv6实验体系的构建提供了一定参考。但是该方法存在应用效率较低问题。

为解决以上传统方法存在的应用问题，依据互联网接入策略，提出新的Ipv6远程监控网络无状态双向通信方法。通过在Ipv6远程监控网络无状态双向通信模型中嵌入具有双协议的代理服务器，达成Ipv6与Ipv4间服务器转化，实现Ipv6远程监控网络的无状态双向通信。实验中处理时长与冲突频率为对比测试指标。实验结果验证了所提方法应用性能的优势。

2 Ipv6远程监控网络无状态双向通信模型架构

无状态通信是指在Ipv6远程监控网络报文头部的所有字段间，实现算法中映射关系的构建，以确保在未存储、未追踪动态映射关系的前提下，翻译网关也能够从报文[5]含有的信息里完成翻译处理。

根据翻译机制中的核心技术标准RFC6052，制定Ipv6网络与Ipv4互联网双向通信状态下的地址映射规则，如图1、图2所示。

图1 Ipv6网络与Ipv4互联网无状态地址映射模型

图2 Ipv6与Ipv4网络无状态地址映射模型

由于总体Ipv4地址空间能够无状态对应映射一个Ipv6子网[6]，因此，映射规则在Ipv6的前缀后加入Ipv4地址，并用补零的方式处理其余空位，则得到的Ipv6地址属于Ipv4的转换地址，无法应用于实际的Ipv6计算机应用中。互联网服务提供商将特殊的Ipv6地址分配给远程监控网络的计算机，以实现Ipv6地址与Ipv4地址空间的无状态映射，该特殊地址也叫作Ipv4可译地址。利用Ipv6地址集合与Ipv4地址空间的部分子网[7]，完成一对一或者多对一的无状态映射关系架构，则Ipv4地址空间中Ipv6地址的映像为Ipv4地址，无法用于实际的Ipv4计算机应用中。

基于网络地址映射规则，设定Cipv6为Ipv6任意计算机地址，Ipv4互联网的任意计算机地址为Cipv4，如果两计算机进行无状态双向通信，则Cipv6的通信对端为计算机Cipv4在Ipv6里的映像；如果Cipv4通过访问Cipv6在Ipv4内所映射的ivi4地址，达成Cipv6的访问，则Cipv4的通信对端即为访问地址。

互联网服务提供商通过接入Ipv6网络，为用户提供Ipv4与Ipv6互联网访问服务，而网络内容服务商则通过升级Ipv6网络，为用户提供Ipv6与Ipv4互联网服务，因此，Ipv6远程监控网络的无状态双向通信模型，对Ipv4到Ipv6的过渡阶段起到有效的促进作用。

3 无状态双向通信的实现

3.1 代理服务器嵌入

为使Ipv6远程监控网络的无状态双向通信效果更加理想，应令代理服务器的协议栈[8]内存在支持Ipv4与Ipv6的双协议，并具有Ipv6子网与Ipv4子网的同步访问权限，从而进一步实现内外网Ipv6与Ipv4之间的代理服务器[9]转化，因此，通信网关应符合协议的协商机制。Ipv6协议栈示意图如图3所示。

图3 Ipv6协议栈示意图

当用户与代理服务器间经过认证协商，用户发送请求数据包时，用户将目的站点地址与端口发送至代理服务器，此时会出现以下两种情况：

1)若发送的内容为域名与端口，代理服务器将进行域名解析。在用户端无法获知Ipv6站点是目的站点还是Ipv4站点是目的站点的情况下，代理服务器可以依据域名解析结果对目的站点进行判定。若目的站点为Ipv6地址，则采用目的机器与Ipv6协议栈完成连接建立；若目的站点为Ipv4地址，则采用目的机器与Ipv4协议栈完成连接建立。

2)若发送的内容为IP地址[10]与端口，那么，代理服务器能够依据所请求的地址格式，实现地址种类判定，并利用不同的协议栈与目的机器创建连接。

基于支持Ipv4与Ipv6双协议的代理服务器，不仅可以使Ipv4用户实现Ipv4服务器的访问，而且Ipv6用户也能够对Ipv4服务器进行访问，用户之间实施交叉访问。但是大多数情况下，Ipv6用户端的软件必须要具备有效识别Ipv4目的地址的功能，Ipv4用户端也要具备有效识别Ipv6目的地址[11]的功能，因此，要将Ipv4地址与Ipv6地址的转换性能赋予代理服务器，或者通过与Ipv4兼容的Ipv6地址，实现Ipv6主机对Ipv4主机的访问，最后，利用代理服务器的静态映射表，进行Ipv4地址与Ipv6地址的静态转换。

图4 代理服务器解析流程图

代理服务器会生成两个socket[12]对象，其主要功能是连接监听Ipv4与Ipv6。如果用户连接地址不同，则处理对象也不同，即每产生一对新的连接，就会形成对应的两个socket对象实例，且不同的用户来源与请求目的地址，所生成的对象也会发生相应改变。若均为Ipv4的socket对象，则用户来源与请求目的地址也为Ipv4主机；若均为Ipv6的socket对象，则用户来源与请求目的地址也为Ipv6主机；若分别为Ipv4与Ipv6的socket对象，则要对Ipv6与Ipv4间的节点建立连接。

代理服务器协议处理完成后，根据新产生对象实例间的对应关系，将网络接口收到的数据传输给各对象，经过处理后再进行下一步发送。

Ipv6地址与Ipv4地址的双协议代理服务器软件，其开发平台为Microsoft visual C++6.0版本，由面向对象法[13]与MFC类库框架完成创建。为接收Ipv6与Ipv4双协议的TCP连接请求，该代理服务器使用同一端口设置了两种协议栈的TCP连接服务，令Ipv6与Ipv4的两个目的地址均能够支持双协议，因此，所创建的代理服务器可以实现Ipv6远程监控网络的无状态双向通信。

对Ipv6进行升级的初始阶段，会在海量的Ipv4网络内形成Ipv6网络“孤岛”，通过创建的代理服务器，可以使网络“孤岛”与众多互联网节点间完成双向通信，此时的网络访问形式为Ipv6主机对Ipv4网络的访问。

3.2 双向通信的优化

设置处理时长与冲突频率两个指标，并将两个参数最小化作为最优目标，此外，如果网络性能具有较低的反向查询复杂度，则通信效率会更加理想。其中，Ipv6远程监控网络处理一次双向通信的时长为时长参数，相同平台的处理时长越短，双向通信速率越快；冲突频率指的是基于一组指定Ipv6远程监控网络地址集合，双向通信阶段内产生的Ipv4地址重复频率，冲突频率指标与双向通信效果呈反比例关系。

已知Ipv6网络地址集合中的Ipv6地址数量为N，值域S中的Ipv4地址数量为M，且N>M，假设Ipv6地址映射到第i个Ipv4地址的数量为Ni，当其超过一个时，冲突数量用Ni-1表示，那么，即可推导出下列冲突频率表达公式

(1)

式(1)中，阶跃函数为ε(x)，其条件式如下所示

(2)

通过上式可以看出，若想最小化冲突频率，则要最大化Ni>0的Ipv4地址个数，即要使N个Ipv6地址与不同的N个Ipv4地址实现对应映射关系。

反向查询复杂度是指经过映射Ipv6地址到Ipv4地址集S0，再根据S0内Ipv4地址对Ipv6地址进行反向查询，其具有的期望时间复杂度即为反向查询复杂度，反向查询复杂度(即期望时间复杂度)越低，双向通信效果优势越显著。将各Ipv6地址的发生概率设定成N-1，那么，采用下列条件式对第i个Ipv4地址所需查询的期望次数进行界定

(3)

则整体期望查询次数表达式如下所示

(4)

根据上式能够发现，Ni方差σ2和冲突频率p均与期望查询次数为线性正相关关系，若冲突频率一致，则期望查询次数随着方差σ2的增加而上升，故双向通信的均衡性能可以通过方差参数进行表示。

4 实验结果与分析

4.1 实验环境

采取文献[3]、文献[4]与本文方法进行对比以检测本文方法的合理性。实验环境采用内核为2.4.8版本的Linux操作系统，硬件环境为英特尔酷睿i7型号2.7GHz处理器，运行内存是4GB1333MHz。在某远程监控网络中抽取了大小分别为15万、50万、130万、180万以及250万的独立Ipv6地址集合。

4.2 不同方法的耗时对比分析

利用哈希函数[14]获取本文方法与文献[3]、文献[4]各独立Ipv6地址集合的映射处理时长均值，所得结果如图5所示。

图5 不同方法处理时长对比图

通过图5可以看出，相较于另外两种传统方法，本文方法的处理时长增幅较小，最短处理时长仅有1.32μs，最长也只有1.76μs，增加比例为0.33%。说明Ipv6集合量的提升并没有对处理时长指标产生太大的影响，本文方法的稳定性比较理想。这是因为在本次研究中设计了Ipv6网络与Ipv4互联网的地址映射规则，在代理服务器协议栈内引入支持Ipv4与Ipv6的双协议，实现同步访问权限。同步访问大大减小了通信耗时。

4.3 不同方法应用过程中通信冲突频率对比分析

经过各Ipv6网络地址集合通信冲突频率及其大小的对比，得出本文方法与文献[3]、文献[4]冲突频率及其大小之间的关系曲线图。

图6 冲突频率对比图

根据图6中实验结果曲线的趋势可以看出，如果Ipv4的集合数量为固定值，则通信冲突频率与Ipv6集合数量呈正比例关系，若Ipv6集合数量为固定值，那么，Ipv4集合数量越多，冲突频率越小。当Ipv6地址集合大小为15万时，冲突频率为最小值，当Ipv6地址集合大小为250万时，冲突频率得到最大值。另外从上图可知，与文献[3]、文献[4]方法进行对比，本文方法在不同地址集合冲突频率对比中的数值更低，尽管当Ipv6地址集合大小为250万时，冲突频率得到最大值，但该极大冲突频率仍处于实际应用的可允许范围内，符合Ipv6远程监控网络的理想通信需求。这是因为所提方法建立了不同协议栈与目的机器的连接，采用代理服务器静态映射表完成Ipv4地址与Ipv6地址静态转换，该转换过程有效避免了监控网络通信冲突，提高了方法的实用性。

5 结论

为使不同地址的总体通信机制结构体系的统一应用目的，设计新的Ipv6远程监控网络无状态双向通信方法。基于网络地址映射规则，判定出Ipv4与Ipv6网络的通信对端；将支持Ipv4与Ipv6的双协议嵌入代理服务器协议栈，采用生成的socket对象连接并监听Ipv4与Ipv6，完成Ipv6与Ipv4双协议的TCP连接请求，进而达成无状态双向通信，将处理时长、冲突频率以及反向查询复杂度设定为指标参数，对通信方法性能进行评估。该方法是技术解决策略的关键推动引擎之一，具有较好的扩展性与可溯源性，也为Ipv4到Ipv6网络的过渡需求提供了理想且有效的路线与更加便捷的服务。