基于IPv4/IPv6混合網(wǎng)中BRT立體交叉網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

陳艷格，馬 慧

(許昌學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000)

0 引言

目前，IPv6正從小范圍的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)向大范圍的全網(wǎng)應(yīng)用過(guò)渡。隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的不斷增大，IPv6之間的通信要求越來(lái)越大。當(dāng)前隧道及部分雙棧模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的需求，全面的雙棧網(wǎng)絡(luò)和純IPv6網(wǎng)絡(luò)部署已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

混合的網(wǎng)絡(luò)使線路同時(shí)走IPv4和IPv6協(xié)議，這樣不僅影響原有IPv4的通信速度，也會(huì)影響IPv6特性發(fā)揮，因此如何使IPv4，IPv6與IPv6互連互通并快速通信而不互相影響，是目前急需要解決的問(wèn)題［1－8］。為了實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6混合網(wǎng)絡(luò)、IPv6網(wǎng)絡(luò)間無(wú)縫通信，解決原有IPv4網(wǎng)絡(luò)、雙棧網(wǎng)絡(luò)和新建IPv6網(wǎng)絡(luò)間快速通信的問(wèn)題，本文提出了快速公交專用(Bus Rap Transit，BRT)立體交叉網(wǎng)絡(luò)模式，即實(shí)驗(yàn)網(wǎng)內(nèi)IPv6－IPv6網(wǎng)絡(luò)通過(guò)高架立體交叉網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，使用VLAN Trunk實(shí)現(xiàn)BRT高架網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)IPv6到IPv6的快速通信。通過(guò)研究BRT立體交叉網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這種網(wǎng)絡(luò)模式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有IPv4/IPv6混合網(wǎng)、純IPv4網(wǎng)、純IPv6網(wǎng)等各種形式的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在不同網(wǎng)絡(luò)間的核心交換機(jī)上通過(guò)建立高架BRT快速IPv6通道，使IPv6通過(guò)BRT專用IPv6通道進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)間的互相通信而不會(huì)導(dǎo)致“下載狂”大量下載資料影響網(wǎng)絡(luò)速度，及由于存在IPv6而影響IPv4網(wǎng)絡(luò)速度等通信問(wèn)題。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

目前，BRT作為一種公交優(yōu)先手段來(lái)解決日益增長(zhǎng)的交通需求以及隨之而來(lái)的交通延誤;而高架橋的設(shè)計(jì)則解決了人行和車輛分開(kāi)的特性。通過(guò)借助這兩個(gè)道路的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了BRT立體交叉網(wǎng)。

本文研究的重點(diǎn)是在不同的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)通信，而B(niǎo)RT立體交叉網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)這種不同的協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)了IPv4、IPv6網(wǎng)絡(luò)間的通信。純IPv4網(wǎng)絡(luò)與純IPv6網(wǎng)絡(luò)間可以使用NAT－PT或者IVI方式實(shí)現(xiàn)通信，而IPv4/IPv6混合網(wǎng)與與純通信可以使用NAT－IPv6網(wǎng)絡(luò)通過(guò)BRT高速IPv6通道實(shí)現(xiàn)通信。對(duì)于跨越IPv4網(wǎng)絡(luò)的純IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)另一端的IPv6網(wǎng)絡(luò)通信也可以通過(guò)跨越IPv4網(wǎng)絡(luò)使用BRT高速IPv6通道實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 BRT立體交叉網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

目前，多數(shù)使用NAT－PT或者IVI方式實(shí)現(xiàn)純IPv4網(wǎng)絡(luò)與純IPv6網(wǎng)絡(luò)間的通信。本文根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的普遍情況設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了這種系統(tǒng)。學(xué)校實(shí)驗(yàn)網(wǎng)內(nèi)目前存在有IPv4/IPv6混合局域網(wǎng)、純IPv4局域網(wǎng)、純IPv6局域網(wǎng)多種形式的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)間的互通是首先要解決的問(wèn)題，也為建立BRT高速通道打下基礎(chǔ)。而IPv4/IPv6混合局域網(wǎng)、純IPv6局域網(wǎng)間的通信通過(guò)BRT高速IPv6通道實(shí)現(xiàn)通信，如圖2所示，其中虛線部分即為BRT高架IPv6通道，多臺(tái)核心交換機(jī)組成一個(gè)環(huán)，分別接入不同的局域網(wǎng)，對(duì)于純IPv4和純IPv6網(wǎng)分別使用單獨(dú)的服務(wù)器組，而混合網(wǎng)絡(luò)使用雙棧的服務(wù)器組。

圖2 立體交叉網(wǎng)中IPv4與IPv6通信

對(duì)于IPv4網(wǎng)和純IPv6網(wǎng)間的通信通過(guò)NAT－PT與ALG結(jié)合或者IVI方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的通信。使用NAT－PT與ALG結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)把原有能支持NAT－PT的設(shè)備啟用NAT－PT、ALG及結(jié)合E類地址功能實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)的通信。使用IVI網(wǎng)關(guān)方式也可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，通過(guò)建立DHCPv6服務(wù)器實(shí)現(xiàn)無(wú)狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換，從而支持IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的通信。從IPv6地址分出一塊地址作為IVI地址，與IPv4地址進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)多的地址映射，使直接在IVI網(wǎng)關(guān)中找到IPv4和IPv6的映射地址，實(shí)現(xiàn)IPv4地址的復(fù)用及IPv4主機(jī)和IPv6主機(jī)的通信。

2.1 IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)間通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)校校園網(wǎng)可以通過(guò)NAT－PT與DNS－ALG結(jié)合并修改NAT－PT內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)了純IPv4網(wǎng)和純IPv6網(wǎng)間的通信。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中可以通過(guò)NAT－PT設(shè)備實(shí)現(xiàn)了IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)間的互通，NAT－PT設(shè)備放置在純IPv4網(wǎng)絡(luò)和純IPv6網(wǎng)絡(luò)之間或者實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的混合網(wǎng)間的出入口。在混合網(wǎng)絡(luò)中，異種協(xié)議通過(guò)NAT－PT網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信，同種協(xié)議繞過(guò)NAT－PT網(wǎng)關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)通信，其中，IPv6和IPv6網(wǎng)絡(luò)間通過(guò)BRT高架橋?qū)崿F(xiàn)通信。

通過(guò)在有NAT－PT功能的路由器上啟用NAT－PT功能，在路由器中用E類地址配置IPv4地址池，為IPv4地址和IPv6地址提供充足的地址映射，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)間的通信。同時(shí)為了保證各種應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，如FTP，SIP和DNS應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，啟用相對(duì)應(yīng)的ALG功能實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)間各種應(yīng)用的通信。僅啟用DNS－ALG只能實(shí)現(xiàn)部分的通信，為了實(shí)現(xiàn)IPv6側(cè)和IPv4側(cè)網(wǎng)絡(luò)完全通信，使用動(dòng)態(tài)地址映射、地址池等方法，結(jié)合NAT－PT和ALG實(shí)現(xiàn)通信，其中ALG包含DNSALG，F(xiàn)TP－ALG，SIP－ALG等各種應(yīng)用的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。

在NAT－PT設(shè)備中加載IPv4和IPv6雙協(xié)議棧，兩種協(xié)議分別作為連接兩種網(wǎng)絡(luò)的接口，最終將純IPv4網(wǎng)絡(luò)和純lPv6網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。在IPv4網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)配置了一臺(tái)DNS服務(wù)器為IPv4主機(jī)提供域名服務(wù)。在IPv6網(wǎng)絡(luò)中同樣配置了一臺(tái)DNSv6服務(wù)器為lPv6主機(jī)提供域名服務(wù)。NAT－PT設(shè)備在應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的配合下，實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用的互通。

對(duì)于DNS－ALG與雙棧節(jié)點(diǎn)通信時(shí)產(chǎn)生的地址選擇問(wèn)題，通過(guò)編程對(duì)NAT－PT網(wǎng)關(guān)規(guī)則進(jìn)行修改時(shí)，在轉(zhuǎn)換前報(bào)文發(fā)出時(shí)進(jìn)行協(xié)議選擇，以達(dá)到優(yōu)先獲取適當(dāng)?shù)刂返哪康?。如果兩端協(xié)議不同，自動(dòng)啟用NAT－PT協(xié)議網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行協(xié)議翻譯，實(shí)現(xiàn)兩端協(xié)議不同時(shí)的通信;如果兩端協(xié)議相同，直接通過(guò)NAT－PT網(wǎng)關(guān)，不啟用地址轉(zhuǎn)換和協(xié)議翻譯，實(shí)現(xiàn)同種協(xié)議間的通信。當(dāng)然，也可以不讓同種協(xié)議通過(guò)NAT－PT，而使用BRT高架立體交叉網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同種協(xié)議的通信。

設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)首先啟動(dòng)NAT－PT功能;對(duì)于DNS－ALG，主要通過(guò)修改NAT－PT中DNS和IPv4/v6 DNS的相應(yīng)信息實(shí)現(xiàn)，并在1Pv4網(wǎng)絡(luò)和lPv6網(wǎng)絡(luò)DNS服務(wù)器上進(jìn)行相應(yīng)的修改。對(duì)于其他ALG，根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。主要配置如下:

由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，NAT－PT網(wǎng)關(guān)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中仍然存在很多問(wèn)題，同時(shí)也不適合在大規(guī)模IPv6網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行部署。隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，此時(shí)，可以選用IVI技術(shù)進(jìn)行部署。

IVI技術(shù)是對(duì)SIIP和NAT－PT技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的一種技術(shù)。在IVI實(shí)現(xiàn)的IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)互通中，IVI網(wǎng)關(guān)結(jié)合地址轉(zhuǎn)換和應(yīng)用層ALG網(wǎng)關(guān)設(shè)備的工作原理實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)互通的。

在大規(guī)模的IPv6實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，同樣需要使用至少兩臺(tái)IVI網(wǎng)關(guān)設(shè)備。根據(jù)上圖的校園網(wǎng)，其中一臺(tái)IVI網(wǎng)關(guān)放置在外部網(wǎng)絡(luò)與學(xué)校雙棧核心交換機(jī)相連內(nèi)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校的校園網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)間的混合網(wǎng)絡(luò)通信。另一臺(tái)IVI網(wǎng)關(guān)放置在校園網(wǎng)內(nèi)部的純IPv6網(wǎng)絡(luò)與混合網(wǎng)絡(luò)或IPv4網(wǎng)絡(luò)間，使網(wǎng)絡(luò)間建立路由關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)間的互連互通。

為了便于自動(dòng)分配符合IVI要求的IPv6地址，需配置一個(gè)DHCPv6服務(wù)器，使自動(dòng)獲取IPv6地址;同時(shí)保證原有IPv4及IPv6 DNS的配置，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間地址的域名解析。設(shè)置完畢后就可以實(shí)現(xiàn)IPv4和IPv6之間的互相訪問(wèn)。

1)當(dāng)IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)向IPv4網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)請(qǐng)求通信時(shí)，使DHCPv6服務(wù)器自動(dòng)獲取一個(gè)IPv6地址，并從IPv6 DNS服務(wù)器獲取一個(gè)對(duì)應(yīng)的IVI IPv6地址，該地址路由指向IVI網(wǎng)關(guān)設(shè)備，當(dāng)IVI IPv6的源地址和目標(biāo)地址經(jīng)過(guò)IVI網(wǎng)關(guān)時(shí)，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部把這些地址轉(zhuǎn)換為IPv4網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別的IPv4地址，再轉(zhuǎn)發(fā)給IPv4網(wǎng)絡(luò)。返回時(shí)在IVI網(wǎng)關(guān)中把源地址和目的地址再轉(zhuǎn)換為IVI IPv6地址，轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6網(wǎng)絡(luò)中。

2)當(dāng)IPv4主機(jī)向IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)發(fā)起訪問(wèn)時(shí)，在IVI網(wǎng)關(guān)內(nèi)部把IPv4地址轉(zhuǎn)換成IVI IPv6地址，再轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6網(wǎng)絡(luò)。返回時(shí)，在IVI網(wǎng)關(guān)內(nèi)部把IPv6網(wǎng)絡(luò)中的源地址和目標(biāo)地址轉(zhuǎn)換為IPv4網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別的IPv4地址，轉(zhuǎn)發(fā)到IPv4網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)到IPv6網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的訪問(wèn)。

2.2 IPv4/IPv6與IPv6網(wǎng)絡(luò)間BRT通信系統(tǒng)

在IPv6網(wǎng)絡(luò)的出入口處協(xié)議流量較大，為了防止由于雙棧協(xié)議引起的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，影響網(wǎng)絡(luò)速度問(wèn)題，提出了一種IPv4/IPv6與IPv6網(wǎng)絡(luò)間通信系統(tǒng)解決方案——BRT高架立體交叉網(wǎng)，即純IPv6網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)間建立BRT高架立體快速網(wǎng)絡(luò)通道，通過(guò)快速IPv6隧道方式解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中IPv6流量大的問(wèn)題。使用VLAN Trunk技術(shù)在IPv6匯聚交換機(jī)上建立IPv6快速隧道，使IPv6協(xié)議繞過(guò)IVI或者NAT－PT網(wǎng)關(guān)直接從BRT高架IPv6通道中進(jìn)行IPv6主機(jī)間通信，從而在保證原有IPv4網(wǎng)絡(luò)速度的同時(shí)，加快IPv6通信速度。

IPv4/IPv6混合網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中的IPv4主機(jī)與純IPv6網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，自動(dòng)啟用IVI或者NAT－PT網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議間翻譯;當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中的IPv6主機(jī)向純IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)發(fā)起通信時(shí)，自動(dòng)啟用BRT通道，從BRT通道進(jìn)行高速IPv6網(wǎng)絡(luò)間的通信。

BRT高架立體交叉網(wǎng)適合普通的學(xué)校網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也適合廣域網(wǎng)及企業(yè)網(wǎng)中的部分應(yīng)用。以學(xué)校網(wǎng)絡(luò)為例，核心網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，外部網(wǎng)絡(luò)可以有混合網(wǎng)絡(luò)、純IPv4網(wǎng)絡(luò)、純IPv6網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)線為網(wǎng)絡(luò)間通過(guò)路由直接通信的線路，虛線部分為BRT高架IPv6隧道，通過(guò)繞道NAT－PT網(wǎng)關(guān)或者IVI網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)同種協(xié)議間的通信。

圖3 BRT高架立體交叉網(wǎng)拓?fù)鋱D

BRT高架立體交叉網(wǎng)中的局域網(wǎng)中，主機(jī)間采用的通信方式有所不同。當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中雙棧主機(jī)訪問(wèn)純IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，雙棧主機(jī)使用IPv4協(xié)議時(shí)，通過(guò)NAT－PT網(wǎng)關(guān)或IVI網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)通信，若為IPv6協(xié)議時(shí)，采用BRT高架IPv6隧道實(shí)現(xiàn)同協(xié)議的通信，從而使不同的協(xié)議通過(guò)選擇不同的路由實(shí)現(xiàn)通信;當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中雙棧主機(jī)間通信時(shí)，以IPv4協(xié)議或IPv6協(xié)議為主的網(wǎng)絡(luò)選擇默認(rèn)路由實(shí)現(xiàn)通信;當(dāng)混合網(wǎng)絡(luò)中雙棧主機(jī)與純IPv4主機(jī)通信時(shí)，目前會(huì)自動(dòng)選擇IPv4協(xié)議進(jìn)行通信，隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況自行選擇協(xié)議;當(dāng)純IPv4網(wǎng)絡(luò)與純IPv6網(wǎng)絡(luò)間主機(jī)互訪時(shí)，采用NAT－PT網(wǎng)關(guān)或IVI網(wǎng)關(guān)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)IPv4與純IPv6間的無(wú)縫通信。

這種高架立體交叉實(shí)驗(yàn)網(wǎng)通信方式，解決了IPv6過(guò)多占用原有IPv4通信路徑所導(dǎo)致的通信延誤和影響IPv4正常通信的問(wèn)題，大大提高了通信速度;實(shí)現(xiàn)了BRT高架IPv6通道和雙棧通信方式有機(jī)結(jié)合，同時(shí)也保障了IPv4和IPv6安全通信。這種快速高架橋通信方式在滿足IPv4和IPv6無(wú)縫訪問(wèn)下大大緩解了雙棧通信壓力，避免了部分安全問(wèn)題。

3 小結(jié)

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)互通的基礎(chǔ)上，又提出了在混合網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)通信的快速通信的解決方案——BRT，該方案具有運(yùn)行IPv6速度快、投資少等特點(diǎn)，解決了由于IPv6在雙棧網(wǎng)絡(luò)中占用IPv4通信通道，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，影響網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了IPv6在不影響IPv4通信的情況下，也能快速通信。該方案同時(shí)也可以作為下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的一種重要模式。

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