CN102255982A - 一种IPv4/IPv6转换网关以及转换方法 - Google Patents

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李龙江
吕浩
刘婷
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Abstract

本发明属于计算机网络通信技术领域，公开了一种IPv4/IPv6转换网关以及转换方法。本发明的转换网关包括：调度模块、收发数据包模块、IPv4/IPv6地址映射模块、地址转换模块和协议转换模块，其根据设定的地址映射表实现IPv4地址与IPv6地址的相互转换，不需要保持大量的转换状态，降低了复杂度，能够为IPv4和IPv6网络的所有主机提供全功能的服务。本发明的方法只需要在IPv4网络与IPv6网络之间安装一个无状态转换网关，采用转换网关以后并没有改变两种网络的架构，由于它不转发一般帧，所以两种网络的冲突域与广播域也是基本隔离的，对两种网络的影响很小。

Description

一种IPv4/IPv6转换网关以及转换方法
技术领域
本发明属于计算机网络通信技术领域，具体涉及一种IPv4/IPv6的转换网关以及转换方法。
背景技术
TCP/IP协议族是全球因特网所采用的协议族，IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。由于IPv4协议的固有局限性以及全球IPv4地址资源的短缺，人们设想将IPv4向IPv6迁移。在解决地址短缺问题的同时，IPv6的引进提高了网络的整体吞吐量、改善了服务质量(QoS，Quality of Service)、网络安全性有更好的保证，并且支持即插即用和移动性，更好的实现了多播功能。然而，IPv4向IPv6的迁移不可能在短时间内完成，因此IPv4与IPv6将要在一段时间内共存。然而，在网络通信中为了维护一个Internet，IPv4到IPv6的转换是不可避免的，但是大量研究表明，要寻找到适合任何环境下的IPv4到IPv6的转换是非常困难的。
目前，通过一些研究提出了运用NAT技术来支持IPv4到IPv6的转换。但是SIIT要求使用转化器的IPv6节点，在它与IPv4节点通信时，必须要有由IPv4转换的IPv6地址，但是路由协议需要额外地支持IPv4转换地址，因而增加了实现的难度。Dual Stack(RFC 2893obsolete RFC1933)解决方法是在每个客户机与服务器上安装双协议栈，虽然它无需状态信息，但是它增加了整个网络的复杂程度，且由于使用的是双协议栈，就必须对每台主机赋给两个地址(一个IPv4，一个IPv6)，对于现今IPv4地址缺乏的状况也没有起缓解的作用。NAT-PT(Network Address Translation-Protocol Translation)转换方法需要对每个连接都保持大量的转换状态，这样一定程度上带来了操作的复杂性；RFC6144/RFC6052描述了一种IPv4/IPv6的地址转换机制，但IPv6地址只能取嵌入IPv4地址的形式，不能用于任意单播IPv6地址的情形，限制了IPv6部署的灵活性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的IPv4到IPv6的转换技术存在的问题，提出了一种IPv4/IPv6转换网关。
本发明的技术方案是：一种IPv4/IPv6转换网关，包括：调度模块、收发数据包模块、IPv4/IPv6地址映射模块、地址转换模块和协议转换模块，其中，
调度模块，用于调度处理所述转换网关的各个模块；
收发数据包模块，用于实现数据包的收发转换；
IPv4/IPv6地址映射模块，用于根据网络中服务器地址数量的大小确定地址映射表，记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系；
地址转换模块，用于实现IPv4地址与IPv6地址之间的相互转换，具体为：当实现IPv4到IPv6的转换时，报文的目的地址是按照预设的地址映射表转换，源地址则是通过增加96位前缀转换的；当实现IPv6到IPv4的转换时，报文的源地址是按照预设的地址映射表转换，目的地址则是通过增加96位前缀转换的。
协议转换模块，用于实现IPv4协议与IPv6协议间的相互转换。
为实现本发明的目的还提出了一种IPv4/IPv6转换方法，首先IPv4/IPv6转换网关判断收到的数据帧是IPv4数据帧还是IPv6数据帧，然后再检查目的地址，如果该帧目的地址不是IPv6服务器的IPv4保留地址或者IPv6中的IPv4保留地址，则将该帧直接转发或者丢弃；如果收到的是IPv4帧且其目的地址是IPv6服务器的IPv4保留地址，则对该帧进行IPv4到IPv6的转换，即按照预设的地址映射表将报文的目的地址进行转换，并将源地址增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验和，然后封包转发到IPv6网络中去；如果收到的是IPv6帧且其目的地址是IPv4地址在IPv6中的保留地址，则对该帧进行IPv6到IPv4的转换，即按照预设的地址映射表将报文的源地址进行转换，并将目的地址则增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验，然后封包转发到IPv4网络中去，所述地址映射表具体为根据网络中服务器地址数量的大小记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系。
本发明的有益效果：本发明的IPv4/IPv6转换网关根据设定的地址映射表实现IPv4地址与IPv6地址的相互转换，不需要保持大量的转换状态，降低了复杂度，迁移到IPv6的服务允许配置任意合法的IPv6单播地址，并为IPv4和IPv6网络的所有主机提供全功能的服务。本发明的方法只需要在IPv4网络与IPv6网络之间安装一个无状态转换网关，采用转换网关以后并没有改变两种网络的架构，由于它不转发一般帧，所以两种网络的冲突域与广播域也是基本隔离的，对两种网络的影响很小，并且转换网关占用的是服务器迁移之前的IPv4地址，并没有加重IPv4地址耗尽问题。
附图说明
图1是本发明实施例的网络架构示意图。
图2是本发明的IPv4/IPv6转换网关的***模块结构示意图。
图3是本发明的IPv4/IPv6转换网关的功能结构示意图。
图4是本发明实施例的MSN服务到IPv6的迁移示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明针对现有的IPv4到IPv6的转换技术的不足，提供了一种IPv4/IPv6转换网关和IPv4/IPv6转换方法，IPv4/IPv6转换网关是基于无状态的，能够在IPv4与IPv6之间起到一个转换作用，使IPv4与IPv6能够相互通信，IPv4/IPv6迁移的具体网络架构示意图如错误！未找到引用源。所示。
无状态的IPv4/IPv6转换网关的基本思想是：在不损害IPv4网络中的客户端主机的能力的情况下通过限制IPv4主机访问IPv6服务的范围来实现IPv4服务到IPv6的无状态转换。通过限制IPv4主机访问IPv6服务的范围，能够使这些迁移服务器对IPv4和IPv6网络的所有主机提供全功能服务。在转换过程中，IPv4/IPv6的映射表可以配置脱机状态，也没有必要记录数据包状态，所以IPv4服务到IPv6的转换是无状态的。同时，由于IPv4和迁移服务的吞吐能力是由IPv4/IPv6转换网关设备的数量和性能决定的，且只有转换网关负责迁移服务器的IPv4和IPv6之间的地址映射，因此，在完成通信时IPv4的设备和IPv6的设备都不需要改变，让多个转换网关一起工作就可以达到增加IPv4向IPv6转换容量的目的。
具体的，IPv4/IPv6转换网关的结构示意图如图2所示，包括：调度模块、收发数据包模块、IPv4/IPv6地址映射模块、地址转换模块和协议转换模块，其中，
调度模块，用于调度处理所述转换网关的各个模块。该模块是转换网关的控制中心，用于负责对各个模块的调度处理，它的主要功能是对接收到的网络数据帧中的信息进行分析、判断，根据分析的结果将其传送给相应的其它模块进行处理。相应的其它模块处理过的数据帧都发回到这里，由这里对结果进行判断，然后再根据需要传送给其它模块进行网络帧的生成，以传送给物理网络。
收发数据包模块，用于实现数据包的收发转换。该模块主要用于实现数据包的收发转换，是整个转换网关的入口和出口，其功能是对网卡接收到的数据包进行截取、过滤并传送给相应的其它模块进行处理；在相应的其它模块对数据包进行了一系列的处后，本模块会根据返回的处理结果组成一个新的数据包，并将其发送到网络上。
IPv4/IPv6地址映射模块，用于根据网络中服务器地址数量的大小确定地址映射表，记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系。地址映射表存在一一映射的关系，用于IPv4地址与IPv6地址的双向转换，映射表中IPv4地址为服务器的原IPv4地址，IPv6地址为服务器现有的IPv6地址。
地址转换模块，用于实现IPv4地址与IPv6地址之间的相互转换。在这里，在地址转换过程中报文的源地址和目的地址是分别进行转换的，具体为：当实现IPv4到IPv6的转换时，报文的目的地址是按照预设的地址映射表转换，源地址则是通过增加96位前缀转换的；当实现IPv6到IPv4的转换时，报文的源地址是按照预设的地址映射表转换，目的地址则是通过增加96位前缀转换的。当IPv6主机要访问IPv4网络时，必须有一个合法的IPv4地址，反之，当IPv4主机要访问IPv6网络时，必须有一个合法的IPv6地址，该模块就是用于实现IPv4地址与IPv6地址相互转换的。
协议转换模块，用于实现IPv4协议与IPv6协议间的相互转换。具体包括IPv4-IPv6转换单元和IPv6-IPv4转换单元。其中，IPv4-IPv6转换单元：其功能是根据协议转换算法将IPv4数据包首部转换成IPv6数据包首部，同时对高层协议如TCP、UDP的校验和进行调整，协议转换的结果和地址端口转换的结果写入新的IPv6数据包，并传送给调度模块；IPv6-IPv4转换单元：其功能是根据协议转换算法将IPv6数据包首部转换成IPv4数据包首部，同时对高层协议如TCP、UDP的校验和进行调整，协议转换的结果和地址端口转换的结果写入新的IPv4数据包，并传送给调度模块。
本发明还提出了一种IPv4/IPv6转换方法，首先IPv4/IPv6转换网关判断收到的数据帧是IPv4数据帧还是IPv6数据帧，然后再检查目的地址，如果该帧目的地址不是IPv6服务器的IPv4保留地址或者IPv6中的IPv4保留地址，则将该帧直接转发或者丢弃；如果收到的是IPv4帧且其目的地址是IPv6服务器的IPv4保留地址，则对该帧进行IPv4到IPv6的转换，即按照预设的地址映射表将报文的目的地址进行转换，并将源地址增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验和，然后封包转发到IPv6网络中去；如果收到的是IPv6帧且其目的地址是IPv4地址在IPv6中的保留地址，则对该帧进行IPv6到IPv4的转换，即按照预设的地址映射表将报文的源地址进行转换，并将目的地址则增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验，然后封包转发到IPv4网络中去，所述地址映射表具体为根据网络中服务器地址数量的大小记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系。
为了便于对本发明的理解，下面对网络架构的配置、地址转换和协议转换进行说明。
网络架构的配置：如图1所示，基本的网络架构包括IPv4设备，IPv6设备以及IPv4/IPv6转换网关(IITG，IPv4/IPv6 Translation Gateway)等设备。在相互通信中IPv4设备相互通信只使用IPv4协议，同时，IPv6设备相互通信也只使用IPv6协议。在通信过程中只有IITG负责IPv4和IPv6之间迁移时地址的转换，IPv4服务向IPv6迁移之后就成为了一个IPv6的服务，通过IITG，任何IPv4设备可以访问这些属于迁移的IPv6服务器的服务，就好比服务仍然在IPv4一样，同样的，任何IPv6设备也能够很容易地访问这些迁移后的服务。由于IPv4和迁移服务的吞吐能力是由IPv4/IPv6转换网关(IITG)设备的数量和性能决定的，因此，在完成通信时IPv4的设备和IPv6的设备都不需要改变，通过设置多个IITG就可以达到增加IPv4向IPv6转换容量的目的。
地址转换：如图3所示，本发明中的IITG是一个双协议栈的设备，既可以当作IPv4设备中的IPv4路由工作也可以当作IPv6设备中的IPv6路由工作。IPv4客户端可以通过添加不同的96位标准前缀后经不同的IITG来访问迁移的IPv6服务。IITG使用预先设定的地址映射表(PAMT，Preconfigured Address Mapping Table)来迁移IPv4地址到IPv6地址或IPv6域名，反之也可以迁移IPv6地址到IPv4地址或IPv4域名。为简单起见，可假设IITG总是将IPv4地址转换为IPv6地址。那些迁移的IPv4的服务可以通过添加96位标准前缀形成IPv6主机的IPv6地址，从而与任何IPv6主机联系。当服务从IPv4迁移到IPv6，但它仍然有一个虚拟的IPv4地址(VIPv4)，IPv4的客户端可以通过查询IPv4的域名服务***找到像以前一样的VIPv4。当IPv4的设备发送一个IPv4数据包，数据包将被路由到充当IPv4路由器的IITG，但是数据包仍然处于IPv4格式，所以IITG要把IPv4格式的数据包转换成IPv6包格式，以便它可以在IPv6中传输。IITG查询预先设定的地址映射表，找到迁移服务中取代报文目的地址的IPv6地址。同时，源地址通过加入96位标准前缀来转换为IPv6地址。相应地，当迁移的IPv6服务发送数据包到IPv4客户端，IITG将把数据包的格式从IPv4转换到IPv6。
协议转换：主要是指数据包的内容和形式，包括IP报头的转换，重新计算传输层校验和。此外，由于不同的协议格式，数据包碎片需要进行特殊的处理。从IPv4到IPv6的转换或从IPv6到IPv4的转换是基于协议的转换算法，IPv4到IPv6的转换算法把IPv4的报头转换成IPv6的报头，并调整如TCP，UDP的高层次协议的校验和，得到的结果将被写入到一个新的IPv6数据包。
如图1和图3所示，图1是本发明的网络结构模型，图中包括若干个IPv4设备，若干个IPv6设备，IPv4/IPv6转换网关和IPv6服务器，图3是IPv4/IPv6转换网关功能结构模型。
利用本发明的IPv4/IPv6转换网关，实现IPv4/IPv6迁移的步骤如下：
假设现在原IPv4服务器现在已经迁移到IPv6网络成为IPv6服务器。
步骤1：IPv4/IPv6转换网关配置：IPv4/IPv6转换网关介于IPv4网络和IPv6网络边缘，需要同时配置其IPv4地址和IPv6地址(IPv6地址为其IPv4地址在IPv6中的保留地址)，和两个协议栈。此外，还需配置一张预地址映射表，其作用是：转换网关的IPv4/Ipv6地址映射模块通过预地址映射表，将各设备的Ipv4地址转换为Ipv6地址或者Ipv6域名，反之亦然。
步骤2：Ipv4/Ipv6设备发起/接受通信请求：Ipv4设备发起通信请求时，不需要因为服务器被迁移到Ipv6网络，而改变现有的帧架构，就像Ipv4服务器并没有迁移到Ipv6服务器那样；Ipv6设备则直接与服务器进行通信。
步骤3：Ipv4/Ipv6转换网关收到数据帧：当转换网关收到数据帧时，首先判断这个数据帧是Ipv4数据帧还是Ipv6数据帧，然后再检查目的地址，如果该帧目的地址不是Ipv6服务器的Ipv4保留地址或者Ipv6中的Ipv4保留地址，则将该帧直接转发或者丢弃；如果收到的是Ipv4帧且其目的地址是Ipv6服务器的Ipv4保留地址，则对该帧进行Ipv4到Ipv6的转换，按照预设的地址映射表将报文的目的地址进行转换，并将源地址增加96位前缀；如果收到的是Ipv6帧且其目的地址是Ipv4地址在Ipv6中的保留地址，则对该帧进行Ipv6到Ipv4的转换，按照预设的地址映射表将报文的源地址进行转换，并将地址增加96位前缀，进而更改帧头部，重新计算校验，然后封包转发到Ipv6络中去。
基于无状态转换网关的Ipv4/Pv6转换方法可以适用于所有需要Ipv4服务迁移到Ipv6服务的应用场景。这一研究项目的典型应用包括：即时消息(MSN、Trendent QQ、Skype等)、在线流行的游戏、RTSP协议、IPSec、FTP、H.323，SIP、DNS、PPTP、LDAP、SCCP等。
下面举例说明：图4给出了一个典型的场景：MSN服务从Ipv4迁移到Ipv6。迁移MSN服务器允许所有客户端登录访问，即同时包括MSN的Ipv4和Ipv6的客户端。IITG对所有客户端是透明的，所以如果MSN的Ipv4客户端和MSN的Ipv6的客户端使用相同的网络技术那么它们就可以互相通信。
表1为本发明的方法与之前方法进行了分类的简要对比，结果显示，本发明相对于现有方法具有相当大的优越性。
表1
Figure BDA0000077440120000061

Claims (3)

1.一种IPv4/IPv6转换网关，包括：调度模块、收发数据包模块和协议转换模块，其特征在于，还包括，IPv4/IPv6地址映射模块、地址转换模块，其中，
调度模块，用于调度处理所述转换网关的各个模块；
收发数据包模块，用于实现数据包的收发转换；
IPv4/IPv6地址映射模块，用于根据网络中服务器地址数量的大小确定地址映射表，记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系；
地址转换模块，用于实现IPv4地址与IPv6地址之间的相互转换，在转换过程中报文的源地址和目的地址是分别进行转换的，具体为：当实现IPv4到IPv6的转换时，报文的目的地址是按照预设的地址映射表转换，源地址则是通过增加96位前缀转换的；当实现IPv6到IPv4的转换时，报文的源地址是按照预设的地址映射表转换，目的地址则是通过增加96位前缀转换的。
协议转换模块，用于实现IPv4协议与IPv6协议间的相互转换。
2.根据权利要求1所述的IPv4/IPv6转换网关，其特征在于，所述的协议转换模块具体包括IPv4-IPv6转换单元和IPv6-IPv4转换单元。
3.一种IPv4/IPv6转换方法，其特征在于，首先IPv4/IPv6转换网关判断收到的数据帧是IPv4数据帧还是IPv6数据帧，然后再检查目的地址，如果该帧目的地址不是IPv6服务器的IPv4保留地址或者IPv6中的IPv4保留地址，则将该帧直接转发或者丢弃；如果收到的是IPv4帧且其目的地址是IPv6服务器的IPv4保留地址，则对该帧进行IPv4到IPv6的转换，即按照预设的地址映射表将报文的目的地址进行转换，并将源地址增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验和，然后封包转发到IPv6网络中去；如果收到的是IPv6帧且其目的地址是IPv4地址在IPv6中的保留地址，则对该帧进行IPv6到IPv4的转换，即按照预设的地址映射表将报文的源地址进行转换，并将目的地址则增加96位前缀，进而更改帧头部，计算校验，然后封包转发到IPv4网络中去，所述地址映射表具体为根据网络中服务器地址数量的大小记录IPv4地址与IPv6地址之间的映射关系。
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