CN103227787B - 一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，将LCRA功能与CPE设备结合，获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定，使得CPE设备开启代理ARP功能，在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网，实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下，跨越IPv6网络获取公有IPv4地址，并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4Internet，实现了IPv6单栈接入网中IPv4主机间的互访。
Description
技术领域
本发明属于互联网技术领域，特别涉及一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法。
背景技术
当前IPv4互联网规模迅速扩大，对IPv4地址的需求量也在不断增加，至使全球IPv4地址于2011年已分配完结。NAT技术和私有地址的使用虽然一定程度上实现了地址复用，但是却破坏了端到端特性，增加了网络结构的复杂度。IPv6协议具有更大的地址空间(2128)、更好的编址路由特性和安全性等特点，成为了建设下一代互联网的重要协议。但是由于IPv4与IPv6编址路由不兼容，互联网由IPv4过渡到IPv6需要较长的时期。
端到端特性是IPv4互联网的重要特点。这一特性使得核心网络功能简单，而端***相对复杂。由于端***更加可控，使得创新层出不穷，例如P2P应用、即时通信、在线视频、网络定位服务等。近年来，P2P软件和即时通信软件用户规模不断扩大。这些服务应用均涉及到了主机互访问题，也使得主机间互访成为各过渡技术不可忽视的重要内容。由于客户端不可控，过渡技术应该尽量减少对客户端的修改，实现用户无感知的向IPv6过渡。
为在IPv6过渡时期保证端***IPv4协议栈正常工作，用户可以正常访问IPv4服务，并保持互联网的端到端特性，IETF Softwire工作组提出Public4over6机制。Public4over6机制通过DHCPv4over IPv6技术跨越IPv6接入网为CE(Customer Edge)动态分配和回收公有IPv4地址，同时在BR(BorderRelay)处维护CE IPv6地址与IPv4地址的映射表，CE和BR作为IPv4-over-IPv6隧道的端点，实现有状态IPv4-over-IPv6封装/解封装。其中CE设备分为CPE路由器(Customer Premise Equipment)和直连主机。本专利方案主要针对隧道端点为CPE路由器的场景。
DHCPv4over IPv6技术，通过使用IPv6承载DHCPv4报文，从而使得DHCPv4可以跨越IPv6网络正常运行。该技术扩展DHCPv4服务器(TSV，IPv6-Transport Server)使之能够解析IPv6包中的DHCPv4报文，继而利用原有功能完成DHCPv4过程。在DHCPv4客户侧增加CRA模块(Client RelayAgent)用于将DHCPv4报文封装入IPv6包以及处理TSV回复的DHCPv4报文。LCRA(on-Link Client Relay Agent)是链路客户端中继代理，可以实现为同一链路上的DHCPv4客户端提供中继服务。客户端即可实现通过DHCPv4overIPv6获取公有IPv4地址。LCRA的功能一般是由CPE设备实现。
主机间进行互访时，发起端要广播ARP请求，以获得目的端或下一跳的MAC地址来进行通信。如果两台主机在同一个网段内，那么发起端会请求目的端主机的MAC地址；否则发起端会请求默认网关的MAC地址。在Public4over6中，由于同一网段的地址可能分配给连接于不同CPE后的主机，并且CPE后的主机的实际网关是CPE，为使主机能够通信，CPE设备需采用相应措施实现，如代理ARP机制。代理ARP机制如下：网关设备（如CPE）代替无法直达的主机（如其它CPE后的主机）对ARP请求进行回答，以自己的MAC地址代替目标主机的MAC地址。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，在Public4over6技术的基础上，针对CPE路由器作为IPv4-over-IPv6隧道发起点的场景，通过对LCRA功能进行扩展，获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定，使CPE设备实现代理ARP功能，实现了在IPv6单栈接入网中，使得连接在CPE设备下的主机在不做改动的前提下跨越IPv6网络获取公有IPv4地址，并通过由CPE自动建立的隧道实现访问IPv4网络，以及同一Public4over6域内的主机互访。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，将LCRA功能与CPE设备结合，获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定，使得CPE设备开启代理ARP功能，在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网，实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下，跨越IPv6网络获取公有IPv4地址，并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4Internet。
其中，Public4over6域的主机通过DHCPv4over IPv6过程获得公有IPv4地址：
当TSV接收到主机广播的Discover请求后进行回复，TSV将网关的IPv4地址添加到Router Option中，将Offer报文发送给请求主机对应的LCRA；
当LCRA接收到TSV发送的ACK报文后进行解析，获取Router Option选项中网关的IPv4地址信息，并与CPE路由器的MAC地址绑定；同时，LCRA获取ACK报文中地址分配信息，并为该地址在路由表中添加一条/32路由表项。
而主机访问IPv4Internet的某一公网地址，具体步骤如下：
主机发出ARP请求，询问网关的MAC地址；
发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答；
主机将IPv4报文发送至发起点CPE；
发起点CPE接收到该报文后，以自己的IPv6地址为源地址，汇聚点BR的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR；
汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的IPv4地址信息进行正常IPv4转发；
IPv4Internet的服务器进行回复，IPv4报文路由到达汇聚点BR；
汇聚点BR接收该IPv4报文，根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表，如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE地址，则以BR的IPv6地址为源地址，CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给CPE；否则，丢弃该报文；
发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表，通过LAN口转发给相应的Host主机。
同一Public域内的主机间进行通信，具体步骤如下：
发起端主机-1首先会广播ARP请求，询问目的端主机-2的MAC地址；
如果主机-1和主机-2连接同一个CPE，则主机-2接收到ARP请求后进行ARP应答。主机-1可根据主机-2的地址信息，直接将IPv4报文发送给主机-2。如果主机-1和主机-2连接的是不同的CPE，则CPE1会对主机-1的ARP请求进行ARP应答。当主机-1向主机-2发送IPv4报文，该报文将先发给CPE1；
CPE1接收这个报文，以自己的IPv6地址为源地址，BR的IPv6地址为目的地址封装成IPv6报文，发送给BR；
BR接收到之后进行解封装，根据得到的IPv4报文中的目的地址查找IPv4-IPv6映射表，得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址，然后BR以自己的IPv6地址为源地址，CPE2的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2；
CPE2接收到报文进行解封装，根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表，然后通过LAN口转发给主机-2；
主机-2以相同过程向主机-1回复。
所述发起端主机-1通过广播ARP请求询问目的端主机-2的MAC地址时：
如果两台主机连接的是同一台CPE，那么目的端主机能够收到发起端的ARP请求，并使用自己的MAC地址进行ARP应答；
如果两台主机连接的是不同的CPE，那么CPE1接收到主机-1的ARP请求后，查询/32路由表，发现其中没有相应的表项，CPE1使用自己的MAC地址进行ARP应答。
从控制层面和数据层面两个方面说明以上的具体内容。
控制层面主要包括：终端主机公有IPv4地址的获取和CPE代理ARP功能的启动。当用户接入CPE下的网络时，会发起DHCP过程。通过LCRA与TSV的交互，TSV将IPv4地址下发给终端主机。DHCP回复报文中会包含RouterOption选项，用于通告终端主机网关地址信息。
LCRA收到TSV回复的ACK报文后，进行报文解析，提取报文中为主机分配的IPv4地址信息，用于为该地址添加/32的路由表项。该表项主要有两方面的作用：1.当CPE接收到一个发往连接该CPE主机的4over6隧道报文后进行解封装，然后通过这条表项将报文发给LAN口，之后转发给相应的主机；2.当连接该CPE的主机进行ARP广播时，CPE可以通过该表项确定是否进行代理ARP。当子网内的某一主机发出DHCPRELEASE报文或分配的地址租约到期时，CPE会删除路由表中的对应表项。
同时，LCRA会从DHCPACK报文中的Router Option选项中提取网关的IPv4地址信息，该地址用于与当前CPE设备的MAC地址进行绑定。当主机发出ARP请求获取网关的MAC地址时，CPE便会使用自己的MAC地址进行ARP应答。
数据层面主要是对数据的封装、解封装和转发。CPE和BR设备的作用是进行双向的封装、解封装，并将封装后的报文通过4over6隧道发送给对端。CPE设备和下连主机之间、BR与IPv4Internet之间进行正常IPv4转发。
BR维护IPv4-IPv6地址映射表，用于确定正确的IPv6封装地址。当主机通过DHCP过程获取IPv4地址后，BR会添加相应的IPv4-IPv6映射表项。其中，IPv4地址是主机的地址，IPv6地址为CPE的地址。由于同一CPE下会连接多台主机，因此会出现一个IPv6地址对应多个IPv4地址的情况。BR接收IPv4报文后，会根据其中目的IPv4地址查询地址映射表，即以IPv4地址作为索引进行查询，然后根据查询所得的IPv6地址封装转发给相应的CPE，因此BR能够进行正确的封装转发。
当主机间进行互访时，会出现两种情况。一种情况是两台主机连接的是同一个CPE。首先，发起端广播ARP请求。目的端接收到这个ARP包后，用自己的IPv4地址和MAC地址进行ARP应答，双方即可建立通信。
另一种情况是两个主机分别连接同一个BR下的两台CPE设备。首先发起端广播ARP请求。CPE接收到这个请求后，查询其维护的ARP表，发现没有与ARP请求中目的IPv4地址对应的表项。CPE便用自己的MAC地址进行ARP应答，即CPE进行代理ARP。
当需要向此IPv4地址发送数据时，发起端主机先将数据发送给代理网关CPE，由CPE进行封装，转发给BR。BR接收到后进行解封装，根据得到的IPv4报文中的目的地址查询IPv4-IPv6映射表，从而得到目的端对应的CPE设备的IPv6地址，并将其作为目的地址对该报文进行再封装，然后转发给相应的CPE。CPE接收到后进行解封装并转发给目的主机。目的端主机进行回复时的过程与上述过程相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.LCRA功能与CPE设备结合，在不改动客户主机的前提下实现跨IPv6网络的公有IPv4地址获取，并以CPE为发起点自动建立4over6隧道。
2.对LCRA进行功能扩展，协助CPE设备自动开启代理ARP功能。
3.实现IPv6单栈接入网中IPv4主机间的互访。
附图说明
图1是本发明的适用场景拓扑图。
图2是DHCPv4over IPv6过程图。
图3是主机访问外网的报文交互图。
图4是同一CPE下主机互访报文交互图。
图5是不同CPE下主机互访报文交互图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明针对的应用场景如图1所示，即接入网为IPv6单栈网络，CPE作为隧道发起点，实现IPv4终端主机通过4over6隧道访问IPv4Internet。本发明主要涉及DHCPv4over IPv6和LCRA处理Router Option过程、主机访问Internet报文交互过程以及主机间互访报文交互过程。下面对这三个过程进行具体描述。
第一、DHCPv4over IPv6过程，如图2所示：
1)主机广播DHCP Discover请求；
2)LCRA接收到后将报文的IPv4报头替换为IPv6报头，源地址为CPE的IPv6地址，目的地址为TSV的IPv6地址；
3)TSV收到请求后，将网关的IPv4地址添加到Router Option选项回复DHCP Offer，并将DHCP报文放入IPv6数据包中，单播发给LCRA；
4)LCRA接收到报文后将IPv6报头替换为IPv4报头，并将DHCP Offer报文转发给相应的主机；
5)主机接收到DHCP Offer报文后，发送DHCP Request报文；
6)LCRA收到该报文后，将其改造并转发给TSV；
7)TSV收到后进行解析得到DHCP Request报文，然后回复DHCP ACK报文，通过IPv6单播发给LCRA；
8)LCRA得到DHCP ACK报文，获取其中Router Option选项中的网关地址信息，与CPE的IPv4地址进行绑定；同时获取报文中的地址分配信息，然后由CPE设备为该地址建立一条/32的路由；将DHCP ACK报文发送给相应主机。
第二、主机访问IPv4Internet的过程，如图3所示：
1)主机-1(192.0.0.2/24)需要访问IPv4Internet的某一公网地址，如，192.0.1.2/24。主机-1发出ARP请求，询问网关的MAC地址。
2)发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答，即进行ARP代理；
3)主机-1将IPv4报文发送至发起点CPE；
4)发起点CPE接收到该报文后，以自己的IPv6地址(2001::5/64)为源地址，汇聚点BR的IPv6地址(2001::2/64)为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR；
5)汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的IPv4地址信息(192.0.1.2/24)进行正常IPv4转发；
6)IPv4Internet的服务器进行回复，其源地址为192.0.1.2/24，目的地址为主机-1的IPv4地址(192.0.0.2/24)；
7)汇聚点BR接收该IPv4报文，根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表。如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE地址(2001::5/64)，则以自己的IPv6地址为源地址，CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给CPE。否则，丢弃该报文；
8)发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表，通过LAN口转发给相应的主机。
第三、主机间互访的过程：
主机间互访存在两种情况：一种是两个主机连接的是同一台CPE，另一种情况是两个主机连接的是不同的CPE。
针对第一种情况，如图4所示：
1)主机-1(192.0.0.3/24)广播ARP请求，询问主机-2（IP地址为192.0.0.4/24）的MAC地址；
2)主机-2接收到主机-1的ARP请求后，将自己的MAC地址回复给主机-1。
3)主机-1和主机-2即可建立通信。
针对第二种情况，如图5所示：
1)主机-1(192.0.0.5/24)广播ARP请求，询问主机-2（IP地址为192.0.0.6/24）的MAC地址；
2)CPE1接收到这个请求后，查询/32路由表，没有找到192.0.0.6/32对应的表项，因而使用自己的MAC地址进行ARP应答，即进行ARP代理；主机-1向主机-2发送IPv4报文时，该报文会先发往CPE1；
3)CPE1接收这个报文，以自己的IPv6地址(2001::6/64)为源地址，BR的IPv6地址(2001::2/64)为目的地址封装成IPv6报文，发送给BR；
4)BR接收到之后进行解封装，根据得到的IPv4报文中的目的地址(192.0.0.6/24)查找IPv4-IPv6映射表，得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址2001::7/64。然后BR以自己的IPv6地址(2001::2/64)为源地址，CPE2的IPv6地址(2001::7/64)为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2；
5)CPE2接收到报文进行解封装，根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表，然后通过LAN口转发给主机-2；
6)主机-2回复主机-1的过程与上述过程相同。
本发明在Public4over6技术的基础上，通过对LCRA功能进行扩展，使其能够获取真正网关的地址信息，CPE设备通过其MAC地址与网关的IP地址的绑定实现代理ARP功能，从而在IPv6单栈接入网中，使连接在CPE设备下的主机在不做改动的前提下跨越IPv6网络获取公有IPv4地址，并实现同一Public4over6域内的主机互访。利用上述方法，4over6隧道过渡技术实现了用户无感知的向IPv6平滑过渡。
Claims (4)
1.一种基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，将LCRA(on-Link Client Relay Agent)功能与CPE设备结合，获取真正网关的地址信息并与CPE的MAC地址进行绑定，使得CPE设备开启代理ARP功能，在由IPv4到IPv6的过渡时期以IPv6单栈网络为接入网，实现现有IPv4终端主机不做改动的情况下，跨越IPv6网络获取公有IPv4地址，并以CPE路由器作为隧道发起点建立4over6隧道访问IPv4 Internet，其特征在于，Public 4over6域的主机通过DHCPv4 over IPv6过程获得公有IPv4地址：
当TSV(IPv6-Transport Server)接收到主机发送的Discover请求后进行回复，TSV将网关的IPv4地址添加到Router Option中，将Offer报文发送给请求主机对应的LCRA；
当LCRA接收到TSV发送的ACK报文后进行解析，获取Router Option选项中网关的IPv4地址信息，并与CPE路由器的MAC地址绑定；同时，LCRA获取ACK报文中地址分配信息，并为该地址在路由表中添加一条/32路由表项。
2.根据权利要求1所述基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，其特征在于，主机访问IPv4 Internet的某一公网地址，具体步骤如下：
主机发出ARP请求，询问网关的MAC地址；
发起点CPE以自己的MAC地址进行ARP应答；
主机将IPv4报文发送至发起点CPE；
发起点CPE接收到该报文后，以自己的IPv6地址为源地址，汇聚点BR的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给汇聚点BR；
汇聚点BR接收到数据包后解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的IPv4地址信息进行正常IPv4转发；
IPv4 Internet的服务器进行回复，IPv4报文路由到达汇聚点BR；
汇聚点BR接收该IPv4报文，根据其目的地址信息查询IPv4-IPv6映射表，如果在映射表中查询到该目的地址对应的CPE IPv6地址，则以BR的IPv6地址为源地址，CPE的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文，然后通过4over6隧道发送给CPE；否则，丢弃该报文；
发起点CPE接收到后将其解封装成IPv4报文，然后根据其中的目的地址信息查询/32路由表，通过LAN口转发给相应的主机。
3.根据权利要求1所述基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，其特征在于，同一Public域内的主机间进行通信，具体步骤如下：
发起端主机-1首先会广播ARP请求，询问目的端主机-2的MAC地址；
如果主机-1和主机-2连接同一个CPE，则主机-2接收到ARP请求后进行ARP应答，主机-1可根据主机-2的地址信息，直接将IPv4报文发送给主机-2；
如果主机-1和主机-2连接的是不同的CPE，则CPE1会对主机-1的ARP请求进行ARP应答，当主机-1向主机-2发送IPv4报文，该报文将先发给CPE1；
CPE1接收这个报文，以自己的IPv6地址为源地址，BR的IPv6地址为目的地址封装成IPv6报文，发送给BR；
BR接收到之后进行解封装，根据得到的IPv4报文中的目的地址查找IPv4-IPv6映射表，得到主机-2对应的CPE2的IPv6地址，然后BR以自己的IPv6地址为源地址，CPE2的IPv6地址为目的地址将该IPv4报文封装成IPv6报文并转发给CPE2；
CPE2接收到报文进行解封装，根据IPv4报文中的目的地址信息查询/32路由表，然后通过LAN口转发给主机-2；
主机-2以相同过程向主机-1回复。
4.根据权利要求3所述的基于ARP代理的4over6隧道自动建立方法，其特征在于，所述发起端主机-1通过广播ARP请求询问目的端主机-2的MAC地址时：
如果两台主机连接的是同一台CPE，那么目的端主机能够收到发起端的 ARP请求，并使用自己的MAC地址进行ARP应答；
如果两台主机连接的是不同的CPE，那么CPE1接收到主机-1的ARP请求后，查询/32路由表，发现其中没有相应的表项，CPE1使用自己的MAC地址进行ARP应答。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |