CN104734963A - 一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，该方法执行过程中涉及域名解析模块、地址转换模块、翻译模块、映射模块、拓扑管理模块、临时地址池管理模块，域名解析模块是核心模块，用于进行DNS请求的处理；地址转换模块进行IPv4地址和IPv6地址的转换，供域名解析模块调用；翻译模块用于IPv4报文和IPv6报文的相互翻译，包括IP报头、ICMP报文和TCP/UDP报文的翻译；映射模块用来维持域名和IP地址的映射表，存储域名和IPv4地址、IPv6地址的映射关系；拓扑管理模块用于维护网络的全局拓扑；临时地址池管理模块用于临时IPv4地址的分配和回收。该方法能够解决协议的转换、地址的映射问题，实现全网的互联互通。

Description

一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，确切地说涉及一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法。

背景技术

IP协议于70年代中期诞生，IPv4是IP协议的第4个版本，也是目前使用最广泛的IP层协议。IPv4对internet的发展起到了关键的作用。然而由于有限的地址空间和分配的不当，IPv4的地址空间已经耗尽。根据IANA的统计报告，截止2011年2月3号IPv4地址已经全部分配出去。随着IPv4的耗尽，研究者们越来越关注于IPv6技术的发展。IPv6是由IETF为了彻底解决IPv4地址不足问题而提出的一种新的IP协议，它采用128位的地址空间，解决了IPv4地址不足和其他问题，并在诸多方面进行改进。这些改进主要包括简化的报头格式、支持扩展首部和选项、支持自动配置、增强服务质量QoS、支持任播等。

自从IPv6被提出来以后，由于IPv6与IPv4的不兼容性，使得IPv4能否向IPv6过渡成为IPv6能否成功的关键。因此一开始研究者们就在寻找IPv4向IPv6平稳过渡的方案。可惜直到目前为止还没有很好的方案能完全解决这个问题。目前IPv4和IPv6互通的方案主要有三种：双栈技术、隧道技术、翻译技术。所谓的双栈技术，就是终端/主机包含IPv4和IPv6两个协议栈，主机根据IP地址来决定采用哪个IP协议栈发送数据包。这种方式的缺点是旧的无法升级的设备无法使用，而且每个节点必须配置两个协议栈。隧道技术把报文进行封装，在IPv6报文前面加上IPv4的首部。使得IPv6的报文在IPv4网络里“看起来”是IPv4报文，到达IPv6网络后再解封装，还原成IPv6报文进行转发。采用隧道方式的有6rd、A+P方案。这种方案只要求在封装/解封装节点安装双协议栈，实行起来比较方便。翻译技术主要包括IPv4和IPv6协议层的翻译、应用的翻译，协议层的翻译一般采用NAT-PT技术，应用的翻译一般通过应用代理网关ALG来完成。翻译技术不需要改造节点，但是翻译方法比较复杂、地址转换和协议转换的开销比较大。

SDN最早起源于斯坦福大学的一个叫做clean slate的校园项目。它是一种创新型的网络体系架构，其核心思想是把转发平面和控制平面进行分离。通过集中式的SDN控制器controller使用标准的接口来对各种不同的网络设备进行配置和管理，使得对网络的管理更加集中化、精细化。OpenFlow作为SDN的原型实现模式，充分体现了SDN的这种管控分离思想。因此通常人们把OpenFlow作为SDN的通信标准，就像TCP/IP协议作为互联网的通信标准一样。

经检索，在国家专利局网站和国外专利局网站上没有与本申请技术方案较为接近的技术方案申请过专利，也没有与本申请技术方案较接近的期刊文件，仅有一篇会议文档“DevOps Migration to IPv6 Powered by SDN”采用SDN作为IPv6的过渡技术，同时，公开号为 CN104135446A，公开日为 2014年11月5日的中国专利文献公开了一种基于SDN实现IPv4向IPv6过渡的***及方法，涉及SDN领域，该***的硬件包括控制器和交换机，该***的软件模块均在linux操作***的应用层开发，控制器包括第一OpenFlow接口模块、第一配置管理模块、第一流表管理模块和第一地址管理模块；交换机包括第二OpenFlow接口模块、第二配置管理模块、第二流表管理模块、第二地址管理模块、隧道模块和网络地址转换NAT模块。该发明能灵活、简单地设置交换机从IPv4向IPv6过渡的技术，实现网络流量的灵活控制，支持传统交换机，方便扩展，移植性好，再次开发容易。

但是，无论是上述会议文档，还是上述中国专利文献，其实现的技术方案和本申请的技术方案有很大不同。从文档中可以看出该技术不关心协议的转换，SDN做的只是简单的添加流表、查表转发,因此无法支持非双协议栈的IPv4、IPv6和SDN的互通。从专利文件中可以看出该方法需要交换机具有两个OpenFlow接口模块和两个OpenFlow流表模块，需要在penFlow交换机上增加隧道模块，从而必须在现有的OpenFlow交换机上进行硬件改变增加新功能，并且导致SDN网络工作流程复杂化。

发明内容

本发明旨在针对上述DevOps技术无法实现SDN、IPv4和IPv6网络的全互通的技术问题，提出一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法。该方法能够解决协议的转换、地址的映射问题，实现全网的互联互通。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：

步骤1，网络初始化时，SDN控制器通过探测获得SDN全局网络拓扑信息；

步骤2，通过拓扑管理模块和IPv4网络或者IPV6网络的BGP消息交互，SDN控制器获得IPv6网络和IPv4网络的可达性信息，分别存入不同的表中，供步骤5寻找路由使用；

步骤3，当IPv4或者IPv6网络中的主机以域名方式要访问非IPv4或者IPv6网络时，主机首先查询本地DNS缓存表，如果有匹配的条目，转步骤11；否则发送DNS请求给主机配置的源DNS服务器；

步骤4，源DNS服务器解析该域名，如果解析成功，返回解析后得到的IP地址给主机，转步骤11，否则转步骤5；

步骤5，源DNS服务器发送该域名的DNS请求到SDN；

步骤6，SDN网络的SDN控制器调用域名解析模块进行处理，域名解析模块首先查找SDN是否有匹配的条目，如果有转步骤10，否则转步骤7；

步骤7，域名解析模块根据请求的IP地址判断生成DNS请求报文发送至IPv4或者IPv6网络的DNS服务器；

步骤8，对应IP网络中的DNS服务器进行解析，把解析后的IP地址发给SDN；

步骤9，域名解析模块收到DNS响应报文，调用地址转换模块或者临时地址池管理模块产生“域名-IPv4-IPv6”的条目添加到映射模块；

步骤10，域名解析模块产生包含IPv4地址或者IPv6地址的DNS响应报文发送给源请求DNS，源请求DNS服务器再转发给源请求主机；

步骤11，源请求主机以该IP地址进行通信，数据包经过SDN的时候，域名解析模块调用翻译模块进行IPv4数据包和IPv6数据包的相互翻译；所述步骤11的翻译模块用来进行报头和报文的翻译。

所述步骤1的“探测”是指SDN控制器通过周期性地发送LLDP数据包来探测SDN网络中节点的活跃状态，进而维持SDN网络的活跃拓扑。

所述步骤2的可达性信息是通过BGP协议的交互获得的。

所述步骤5的域名请求发送过程具体是源DNS服务器把源IP地址设为自己的IP地址，把目的IP地址设为SDN控制器的IP地址，把源请求主机的DNS请求内容作为新的DNS请求内容；DNS请求的整个处理过程对于源请求主机来说是透明的。

所述步骤6的“查找”包括SDN的域名表的查找和映射模块的查找两个部分，前者代表请求的域名是在SDN网络中，后者则代表请求的域名在别的IP网络中，但是已经有缓存。

所述步骤7进一步包括：

如果是在多个SDN网络、多个IPv4网络和多个IPv6网络互连的***中，域名解析模块要分别发送DNS请求到非本身网络和源DNS请求所在网络的其他网络，直到某一个网络的DNS服务器解析成功为止。

所述步骤9的地址转换模块用来根据规则把IPv4地址转换成IPv6地址，地址转换采用的规则是把IPv4地址作为IPv6地址的一部分组成一个新的IPv6地址，该IPv6地址由前缀、IPv4地址、后缀组成；具体采用的规则参考RFC文档“IPv6 Addressing of IPv4/IPv6 Translators”（RFC6052）。

所述步骤9的临时地址池管理模块用来管理临时地址的分配和回收，当域名解析需要使用临时IPv4地址时，从临时地址池中取出一个未分配的IPv4地址，并根据映射模块的过期机制对已经分配出去的IPv4地址的回收；所述步骤9的映射模块用来维持域名和IP地址的映射表，存储域名和IPv4地址、IPv6地址的映射关系，并且提供过期机制；映射模块的过期机制具体指当某一个映射关系一段时间未使用时，删除该映射关系，并通知临时地址管理模块回收该映射关系的临时IPv4地址。

所述步骤11进一步包括：IPv4数据包和IPv6数据包的相互翻译，主要采用SIIT（Stateless IP/ICMP Translation）技术，进行两者之间IP报头的翻译，如果是ICMP报文，进行ICMP-ICMPv6的翻译，如果是TCP/UDP，重新计算校验和。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

1、本技术方案可以实现SDN、IPv4和IPv6的全互通，无论是IPv4访问IPv4、IPv6访问IPv6、IPv4访问IPv6，还是IPv6访问IPv4，或者是SDN访问IP网络，本技术方案都能保证混合网络的主机之间的正常通信。

2、本技术方案对传统网络的改动很少，仅仅需要在DNS服务器上添加一条到SDN网络的SDN控制器的路由表项。对于网络中的其余主机、路由器和交换机等节点不做任何变动，这使得本方案通过简单的配置就可以很好地用到当前网络中。

3、本技术方案有很强的透明性。对于IPv4或者IPv6网络的主机来说，它们不用关心域名对应的地址是IPv4还是IPv6，只需要输入域名就可以访问服务了。对于中间庞杂的转换环节，主机完全不知道也不需要知道，这种特性对于平滑过渡有很重要的意义。

4、与会议文档“DevOps Migration to IPv6 Powered by SDN”相比，本申请所具有的特别的技术效果关注IPv4-IPv6从IP层到应用层的协议转换，支持非双协议栈的IP网络和SDN网络的互通。

5、与公开号为 CN104135446A中国专利文件相比，本申请所具有的特别的技术效果是对原有网络设备的改动很少，所做的改动集中在可软件编程的控制器上，这有利于本方法在具体网络环境中的实施和部署。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法的模块图。

图2为本发明实施例IPv4主机访问IPv6服务器流程图。

图3为本发明实施例IPv6主机访问IPv4服务器流程图。

具体实施方式

实施例1

作为本方法的最佳实施方式，参照图1和图2，本实例以IPv4的主机H1访问IPv6的服务器Server（www.aaa6.com）为例，简要描述其通信过程，具体步骤如下：

步骤1，当IPv4网络中有一台主机H1要访问域名www.aaa6.com，其默认的DNS服务器DNS-IPv4解析不到该域名，会将该DNS请求转发给SDN网络；

步骤2，SDN网络的SDN控制器接收到该域名解析请求后交给域名解析模块处理。它将首先查找相关模块看是否有匹配条目存在，如果有，直接根据匹配条目生成DNS响应报文，转步骤6；如果没有，发送DNS请求给IPv6网络的DNS-IPv6服务器；所述步骤2的相关模块包括SDN的域名表和映射模块两部分；

步骤3，DNS-IPv6服务器进行解析后，返回域名对应的IPv6地址；

步骤4，域名解析模块调用临时地址池管理模块从临时IPv4地址池中取一个未被使用的IPv4地址给H1通信使用，调用地址转换模块把H1的IPv4地址转换成对应的IPv6地址，并调用映射模块记录映射关系；这里添加的映射关系有两条，一条是关于H1的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4_H1-IPv6_H1”，另一条是关于IPv6服务器的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4_Server-IPv6_Server”；

步骤5，域名解析模块根据新分配的IPv4地址生成DNS响应报文转发给DNS服务器DNS-IPv4服务器，DNS-IPv4服务器把响应报文稍作修改，返回给主机H1；

步骤6，H1利用返回的IPv4地址作为目的IP地址访问服务器Server；报文到达SDN网络；

步骤7，SDN网络的SDN控制器的域名解析模块调用映射模块和翻译模块把IPv4报文翻译成IPv6报文；

步骤8，IPv6报文从SDN进入IPv6网络，Server处理后返回结果给H1，报文经过SDN网络；

步骤9，SDN网络的SDN控制器的域名解析模块调用映射模块和翻译模块把IPv6报文翻译成IPv4报文；

步骤10，IPv4报文经过SDN网络到达IPv4网络的H1。

所述步骤1进一步包括：H1首先查找本地DNS缓存，如果没有匹配项目，向本机配置的DNS服务器发送DNS请求报文，在DNS服务器也查找不到的情况下，它会修改源地址后转发该DNS请求到SDN网络的SDN控制器。

实施例2

作为本方法的最佳实施方式，参照图3，本实例以IPv6的主机访问IPv4的服务器Server2（www.aaa4.com）为例，简要描述其通信过程，具体步骤如下：

步骤1，当IPv6网络中有一台主机H2要访问域名www.aaa4.com，其默认的DNS服务器DNS-IPv6解析不到该域名，会将该DNS请求转发给SDN；

步骤2，SDN网络的SDN控制器接收到该域名解析请求后交由域名解析模块处理。它将首先调用SDN域名表和映射模块，查找是否有匹配条目存在，如果有，直接根据映射条目生成DNS响应报文，转步骤6；如果没有，发送DNS请求给IPv6网络的DNS-IPv4服务器；

步骤3，DNS-IPv4服务器进行解析后，返回域名对应的IPv4地址；

步骤4，域名解析模块调用临时地址池管理模块从临时IPv4地址池中取一个未被使用的IPv4地址给H2通信使用，调用地址转换模块把域名的IPv4地址转换成对应的IPv6地址，并调用映射模块记录映射关系；这里添加的映射关系有两条，一条是关于H1的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4_H2-IPv6_H2”，另一条是关于IPv6服务器的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4_Server2-IPv6_Server2”；

步骤5，域名解析模块根据地址转换模块得到的IPv6地址生成DNS响应报文转发给DNS服务器DNS-IPv6，DNS-IPv6把响应报文稍作修改，返回给主机H2；

步骤6，H2利用返回的IPv6地址作为目的IP地址访问服务器；报文到达SDN；

步骤7，SDN控制器的域名解析模块调用映射模块和翻译模块把IPv6报文翻译成IPv4报文；

步骤8，IPv4报文从SDN进入IPv4网络，Server2处理后返回结果给H2，报文经过SDN；

步骤9，SDN控制器的域名解析模块调用映射模块和翻译模块把IPv4报文翻译成IPv6报文，下发对应流表项；

步骤10，IPv6报文经过SDN到达H2。

实施例3

作为本方法的另一最佳实施方式，本实例以SDN的主机（假设都是IPv4地址）访问IPv4/IPv6的服务器Server3为例，简要描述其通信过程，具体步骤如下：

步骤1，当SDN网络中有一台主机H3要访问域名www.aaa4.com，其默认的DNS服务器DNS-SDN解析不到该域名，会将该DNS请求转发给SDN控制器；

步骤2，SDN网络的SDN控制器接收到该域名解析请求后调用域名解析模块进行处理。它将首先调用映射模块，查找是否有匹配条目存在，如果有，直接根据映射条目生成DNS响应报文，转步骤7；如果没有，生成DNS请求报文发送给IPv4网络的DNS-IPv4，转步骤3；

步骤3，如果DNS-IPv4能解析该域名，返回对应的IPv4地址给SDN的域名解析模块，转步骤6；否则SDN控制器生成DNS请求报文发送给IPv6网络的DNS-IPv6；转步骤4；

步骤4，DNS-IPv6解析该域名，返回解析后得到的IPv6地址给SDN的域名解析模块，转5；

步骤5，域名解析模块调用临时地址池管理模块取出一个临时IPv4地址给H3通信使用；

步骤6，域名解析模块调用映射模块添加对应映射关系；这里添加的映射关系有两条，一条是关于H3的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4H3-IPv6H3”，另一条是关于服务器的IP地址的映射关系，即“域名-IPv4Server3-IPv6Server3”；

步骤7，SDN控制器的域名解析模块根据该IPv4/IPv6地址生成DNS响应报文返回给主机H3；

步骤8，H3利用返回的IPv4/IPv6地址作为目的IP地址访问服务器。

Claims (9)

1.一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：

步骤1，网络初始化时，SDN控制器通过探测获得SDN全局网络拓扑信息；

步骤2，通过拓扑管理模块和IPv4网络或者IPV6网络的BGP消息交互，SDN控制器获得IPv6网络和IPv4网络的可达性信息，分别存入不同的表中，供步骤5寻找路由使用；

步骤3，当IPv4或者IPv6网络中的主机以域名方式要访问非IPv4或者IPv6网络时，主机首先查询本地DNS缓存表，如果有匹配的条目，转步骤11；否则发送DNS请求给主机配置的源DNS服务器；

步骤4，源DNS服务器解析该域名，如果解析成功，返回解析后得到的IP地址给主机，转步骤11，否则转步骤5；

步骤5，源DNS服务器发送该域名的DNS请求到SDN；

步骤6，SDN网络的SDN控制器调用域名解析模块进行处理，域名解析模块首先查找SDN是否有匹配的条目，如果有转步骤10，否则转步骤7；

步骤7，域名解析模块根据请求的IP地址判断生成DNS请求报文发送至IPv4或者IPv6网络的DNS服务器；

步骤8，对应IP网络中的DNS服务器进行解析，把解析后的IP地址发给SDN；

步骤9，域名解析模块收到DNS响应报文，调用地址转换模块或者临时地址池管理模块产生“域名-IPv4-IPv6”的条目添加到映射模块；

步骤10，域名解析模块产生包含IPv4地址或者IPv6地址的DNS响应报文发送给源请求DNS，源请求DNS服务器再转发给源请求主机主机；

步骤11，源请求主机主机以该IP地址进行通信，数据包经过SDN的时候，域名解析模块调用翻译模块进行IPv4数据包和IPv6数据包的相互翻译；所述步骤11的翻译模块用来进行报头和报文的翻译。

2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤1的“探测”是指SDN控制器通过周期性地发送LLDP数据包来探测SDN网络中节点的活跃状态，进而维持SDN网络的活跃拓扑。

3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤2的可达性信息是通过BGP协议的交互获得的。

4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤5的域名请求发送过程具体是源DNS服务器把源IP地址设为自己的IP地址，把目的IP地址设为SDN控制器的IP地址，把源请求主机的DNS请求内容作为新的DNS请求内容；DNS请求的整个处理过程对于源请求主机来说是透明的。

5.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤6的“查找”包括SDN的域名表的查找和映射模块的查找两个部分，前者代表请求的域名是在SDN网络中，后者则代表请求的域名在别的IP网络中，但是已经有缓存。

6.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤7进一步包括：

如果是在多个SDN网络、多个IPv4网络和多个IPv6网络互连的***中，域名解析模块要分别发送DNS请求到非本身网络和源DNS请求所在网络的其他网络，直到某一个网络的DNS服务器解析成功为止。

7.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤9的地址转换模块用来根据规则把IPv4地址转换成IPv6地址，地址转换采用的规则是把IPv4地址作为IPv6地址的一部分组成一个新的IPv6地址，该IPv6地址由前缀、IPv4地址、后缀组成。

8.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤9的临时地址池管理模块用来管理临时地址的分配和回收，当域名解析需要使用临时IPv4地址时，从临时地址池中取出一个未分配的IPv4地址，并根据映射模块的过期机制对已经分配出去的IPv4地址的回收；所述步骤9的映射模块用来维持域名和IP地址的映射表，存储域名和IPv4地址、IPv6地址的映射关系，并且提供过期机制；映射模块的过期机制具体指当某一个映射关系一段时间未使用时，删除该映射关系，并通知临时地址管理模块回收该映射关系的临时IPv4地址。

9.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv4和IPv6网络互连方法，其特征在于：所述步骤11进一步包括：IPv4数据包和IPv6数据包的相互翻译，主要采用SIIT（Stateless IP/ICMP Translation）技术，进行两者之间IP报头的翻译，如果是ICMP报文，进行ICMP-ICMPv6的翻译，如果是TCP/UDP，重新计算校验和。