CN108234689A - 用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法 - Google Patents

用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法，属于计算机技术领域，本发明的装置包括IPv6隧道服务器、CE侧边缘路由器和客户端设备，本发明用户侧的CE侧边缘路由器端口与IPv6隧道服务器通过IPv4网络建立起IPv6隧道后，IPv6隧道服务器随机给CE侧边缘路由器端口分配IPv6/128接口地址；基于这个IPv6接口，CE侧边缘路由器的下级客户端设备IPv6地址前缀由IPv6隧道服务器动态分发；本发明能够对基于IPv6隧道的IPv6完整域中的CE侧设备IPv6地址进行动态分发和调度；CE端所有设备不需手工配置IPv6地址，简化了网络对IPv6地址的配置和维护工作。

Description

用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，特别是涉及一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法。
背景技术
目前基于IPv4协议的互联网是世界上最重要的信息基础设施，虽然IPv4理论上最多可拥有43亿个地址，但在实际的地址分配过程中存在很多低效的情况，导致IPv4地址已经分配完毕。地址不足严重地制约了互联网的应用和发展，为了解决IPv4地址耗尽问题，目前有两种技术路线：采用IPv4地址转换技术(NAT)或升级到IPv6。但是，NAT44地址翻译技术又破坏了互联网点到点的直通性，同时也让NAT44转换设备成为互联网的瓶颈，导致网络服务质量不高等问题，迫使我们需要尽快采用下一代互联网IPv6技术。IPv6的显著特点在于它能提供海量的地址空间。IPv6地址长度为128位，具有340兆兆兆个可用的IP地址，足够为地球上的每一粒沙子分配一个IPv6地址。尽管IPv6有优于IPv4的技术特点，但由于IPv4在全世界广泛的应用，在短时间内也不会马上被弃用，从IPv4向IPv6的过渡需要一个相当长的过程。因此，在这个期间内必须保证IPv4和IPv6具有互操作性。
在IPv4向IPv6过渡的各种技术中，隧道技术是其中的一种重要技术手段，在服务商提供IPv6主干及其服务之前，端对端的IPv6服务需要通过IPv4网建立隧道，将IPv6包封装于IPv4包的负载部分，在隧道的另一端的节点处再将IPv6包从IPv4包中剥离出来并送往目的节点。其本质是将IPv6包封装到IPv4包中，并通过IPv4网络进行传输。根据隧道端点(入口点和出口点)的不同，隧道可以包括各种路由器与主机的组合，有三种可能存在的应用场景：
第一种是主机到主机。孤立的双栈主机被纯IPv4网络所隔离，主机作为隧道端点负责创建在两台主机间传输IPv6包的隧道；
第二种是主机到路由器。隧道一端是双栈主机，另一端是双栈路由器。路由器通过IPv6网络发送和接收纯IPv6包，与主机进行通信时，会将IPv6包封装到IPv4包中并通过隧道传输，主机则接受并处理IPv6包；
第三种是路由器到路由器。隧道端点都是双栈路由器，双栈路由器之间创建隧道来互连IPv6网络孤岛。
本发明主要针对第二种主机到路由器的应用场景，目前此类应用场景中，通常需要对CE端的设备进行工配置IPv6地址，IPv6地址的配置和维护工作较为繁琐，尤其当某些网络层参数改变时，如网络的大规模重建而引起的IP地址和子网掩码的更改时，需要昂贵的配置花费，也需要大量的时间对网络重新配置
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置及其方法。本发明提出了一种IPv6隧道服务器对CE端设备地址的自动分发调度方法，能够对基于IPv6隧道的IPv6完整域中的CE侧设备IPv6地址进行动态分发和调度。使用这种方法CE端所有设备不需手工配置IPv6地址，服务器能够动态地为CE端IPv6网络中的设备提供IPv6地址，避免网络上设备地址的冲突，同时也不用给CE端任何服务器及终端设备维护静态IPv6地址，简化了网络对IPv6地址的配置和维护工作。尤其是当某些网络层参数改变时，如网络的大规模重建而引起的IP地址和子网掩码的更改时，能大大减少配置花费的开销和网络重新配置的时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置，包括IPv6隧道服务器、CE侧边缘路由器和客户端设备，所述IPv6隧道服务器第一输入端与CE侧边缘路由器的第一输出端连接，IPv6隧道服务器第一输出端与CE侧边缘路由器的第一输入端连接，所述CE侧边缘路由器的第二输入端与客户端设备的输出端连接，所述IPv6隧道服务器的第二输出端连接至IPv6网络。
较佳的，所述IPv6隧道服务器包括隧道连接管理模块以及与其相连的IPv6地址调度分发模块。其中隧道连接管理模块负责接受CE端路由器连接建立请求和动态建立连接状态，CE端路由器内部随机生成接口MAC地址信息用于建立连接请求，根据CE端路由隧道建立请求包中的随机MAC地址，结合IPv6隧道服务器给CE侧路由器分配的IPv6接口IPv6地址前缀，自动生成CE侧路由器IPv6隧道接口/128的IPv6接口地址；IPv6地址调度分发模块根据CE侧路由器的IPv6 over IPv4隧道接口IPv6地址，自动下发IPv6 Prefix Delegation，并动态维护Prefix Delegation的有效状态。
本发明提供了一种基于以上装置实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的方法，本方法包括以下步骤：
步骤一：CE侧边缘路由器与IPv6隧道服务器间建立隧道，IPv6隧道服务器中的服务器地址调度模块根据CE侧边缘路由器的内部生成的随机MAC地址和IPv6隧道服务器用于分配CE侧边缘路由器的IPv6地址前缀长度构造路由器/128端口地址；
步骤二：IPv6隧道服务器发送/128端口地址给CE侧边缘路由器；
步骤三：CE侧边缘路由器通过/128端口给IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀申请；
步骤四：IPv6隧道服务器的地址调度模块通过CE侧边缘路由器端口地址和可用地址列表构造客户端地址前缀；
步骤五：IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀给CE侧边缘路由器；
步骤六：CE侧边缘路由器接收地址前缀并配置给各个客户端设备；
步骤七：客户端设备用多播地址发送地址请求到本地网络；
步骤八：本地路由器根据获得的地址前缀和可用/64地址后缀列表构造客户端/64地址；
步骤九：本地路由器响应客户端地址请求，发送/64地址给客户端设备；
步骤十：客户端设备进行本地地址配置，在规定的时间内绑定该地址，超出时间后该地址失效，路由器释放该地址，客户端设备重新向本地路由器进行地址请求。
较佳的，步骤五中，IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀给CE侧边缘路由器后，定期检测CE侧边缘路由器是否在线；如在线，则继续维持该/128单播接口地址及其本地路由器；如连续失败3次，则释放该路由接口的单播地址和路由，并更新IPv6隧道服务器可用地址列表。
较佳的，步骤六中，CE侧边缘路由器接收地址前缀后，定期检查以该地址前缀为源的网关与IPv6隧道服务器的连通性，如连通正常，则CE侧边缘路由器继续维持该/64地址前缀和本地路由器；如连续丢包5次，则释放该地址前缀和相关本地路由，并重新向IPv6隧道服务器发出下级客户端设备地址前缀的请求。
本发明的有益效果是：本发明能够对基于IPv6隧道的IPv6完整域中的CE侧设备IPv6地址进行动态分发和调度；CE端所有设备不需手工配置IPv6地址，服务器能够动态地为CE端IPv6网络中的设备分发IPv6地址，避免网络上设备地址的冲突，同时也不用给CE端任何服务器及终端设备维护静态IPv6地址，简化了网络对IPv6地址的配置和维护工作。尤其是当某些网络层参数改变时，如网络的大规模重建而引起的IP地址和子网掩码的更改时，能大大减少配置开销和网络重新配置的时间。
附图说明
图1是IPv6隧道服务器对CE侧边缘路由器端口IPv6地址的调度流程图；
图2是CE侧边缘路由器对客户端设备的IPv6地址的调度流程图；
图3是一种实现IPv6隧道服务器对客户端设备IPv6地址动态分发方法示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
包括IPv6隧道服务器、CE侧边缘路由器和客户端设备，所述IPv6隧道服务器第一输入端与CE侧边缘路由器的第一输出端连接，IPv6隧道服务器第一输出端与CE侧边缘路由器的第一输入端连接，所述CE侧边缘路由器的第二输入端与客户端设备的输出端连接，所述IPv6隧道服务器的第二输出端连接至IPv6网络。IPv6隧道服务器包括隧道连接管理模块以及与其相连的IPv6地址调度分发模块。
CE侧边缘路由器是位于用户侧的双栈设备，面向客户端设备提供IPv6动态连接；CE侧边缘路由器在网络侧通过隧道技术在IPv4网络上建立与IPv6隧道服务器的IPv6隧道，完成对用户IPv6报文的收发和转发。
客户端设备与CE侧边缘路由器构成用户侧的IPv6网络连接，CE侧边缘路由器经由IPv6隧道通过IPv4网络与IPv6隧道服务器连接，完成由IPv6隧道服务器到客户端的完整IPv6路由。
IPv6地址是由128位二进制数组成，分为8个16位的块。每个块转换成由冒号分隔的4位十六进制数。IPv6地址与IPv4的分类方法不一样，它主要是通过其地址前缀来划分其传输类型的，决定这些IP地址类型的“地址前缀”(Format Prefix，FP)就是在地址的最前面那段数字。当然也属于128位地址空间范围之中，通过不同的地址前缀来代表不同的地址类型。
地址前缀共分为3种：单播地址(Unicast Address)：用来标识单一网络接口。目标地址是单播地址的数据包将发送给以这个地址标识的网络接口。任播地址(AnycastAddress)：用来标识一组网络接口(通常属于不同的节点)。目标地址是任播地址的数据包将发送给其中路由意义上最近的一个网络接口。多播地址(Multicast Address)：用来标识一组网络接口的标识(通常属于不同的节点)。发送到多播地址的数据包发送给本组中所有的网络接口。在IPv6中没有IPv4中的广播地址(Broadcast Address)，用多播地址取代。
如图1所示，
IPv6隧道服务器主要完成以下流程：
1、IPv6隧道服务器对每个路由器接口随机分配/128单播接口地址；
2、在收到CE侧边缘路由器接口的下级地址前缀请求后，从可用地址列表中分配该接口的/64地址前缀并发送给该路由器接口，同时调度***配置本地IPv6路由，指向该CE侧边缘路由器；
3、调度***定期检测CE侧边缘路由器是否在线。如在线，则继续维持该/128单播接口地址及其路由。
4、如果检测CE侧边缘路由器不在线，且连续发生3次，则释放该路由接口的单播地址和路由，并更新IPv6隧道服务器可用地址列表。
CE侧边缘路由器完成以下流程：
1、CE侧边缘路由器在接收到IPv6隧道服务器分配的/128单播接口地址后，向IPv6隧道服务器上报接口地址并请求下一级客户端/64地址前缀；
2、在接收到IPv6隧道服务器分配的/64地址前缀后，CE侧边缘路由器配置本地IPv6路由，将所有以该地址前缀为源的IPv6包统一转发到该路由器的IPv6接口；
3、CE侧边缘路由器定期检查以该地址前缀为源的网关与IPv6隧道服务器的连通性，如连通正常，则路由器继续维持该/64地址前缀和路由；
4、如果连通不正常，且连续丢包5次，则释放该地址前缀和相关路由，并重新向服务器发出下级客户端地址前缀的请求。
如图2所示，
CE侧边缘路由器完成以下流程：
1、CE侧边缘路由器向连接的下级客户端节点多播路由器接口地址。
2、在收到客户端设备的IPv6地址请求后，基于其从IPv6隧道服务器获取的/64地址前缀和路由器自身维护的/64可用地址后缀，构造客户端接口IPv6单播地址并配置本地路由；
3、在规定的时间内(12小时)CE侧边缘路由器维持该客户端设备IPv6地址不变，超过规定时效后路由器释放该地址，客户端设备需重新向CE侧边缘路由器申请IPv6地址。
客户端设备需要完成以下流程：
1、客户端设备在收到CE侧边缘路由器接口地址后，向CE侧边缘路由器发送其IPv6地址请求；
2、在获取CE侧边缘路由器构造的/128单播IPv6地址后，进行客户端地址配置，并在规定的时效内(12小时)保持该地址不变；
3、超过规定时效后，客户端设备停用该IPv6地址，并重新向CE侧边缘路由器进行地址申请。
IPv6隧道服务器对客户端地址动态下发的完整过程如下：
用户侧的CE侧边缘路由器端口与IPv6隧道服务器通过IPv4网络建立起IPv6隧道后，IPv6隧道服务器随机给CE侧边缘路由器端口分配IPv6/128接口地址；基于这个IPv6接口，CE侧边缘路由器的下级客户端设备IPv6地址前缀由IPv6隧道服务器动态分发；过程如下：
CE侧边缘路由器首先给IPv6隧道服务器发送申请IPv6地址前缀的请求。IPv6隧道服务器收到请求后，从动态地址列表中分配一个IPv6/64地址前缀给该接口，并通过隧道发送到该接口。同时，IPv6隧道服务器配置本地IPv6路由，将该地址前缀指向该路由器接口。CE侧边缘路由器在收到IPv6/64地址前缀后，对本地IPv6路由进行配置，将所有以该地址前缀为源的IPv6包统一转发到该路由器接口上。至此，IPv6隧道服务器完成通过IPv6隧道对CE侧边缘路由器及其下级客户端IPv6地址前缀动态分配的过程。完成这个过程后，IPv6隧道服务器会定期检测该CE侧边缘路由器是否在线，如果连续3次检测到不在线，IPv6隧道服务器将释放该接口的路由和地址空间，并更新可用地址列表。同时，在CE侧边缘路由器端也会定期检查以地址前缀为源的网关与IPv6隧道服务器的连通性，如果连续发生丢包5次，则释放该地址前缀和相关路由，并重新向CE侧边缘路由器发出下级地址前缀的请求。
另一方面，当CE侧边缘路由器接收到IPv6隧道服务器分配的IPv6地址前缀后，将对本地路由进行配置，并向其所连接的所有客户端设备多播其接口地址。客户端设备在收到CE侧边缘路由器的接口地址后，发送其IPv6地址的申请，请求CE侧边缘路由器分配/128单播IPv6地址给该设备端口。CE侧边缘路由器在接收到客户端设备的地址请求后，根据IPv6隧道服务器所分配的IPv6/64地址前缀构造客户端设备的IPv6/128地址，并分配给该客户端设备。客户端在收到分配的IPv6/128地址后，进行本地地址配置，并在规定的时间内绑定该地址，超出时间后该地址失效，CE侧边缘路由器释放该地址，客户端设备需重新向CE侧边缘路由器进行地址请求和地址配置。
如图3表示出了一种实现IPv6隧道服务器对客户端设备IPv6地址动态分发的方法。在该组网环境中，边缘路由设备和IPv6隧道服务器主机均开启了OpenVPN功能，CE侧边缘路由器和IPv6隧道服务器主机均为双栈设备，CE侧边缘路由器和IPv6隧道服务器之前建立有OpenVPN隧道，即IPv6-over-IPv4隧道。
CE侧边缘路由器和IPv6隧道服务器主机开启IPv6隧道功能时，网络提供商(Internet Service Provider)给IPv6隧道服务器和CE侧边缘路由器分配IPv4地址和IPv6隧道参数，其中包括：IPv6通用前缀长度、IPv6通用后缀长度、IPv6多播地址前缀。其中，IPv6隧道服务器会根据IPv6通用前缀和CE侧边缘路由器的IPv4地址计算构成路由器端口IPv6/128地址，以及其下级客户端IPv6地址前缀。(该前缀中内嵌有路由器设备的IPv4地址)，CE侧边缘路由器在为客户端分配IPv6地址时，使用该地址前缀。
图3所示的方法应用于IPv6隧道服务器、CE侧边缘路由器和客户端设备上，参照图3，所述方法可以包括如下步骤：
步骤一：CE侧边缘路由器与IPv6隧道服务器间建立隧道，IPv6隧道服务器中的服务器地址调度模块根据CE侧边缘路由器的内部生成的随机MAC地址和IPv6隧道服务器用于分配CE侧边缘路由器的IPv6地址前缀长度构造路由器/128端口地址；
步骤二：IPv6隧道服务器发送/128端口地址给CE侧边缘路由器；
步骤三：CE侧边缘路由器通过/128端口给IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀申请；
步骤四：IPv6隧道服务器的地址调度模块通过CE侧边缘路由器端口地址和可用地址列表构造客户端地址前缀；
步骤五：IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀给CE侧边缘路由器；
步骤六：CE侧边缘路由器接收地址前缀并配置给各个客户端设备；
步骤七：客户端设备用多播地址发送地址请求到本地网络；
步骤八：本地路由器根据获得的地址前缀和可用/64地址后缀列表构造客户端/64地址；
步骤九：本地路由器响应客户端地址请求，发送/64地址给客户端设备；
步骤十：客户端设备进行本地地址配置，在规定的时间内绑定该地址，超出时间后该地址失效，路由器释放该地址，客户端设备重新向本地路由器进行地址请求。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置，其特征在于：包括IPv6隧道服务器、CE侧边缘路由器和客户端设备，所述IPv6隧道服务器第一输入端与CE侧边缘路由器的第一输出端连接，IPv6隧道服务器第一输出端与CE侧边缘路由器的第一输入端连接，所述CE侧边缘路由器的第二输入端与客户端设备的输出端连接，所述IPv6隧道服务器的第二输出端连接至IPv6网络。
2.如权利要求1所述的一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置，其特征是：所述IPv6隧道服务器包括隧道连接管理模块以及与其相连的IPv6地址调度分发模块。
3.基于权利要求1所述的一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：CE侧边缘路由器与IPv6隧道服务器间建立隧道，IPv6隧道服务器中的服务器地址调度模块根据CE侧边缘路由器的内部生成的随机MAC地址和IPv6隧道服务器用于分配CE侧边缘路由器的IPv6地址前缀长度构造路由器/128端口地址；
步骤二：IPv6隧道服务器发送/128端口地址给CE侧边缘路由器；
步骤三：CE侧边缘路由器通过/128端口给IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀申请；
步骤四：IPv6隧道服务器的地址调度模块通过CE侧边缘路由器端口地址和可用地址列表构造客户端地址前缀；
步骤五：IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀给CE侧边缘路由器；
步骤六：CE侧边缘路由器接收地址前缀并配置给各个客户端设备；
步骤七：客户端设备用多播地址发送地址请求到本地网络；
步骤八：本地路由器根据获得的地址前缀和可用/64地址后缀列表构造客户端/64地址；
步骤九：本地路由器响应客户端地址请求，发送/64地址给客户端设备；
步骤十：客户端设备进行本地地址配置，在规定的时间内绑定该地址，超出时间后该地址失效，路由器释放该地址，客户端设备重新向本地路由器进行地址请求。
4.如权利要求3所述的一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的实现方法，其特征是：步骤五中，IPv6隧道服务器发送客户端地址前缀给CE侧边缘路由器后，定期检测CE侧边缘路由器是否在线；如在线，则继续维持该/128单播接口地址及其本地路由器；如连续失败3次，则释放该路由接口的单播地址和路由，并更新IPv6隧道服务器可用地址列表。
5.如权利要求3所述的一种用于实现IPv6隧道对CE端地址自动调度的实现方法，其特征是：步骤六中，CE侧边缘路由器接收地址前缀后，定期检查以该地址前缀为源的网关与IPv6隧道服务器的连通性，如连通正常，则CE侧边缘路由器继续维持该/64地址前缀和本地路由器；如连续丢包5次，则释放该地址前缀和相关本地路由，并重新向IPv6隧道服务器发出下级客户端设备地址前缀的请求。
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