Linux下IPV4和IPV6的互操作性研究
2024-07-21 02:37:45
供稿：網(wǎng)友
作為向下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議過渡的重要步驟，國際的ipv6試驗(yàn)網(wǎng)--6bone在1996年成立了。現(xiàn)在，6bone已經(jīng)擴(kuò)展到全球50多個(gè)國家和地區(qū)，成為IPv6研究者、開發(fā)者和實(shí)踐者的主要平臺(tái)。CERNET國家網(wǎng)絡(luò)中心于1998年6月加入6bone，同年11月成為其骨干網(wǎng)成員。 電子科大作為教育網(wǎng)的西南主節(jié)點(diǎn)，在得到Nokia的IPv6路由器之后，積極參與IPv6技術(shù)研究，我們先查閱研究了大多數(shù)與IPv6有關(guān)的RFC文檔和相關(guān)技術(shù)資料，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。該文先簡(jiǎn)單闡述了IPV6的必要性和IPV4到IPV6升級(jí)轉(zhuǎn)換的機(jī)制，然后具體闡明了在linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行的IPv6網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)及其結(jié)論，并附有相關(guān)參考文獻(xiàn)書目。
一、使用IPv6的必要性
現(xiàn)在運(yùn)行的因特網(wǎng)協(xié)議IPv4存在其固有的局限性，一是地址問題，IPv4的地址只有32位，這意味著總的地址數(shù)大約是40億，并且還有許多地址是不可用的。按照目前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，到2005和2015年之間IPv4的地址就會(huì)耗盡，必須用另一種地址方案來替代它，二是IPv4提供的服務(wù)局限性，IPv4盡它的最大努力來傳送信息包，但是它不會(huì)保證提供給上層的服務(wù)是可靠的，沒有QoS（服務(wù)質(zhì)量）的概念。這些問題都是IPv4的薄弱環(huán)節(jié)，致命弱點(diǎn)，另外因特網(wǎng)不斷提出對(duì)移動(dòng)性、安全性以及多媒體業(yè)務(wù)的支持等問題，IPv4都無法解決，這樣就迫使我們必須引入下一帶因特網(wǎng)協(xié)議--IPv6。
二、IPv4和IPv6的互操作
要將現(xiàn)在的IPV4網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到IPV6網(wǎng)絡(luò)，不可能所有的機(jī)器在同時(shí)啟用IPV6協(xié)議棧，配置好IPV6地址，安裝好IPV6應(yīng)用程序，所以必須實(shí)現(xiàn)IPV4網(wǎng)絡(luò)與IPV6網(wǎng)絡(luò)之間的互操作及平滑升級(jí)機(jī)制。IPv4到IPv6的升級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)制的首要條件是答應(yīng)IPv6和IPv4主機(jī)互操作；其次是在相互依靠性很小的情況下使IPv6的主機(jī)和路由器能在因特網(wǎng)中快速發(fā)展；第三是轉(zhuǎn)換對(duì)端用戶，系統(tǒng)治理員和網(wǎng)絡(luò)實(shí)施者來說易于理解和執(zhí)行。IPv6轉(zhuǎn)換機(jī)制是一套主機(jī)和路由器執(zhí)行的協(xié)議機(jī)制，有一套定址和配置的操作指導(dǎo)方案，盡可能減少轉(zhuǎn)換過程中造成的破壞。IPv6轉(zhuǎn)換機(jī)制的主要目標(biāo)如下：
· 可增加的升級(jí)和擴(kuò)展性:單個(gè)IPv4的主機(jī)和路由器可在不需要其它的主機(jī)和路由器同時(shí)升級(jí)的情況下單獨(dú)升級(jí)成IPv6，新的IPv6主機(jī)和路由器可以后再一臺(tái)臺(tái)的安裝成IPv6。
·最小的升級(jí)依靠性。將主機(jī)升級(jí)成IPv6的唯一先決條件是域名服務(wù)器必須先升級(jí)以處理IPv6地址記錄。
·方便的尋址。當(dāng)IPv4的主機(jī)和路由器升級(jí)到IPv6后，他們必須繼續(xù)用原來的地址。他們不需要指定新的地址。治理者不需制定新的地址分配方案。
·很低的啟動(dòng)開銷。將IPv4系統(tǒng)升級(jí)成IPv6很少或幾乎不需要預(yù)備工作。
IPv6轉(zhuǎn)換機(jī)制確保IPv6主機(jī)能和任何因特網(wǎng)上的IPv4通信，直到IPv4被淘汰，并在那時(shí)答應(yīng)在小范圍內(nèi)互相通信。這個(gè)特征保護(hù)了用戶已經(jīng)在IPv4上的巨大投入并使得IPv6不會(huì)將IPv4孤立。
基于以上原因，IPv4主機(jī)和路由器上與Ipv6主機(jī)和路由器現(xiàn)在廣泛采用了如下兩種互操作的機(jī)制：隧道技術(shù)和雙IP協(xié)議棧技術(shù)。
A．隧道技術(shù)：
隧道提供了一種利用IPv4路由基礎(chǔ)上傳輸IPv6包的方法。隧道應(yīng)用于下面幾種應(yīng)用中：路由器到路由器、主機(jī)到路由器、主機(jī)到主機(jī)和路由器到主機(jī)。
路由器到路由器和主機(jī)到路由器隧道技術(shù)都是將IPv6包傳到路由器，隧道的終點(diǎn)是中間路由器，必須將IPv6包解出，并且轉(zhuǎn)發(fā)到它的目的地。隧道終點(diǎn)的地址必須由配置隧道節(jié)點(diǎn)的配置信息獲得，這種類型的隧道稱作人工配置隧道。
當(dāng)利用隧道到達(dá)IPv6的主干網(wǎng)時(shí)，假如一個(gè)在IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)邊界的IPv4/IPv6路由器的IPv4地址已知時(shí)，那么隧道的端點(diǎn)可以配置為這個(gè)路由器。這個(gè)隧道的配置可以被寫進(jìn)路由表中作為"缺省路由"。這就是說所有IPv6目的地址符合此路由的都可以使用這條隧道，這種隧道就是默認(rèn)配置的隧道。
主機(jī)到主機(jī)和路由器到主機(jī)隧道技術(shù)都是將IPv6包傳到主機(jī)的，可以用IPv6包的信息獲得終點(diǎn)地址。隧道入口創(chuàng)建一個(gè)IPv4封裝頭并傳送包，隧道出口解包，去掉IPv4頭，更新IPv6頭，處理IPv6包。隧道入口節(jié)點(diǎn)需要保存隧道信息如MTU等。假如用于目的節(jié)點(diǎn)的IPv6地址是與IPv4兼容的地址，隧道的IPv4地址可以自動(dòng)從IPv6地址繼續(xù)下來，因此也就不需要人工配置。這種隧道也就稱為自動(dòng)隧道。
IPv4兼容的IPv6地址格式如下：
B．雙IP協(xié)議棧方式
雙協(xié)議棧方式包括提供IPv6和IPv4協(xié)議棧的主機(jī)和路由器。雙協(xié)議棧工作方式的簡(jiǎn)單描述如下：
·假如應(yīng)用程序使用的目的地址是IPv4地址，那么將使用IPv4協(xié)議棧；
·假如應(yīng)用程序使用的目的地址是兼容IPv4的IPv6地址，那么IPv6就封裝到IPv4中；
·假如目的地址是另一種類型的IPv6地址，那么就使用IPv6地址，可能封裝在默認(rèn)配置的隧道中。
雙協(xié)議棧的缺省IP包發(fā)送算法為：
a. 假如IP包的目的地址是IPv4地址：
假如目的站點(diǎn)在可達(dá)鏈路上，直接發(fā)送；
假如目的站點(diǎn)不可達(dá)，要么送往在線路由器，要么不可達(dá)。
b. 假如IP包的目的地址是IPv4兼容的IPv6地址：
假如目的站點(diǎn)在可達(dá)鏈路上，直接發(fā)送IPv6包；
假如目的站點(diǎn)處于off-link，（1）假如有可達(dá)IPv4路由器，則封裝在IPv4包中發(fā)往IPv4路由器；（2）假如有可達(dá)IPv6路由器，則不封裝，直接發(fā)送；（3）假如沒有可達(dá)路由器，則不可達(dá)。
c. 假如IP包的目的地址是純IPv6地址：
假如目的站點(diǎn)在 可達(dá)鏈路上，直接發(fā)送IPv6包；
假如目的站點(diǎn)處于off-link，（1）假如有可達(dá)IPv6路由器，則直接發(fā)送到路由器；（2假如目的地通過手動(dòng)隧道可達(dá)，并且鏈路上有可達(dá)IPv4路由器，則封裝成IPv4包，目的IP地址為隧道終點(diǎn)地址，鏈路地址為可達(dá)路由器的鏈路地址。（3）否則為不可達(dá)。
d. 在線/離線的確定
IPv4使用子網(wǎng)掩碼確定，IPv6使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議。兩者共同使用的是：假如目的地址是IPv4地址，則使用 RFC1122比較兩者的掩碼；假如目的地址是IPv4兼容的IPv6地址，則使用低32位目的地址的子網(wǎng)掩碼比較；假如是 IPv6純地址，則使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議。
三、Linux下IPv6網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)
我們?cè)谘芯苛舜罅縄Pv6協(xié)議（主要的IPv6 RFC文檔）之后，進(jìn)行了一系列的IPv6研究實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)具體敘述如下：
1．Pv6研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇
在國內(nèi)有幾所大學(xué)已經(jīng)或正在進(jìn)行IPv6實(shí)驗(yàn)研究，并且建立了CERNET IPv6實(shí)驗(yàn)床，我們?cè)谂cCERNET IPv6實(shí)驗(yàn)床的老師和同學(xué)取得聯(lián)系并進(jìn)行了交流，實(shí)驗(yàn)床網(wǎng)絡(luò)中心最初的組網(wǎng)是通過主機(jī)配置FreeBSD來完成的，1998年開始用的是FreeBSD2.2.8，現(xiàn)在是FreeBSD3.2，3.4，4.0都有，此外有些科研人員也開始采用linux進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，路由器現(xiàn)在采用的是Nokia的IP650，還有FreeBSD+Mrtd的主機(jī)。電子科大作為教育網(wǎng)西南地區(qū)的主節(jié)點(diǎn)，也得到了Nokia捐贈(zèng)的IPv6路由器。在此基礎(chǔ)之上，我們通過分析比較研究各種操作系統(tǒng)，最后選定用linux作為IPv6主機(jī)和路由器研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具體原因如下：
A． Linux作為開放的操作系統(tǒng)，其原代碼完全公開，具有很強(qiáng)的靈活性，現(xiàn)在有很多自由軟件聯(lián)盟為Linux免費(fèi)開發(fā)如件，故Linux具有很強(qiáng)的生命力和活力，而其他大部分由個(gè)別公司開發(fā)的操作系統(tǒng)，一方面原代碼不公開，無法根據(jù)自己的要求修改內(nèi)核，其公司的發(fā)展的興衰，很大程度上影響該操作系統(tǒng)的發(fā)展。
B． Linux操作系統(tǒng)很先進(jìn)，一直跟蹤關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用Linux組建Internet網(wǎng)絡(luò)，建立網(wǎng)站，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)研究，都是很好的選擇。并且其內(nèi)核從2.2.0開始，就已經(jīng)開始支持IPv6技術(shù)了，這等于就為我們提供了IPv6協(xié)議棧原代碼， 我們可以利用其共享代碼做IPv6的研究開發(fā)。
2．Linux主機(jī)IPv6協(xié)議支持技術(shù)研究
在選定了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之后，我們就著手進(jìn)行一系列的IPv6實(shí)驗(yàn)，主要針對(duì)在已大量安裝了IPv4的主機(jī)和路由器情況下，如何成功地兼容地升級(jí)到IPv6，如何運(yùn)用在IPv6主機(jī)和路由器上，與Ipv4主機(jī)和路由器成功互操作，以及如何建立配置IPv6主機(jī)和路由器。在進(jìn)行IPv6實(shí)驗(yàn)之前，我們根據(jù)網(wǎng)上查詢資料及對(duì)Linux內(nèi)核分析，研究了如何建立IPv6主機(jī)，包括安裝協(xié)議棧，網(wǎng)絡(luò)工具及網(wǎng)絡(luò)程序，現(xiàn)以Redhat 6.1 Linux為例，具體說明其具體步驟如下：
A．支持IPv6協(xié)議的新內(nèi)核的編譯
要讓操作系統(tǒng)支持IPv6，就要安裝IPv6協(xié)議棧，Redhat6.1的內(nèi)核為2.2.12版本，可支持IPv6，但是安裝缺省不支持，由于協(xié)議棧在操作系統(tǒng)中是處于核心地位的，必須重新編譯新的內(nèi)核才能安裝上新的協(xié)議棧，其具體步驟如下：
1)以root身份登陸，進(jìn)入源碼所在的目錄：cd /usr/src/linux
2)運(yùn)行 make clean，清除一些可能過期的中間代碼。
3) 然后配置內(nèi)核選項(xiàng)：make menUConfig 或者 make xmenuconfig運(yùn)行make menuconfig后，將下面的支持IPv6的選項(xiàng)選上，其他內(nèi)核選項(xiàng)請(qǐng)根據(jù)系統(tǒng)的具體情況作出符合系統(tǒng)的選擇。
Code maturity level options
PRompt for development and/or incomplete code/drivers Yes.
Networking options
Packet socket yes
Unix domain sockets yes
TCP/IP networking yes
The IPv6 protocol yes
IPv6: enable EUI-64 token format yes
IPv6: disable provider based address yes
File systems
/ procfilesy right">（出處：清風(fēng)軟件下載學(xué)院）
