王相林，朱 晨，沈清姿，陳國峰

（杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 杭州 310018）

1 引言

隨著人們對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其服務(wù)性能要求的提高，IPv4（internet protocol version 4）[1]顯現(xiàn)出許多難以克服的不足，IPv4向下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 IPv6（internet protocol version 6）[2～4]的過渡刻不容緩。由于IPv4向IPv6的過渡得經(jīng)歷一段相當(dāng)長的時(shí)間，所以在短時(shí)間內(nèi)Intranet不可能實(shí)現(xiàn)將所有資源轉(zhuǎn)移至IPv6，如何選取一種IPv6過渡策略，實(shí)現(xiàn)IPv4向IPv6的平滑過渡成為目前所必須面對的重要問題。2008年12月，李星教授團(tuán)隊(duì)提出了“基于無狀態(tài)地址映射的IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)——IVI”[5～7]，IVI翻譯機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)純IPv6節(jié)點(diǎn)與純IPv4節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，且具有高效的翻譯性能。本文的設(shè)計(jì)思路是基于Netfilter框架以擴(kuò)展模塊形式配合使用Xtables-addons插件，在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了IVI翻譯機(jī)制，并對其匹配模塊、目標(biāo)模塊兩大模塊的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并將其應(yīng)用于真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試，為Intranet設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種相對平滑的IPv6過渡方案。

2 IPv4向IPv6過渡技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

在IPv4網(wǎng)絡(luò)向IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡的時(shí)期，改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)架構(gòu)顯得很困難，而通過軟件形式來更新則顯得相對容易且更加實(shí)際。在這期間產(chǎn)生了多種過渡策略，IVI過渡策略就是其中重要的一種。

2.1 主要的過渡技術(shù)

（1）雙協(xié)議棧技術(shù)

雙協(xié)議棧（dual stack）技術(shù)[8]是主機(jī)在同一網(wǎng)絡(luò)接口上同時(shí)啟用IPv4與IPv6協(xié)議棧，并分別配置IPv4地址與IPv6地址，然后通過這兩套協(xié)議棧來各自訪問IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)數(shù)據(jù)分組屬于IPv4網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就走IPv4協(xié)議棧流程，而當(dāng)數(shù)據(jù)分組是IPv6網(wǎng)絡(luò)時(shí)，則通過IPv6協(xié)議棧，兩種協(xié)議同時(shí)存在，互不影響[9,10]。

（2）隧道技術(shù)

隧道技術(shù)[11]是一種利用現(xiàn)有IPv4網(wǎng)絡(luò)來傳遞IPv6數(shù)據(jù)分組的技術(shù)[12～14]，它通過將IPv6數(shù)據(jù)分組封裝在IPv4數(shù)據(jù)分組中，配合雙棧技術(shù)穿越IPv4網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)IPv6接入；同樣，IPv4數(shù)據(jù)分組也可以封裝在IPv6數(shù)據(jù)分組中，然后穿越IPv6網(wǎng)絡(luò)完成IPv4接入。

（3）翻譯技術(shù)

翻譯技術(shù)不同于雙棧技術(shù)與隧道技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6的直接通信。目前主要的翻譯技術(shù)包括：SIIT（無狀態(tài)IP/ICMP翻譯技術(shù)）、NAT-PT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯與協(xié)議翻譯技術(shù)）和IVI翻譯技術(shù)。

2.2 IVI翻譯機(jī)制的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

IVI翻譯機(jī)制是在對SIIT技術(shù)與NAT技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后產(chǎn)生的方案，它是一種無狀態(tài)地完成N到N映射的NAT機(jī)制（這里的N為特定IPv4子網(wǎng)與IPv6子網(wǎng)的規(guī)模），主要用于完成IPv4和IPv6之間的相互翻譯。

IVI機(jī)制的主要思路是在尚未被分配出去的全球IPv4中取出一部分與IPv6地址中特定的一部分 （稱為IVI6地址）進(jìn)行一一映射，在這個(gè)范圍內(nèi)的每一個(gè)IPv4地址都有一個(gè)對應(yīng)的IPv6地址，使用這部分地址的用戶既可以訪問IPv4資源又能訪問IPv6資源，具有很大的優(yōu)越性。隨著IPv6資源的不斷補(bǔ)充與豐富，必將吸引更多的用戶放棄原來已占有的IPv4地址而加入到IVI6地址的隊(duì)伍中去，被釋放出的這部分IPv4地址又經(jīng)過IVI算法映射被吸引到IVI6地址中，隨著IVI6地址的不斷擴(kuò)大，當(dāng)IVI6地址達(dá)到全球IPv4的規(guī)模時(shí)，就完成過渡。

IVI機(jī)制的出現(xiàn)源自于我國的CERNET（China education and research network）。起初，這只是一個(gè)單純的想法，主要目的是希望能提供出一種新的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換算法用來代替已被廢棄的NAT-PT（network address translation-protocol translation）技術(shù)，這種新的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換算法必須是無狀態(tài)的，這可以用于克服網(wǎng)絡(luò)規(guī)模無法擴(kuò)大的問題，同時(shí)還要求必須能完成端到端的透明通信。

IVI的命名來源于羅馬字符，是字符4（Ⅳ）和字符6（Ⅵ）的一個(gè)結(jié)合體。CERNET在定義IVI策略時(shí)，制定了一系列其需要遵守的原則，具體如下：

·必須同時(shí)支持由IPv6側(cè)或IPv4側(cè)發(fā)起的通信；

·必須沿用目前已存在的IPv4以及IPv6的路由系統(tǒng)，無需增加全球路由表的規(guī)模；

·必須能滿足大規(guī)模部署的需求；

·由于IPv4地址非常緊缺，所以它必須有效地使用IPv4地址；

·必須是無狀態(tài)的，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷升級(jí)；

·翻譯網(wǎng)關(guān)必須與DNS功能相分離。

IVI地址由 40位 LIR（local internet registry，本地互聯(lián)網(wǎng)注冊處）前綴、32位IPv4嵌入地址以及全零3部分構(gòu)成，IVI地址構(gòu)成如圖1所示。

IVI機(jī)制必須置于Linux系統(tǒng)內(nèi)核中才能得以實(shí)現(xiàn)，每一臺(tái)裝載并啟用IVI機(jī)制的Linux主機(jī)即成為一個(gè)IVI網(wǎng)關(guān)。IVI機(jī)制在內(nèi)核中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 基于Netfilter框架IVI擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文的設(shè)計(jì)思路是通過向Netfilter框架添加IVI擴(kuò)展模塊的形式實(shí)現(xiàn)IVI網(wǎng)關(guān)，添加方法采用了Xtables-addons插件技術(shù)。IVI擴(kuò)展模塊主要包括以下幾個(gè)部分：IVI匹配模塊、IVI目標(biāo)模塊以及這兩個(gè)模塊的頭文件等。其中IVI匹配模塊細(xì)分為IVI用戶空間匹配模塊（模塊文件命名為libxt_ivimt.c）和IVI內(nèi)核空間匹配模塊（模塊文件命名為xt_ivimt.c）。IVI目標(biāo)模塊則類似地分為IVI用戶空間目標(biāo)模塊 （模塊文件命名為libxt_ivitg.c）和IVI內(nèi)核空間目標(biāo)模塊（模塊文件命名為xt_ivitg.c）。其中兩個(gè)用戶空間模塊主要作為用戶接口實(shí)現(xiàn)內(nèi)核與用戶的交互，用于提取用戶輸入的參數(shù)、選項(xiàng)等數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行檢測，然后以合理的形式傳給相應(yīng)的內(nèi)核空間模塊去處理，而兩個(gè)內(nèi)核空間模塊用于接收來自用戶空間模塊傳入的信息，然后在內(nèi)核中調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行匹配與目標(biāo)處理。IVI擴(kuò)展模塊整體框架如圖3所示。

3.1 Netfilter擴(kuò)展模塊機(jī)制

新一代Linux內(nèi)核防火墻Netflter/IPtables的開放框架給了開發(fā)者在內(nèi)核中添加擴(kuò)展模塊的可能性[15～18]。要完成所需添加的擴(kuò)展模塊，首先必須寫出一個(gè)內(nèi)核模塊然后注冊到這個(gè)框架中去。同時(shí)根據(jù)新特性的不同類別，還要寫出一個(gè)IPtables用戶空間模塊。通過擴(kuò)展模塊的功能實(shí)現(xiàn)，可以對一個(gè)特定的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行匹配、丟棄、追蹤或接收，也可以對一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行整合。

原先對Netfilter進(jìn)行模塊擴(kuò)展時(shí)最常用的方法是patch-o-matic[19]，這種方法是將內(nèi)核擴(kuò)展模塊以打補(bǔ)丁形式置于內(nèi)核，然后對內(nèi)核進(jìn)行重新編譯來完成擴(kuò)展模塊的添加，由于操作費(fèi)時(shí)繁瑣，且極易出錯(cuò)，目前這種方法已經(jīng)過時(shí)。最新的方法則是采用Xtables-addons這一強(qiáng)大的插件來完成，使用這種方法主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）操作簡單高效

由于該插件是置于內(nèi)核外編譯的，用戶只需將編寫好的擴(kuò)展模塊文件置于該框架中，并在配置文件中添加幾行配置信息，然后對其進(jìn)行重新編譯安裝，整個(gè)過程中無需重啟電腦或者進(jìn)行內(nèi)核模塊加載就可以完成對擴(kuò)展模塊的編譯與安裝。

（2）通用性強(qiáng)

Xtables-addons提供了一組可以與內(nèi)核相融的代碼，相融代碼其實(shí)就是一大串定義集，它們可以將在原開發(fā)平臺(tái)使用的功能函數(shù)進(jìn)行修改并使其映射到當(dāng)前正在使用的內(nèi)核中。例如，當(dāng)前內(nèi)核版本為2.6.24，開發(fā)者使用了內(nèi)核版本為2.6.18的功能函數(shù)，通過融合代碼就可以實(shí)現(xiàn)將老版本的功能函數(shù)映射到新版本內(nèi)核中正常使用，這樣就屏蔽了底層內(nèi)核平臺(tái)的差異。

陰離子聚合被廣泛用在聚合物的合成過程,一般用強(qiáng)堿(KOH或n-BuONa)作為引發(fā)劑.一般情況下,大位阻基團(tuán)取代的環(huán)氧化合物通過聚合得到的聚合物其分子量低,主要是由于剛性大位阻基團(tuán)阻礙了鏈增長.對于環(huán)氧化合物而言,陰離子引發(fā)是很好的聚合方式,適當(dāng)改變條件可以得到較高聚合度的聚醚.

3.2 IVI用戶空間匹配模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

IVI用戶空間匹配模塊主要接收從用戶空間傳入的關(guān)于匹配信息的選項(xiàng)及參數(shù)，該模塊工作流程如圖4（a）所示，主要實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體包括以下幾部分。

·struct xtables_match：匹配模塊的主體結(jié)構(gòu)體，里面注冊了多個(gè)功能函數(shù)。

·ivimt_mt4(6)_opts：用于對該模塊中匹配區(qū)域的選項(xiàng)進(jìn)行可選項(xiàng)設(shè)置。

·ivimt_mt4(6)_parse函數(shù)：檢測輸入?yún)?shù)的正確性，并且寫入將共享給內(nèi)核空間程序的信息。

3.3 IVI內(nèi)核空間匹配模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶空間匹配模塊從命令行中獲得用戶輸入的選項(xiàng)及參數(shù)，然后復(fù)制到與內(nèi)核空間擴(kuò)展匹配模塊共享的數(shù)據(jù)區(qū)后，用戶空間匹配模塊的使命也就完成了，接下去的工作由內(nèi)核空間擴(kuò)展匹配模塊來完成。內(nèi)核空間擴(kuò)展匹配模塊主要完成的工作包括：

·接收每一個(gè)IP數(shù)據(jù)分組，然后察看匹配模塊相關(guān)的表；

·通知Netfilter匹配模塊是否匹配上了這個(gè)IP數(shù)據(jù)分組。

3.4 IVI用戶空間目標(biāo)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

IVI用戶空間目標(biāo)模塊與IVI用戶空間匹配模塊極為相似，不同的是，這一模塊接收的是用戶空間在目標(biāo)區(qū)域輸入的選項(xiàng)與參數(shù)，該模塊工作流程如圖5（a）所示。主要實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)體包括以下幾部分。

圖5 IVI目標(biāo)模塊工作流程

·struct xtables_target：目標(biāo)模塊的主體結(jié)構(gòu)體，里面注冊了多個(gè)目標(biāo)功能執(zhí)行函數(shù)。

·ivitg_tg4(6)_opts：用于對該模塊中目標(biāo)區(qū)域的選項(xiàng)進(jìn)行可選項(xiàng)設(shè)置。

·ivitg_tg4(6)_parse函數(shù)：檢測命令行中目標(biāo)區(qū)域輸入?yún)?shù)的正確性，并且寫入將共享給內(nèi)核空間程序的信息。

3.5 IVI內(nèi)核空間目標(biāo)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

IVI內(nèi)核空間目標(biāo)模塊是整個(gè)擴(kuò)展模塊中真正完成不同協(xié)議之間翻譯目標(biāo)動(dòng)作的模塊，也是最核心的模塊，它從用戶空間獲得用戶輸入的目標(biāo)動(dòng)作信息，執(zhí)行用戶的翻譯工作，包括地址翻譯和協(xié)議翻譯。內(nèi)核空間目標(biāo)模塊主要完成的工作如下。

（1）對已經(jīng)匹配上的 skb（sk_buff，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的控制結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)分組進(jìn)行合理性檢測，同時(shí)取出其網(wǎng)絡(luò)層首部。

（2）生成一個(gè)新的skb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)翻譯算法，將原skb里的字段值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的值，然后存放于新的skb結(jié)構(gòu)體中，翻譯工作主要在這一步完成。

（3）當(dāng)所有字段及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化拷貝結(jié)束以后，丟棄原有的skb結(jié)構(gòu)體進(jìn)行，釋放內(nèi)存，同時(shí)讓新的skb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常的協(xié)議棧，進(jìn)行再發(fā)送。

該模塊工作流程如圖5（b）所示。主要實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)包括：target函數(shù)（在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換及協(xié)議翻譯功能）；check函數(shù) （對用戶空間輸入信息進(jìn)行合法性檢查）；destroy函數(shù)（釋放動(dòng)態(tài)分配的資源）。

4 IVI網(wǎng)關(guān)實(shí)驗(yàn)測試

本文實(shí)驗(yàn)采用將202.115.8.0/24網(wǎng)段作為映射到IVI6網(wǎng)絡(luò)的IPv4地址段，同時(shí)將IVI6中的前綴規(guī)定為2001:250:6400::/40，IVI網(wǎng)關(guān)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。系統(tǒng)測試環(huán)境的搭建后，就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試工作，包括ICMP測試、DNS測試、HTTP測試等。

4.1 ICMP測試

（1）IPv6主機(jī)到IPv4主機(jī)的可達(dá)性測試

ICMP分為ICMPv4版本和ICMPv6版本，其中ping命令采用了ICMPv4協(xié)議，而ping6命令則采用ICMPv6協(xié)議。該部分測試可在IPv6實(shí)驗(yàn)網(wǎng)IVI6-PC2主機(jī)上，通過ping6命令來訪問IPv4實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的IVI4-PC1主機(jī)來完成，結(jié)果如圖 7（a）所示。

圖中收到了 I CMPv6回送回答（echo reply）報(bào)文說明IVI網(wǎng)關(guān)對IPv4數(shù)據(jù)分組和IPv6數(shù)據(jù)分組可以進(jìn)行正常轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)IPv6主機(jī)對IPv4主機(jī)的訪問。

（2）IPv4主機(jī)到IPv6主機(jī)的可達(dá)性測試

在測試IPv4主機(jī)到IPv6主機(jī)的可達(dá)性時(shí)，可通過在IPv4實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)IVI4-PC1主機(jī)上，使用ping命令來訪問IVI6-PC2的IPv4映射地址，結(jié)果如圖7（b）所示。

圖中收到了ICMPv4回送回答報(bào)文說明通過IVI網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)IPv4主機(jī)對IPv6主機(jī)的訪問。

（3）測試結(jié)果對比

圖 7（a）與圖 7（b）是在 IPv4 主 機(jī) IVI4-PC1 和 IPv6 主機(jī)IVI6-PC2之間兩個(gè)方向上的測試，即IPv4 ping IPv6與IPv6 ping6 IPv4，測試結(jié)果對比見表1。

表1 使用ping命令的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對比

由IPv4主機(jī)ping IPv6主機(jī)的平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是0.187 ms，而由IPv6主機(jī)ping6 IPv4主機(jī)的平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是0.189 ms。從測試的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，兩者網(wǎng)絡(luò)時(shí)延非常接近，幾乎相等，這是由于IVI策略對地址的翻譯是無狀態(tài)一一映射的，所以IVI網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)方向上的翻譯性能是相同的。

4.2 DNS測試

這部分測試主要是為了驗(yàn)證IVI-DNS對DNS報(bào)文轉(zhuǎn)換是否正常。測試方式為：在IPv6實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的IVI6-PC2主機(jī)上訪問IPv4實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的IVI4-PC1主機(jī)域名host4a.edu.cn，結(jié)果如圖8所示。

圖8是IPv6網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過域名ping IPv4網(wǎng)絡(luò)主機(jī)IVI4-PC1的過程。由于是通過域名進(jìn)行訪問的，所以首先就需要域名解析。主機(jī)IVI6-PC2首先利用ICMPv6去ping6 IPv4的域名，由于該域名表示的是一臺(tái)IPv4主機(jī)，IPv6 DNS服務(wù)器本地解析失敗，所以DNS查詢報(bào)文通過IVI-DNS代理轉(zhuǎn)發(fā)到 IPv4 DNS，IPv4 DNS對 host4a.edu.cn進(jìn)行域名解析后返回DNS應(yīng)答報(bào)文，被IVI-DNS截獲后將DNS查詢報(bào)文中的A資源記錄（IPv4地址形式的）翻譯成AAAA資源記錄 （IPv6地址形式的），同時(shí)將解析得到的IPv4地址修改為添加指定IVI前綴后的IPv6地址，最后將修改過的DNS應(yīng)答報(bào)文返回給IVI6-PC2，這樣IVI6-PC2就知道了域名host4a.edu.cn在IPv6網(wǎng)絡(luò)中的IVI映射地址。在主機(jī)IVI6-PC2看來，IVI4-PC1就好像是IPv6網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)，然后兩者就實(shí)現(xiàn)了透明通信。該過程驗(yàn)證了IVI-DNS對DNS報(bào)文的翻譯功能，實(shí)驗(yàn)表明IVI-DNS能夠?qū)NS A類型與DNS AAAA類型以及IPv4地址與IPv6地址實(shí)現(xiàn)正常轉(zhuǎn)換。

4.3 HTTP測試

首先在IVI4-PC1主機(jī)上搭建支持IPv6訪問的Web服務(wù)器，然后在IVI6-PC2主機(jī)上使用瀏覽器訪問IPv4網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上的IPv4網(wǎng)站，在瀏覽器地址欄中輸入：http://host4a.edu.cn，測試結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)束語

在添加IVI擴(kuò)展模塊上采用了最新的Xtables-addons插件方法來取代過時(shí)的patch-o-matic方法，為以后進(jìn)行擴(kuò)展模塊開發(fā)提供了良好的借鑒；同時(shí)，擴(kuò)展了ICMP的回送請求和回答報(bào)文類型的翻譯，實(shí)現(xiàn)了對ping命令的支持，通過ping命令實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ICMP回送請求和回答報(bào)文翻譯的可行性；針對TCP和UDP校驗(yàn)和字段的計(jì)算需要考慮偽首部的問題，提出了一種校驗(yàn)和更新算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該更新算法是合理可行的。

IVI翻譯機(jī)制可以有效地解決在IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)期IPv4主機(jī)與IPv6主機(jī)相互通信的問題，由于IVI網(wǎng)關(guān)是無狀態(tài)翻譯的，具有良好的翻譯性能。同時(shí)IVI擴(kuò)展模塊在內(nèi)核調(diào)用時(shí)是作為一個(gè)可加載的模塊使用，可以十分方便地集成于現(xiàn)有內(nèi)核中，具有很大的靈活性。本文所研究的IVI網(wǎng)關(guān)適合于在中大規(guī)模Intranet中使用，為廣泛部署Intranet過渡網(wǎng)絡(luò)提供實(shí)際應(yīng)用參考。

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17 周增國，李忠明.Linux平臺(tái)下Netfilter/Iptables包過濾防火墻的研究與應(yīng)用.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2008(1)

18 熊忠陽，張逢貴，張玉芳.Linux下基于Netfilter個(gè)人內(nèi)核防火墻的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009(s1)

19 孫有越.IPv6網(wǎng)絡(luò)部署中若干關(guān)鍵問題的研究.北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文，2004