毛晴，胡曦明,2，馬苗,2，李鵬,2

（1.陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

0 引言

現(xiàn)階段IPv4網(wǎng)絡(luò)占有主導(dǎo)地位，IPv6網(wǎng)絡(luò)還仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，在互聯(lián)網(wǎng)中IPv6網(wǎng)絡(luò)大部分以孤島的形式存在，因此IPv6孤島之間跨IPv4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信是目前IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)共存的主要應(yīng)用模式[1]。

目前來(lái)看，隧道技術(shù)是IPv6跨IPv4實(shí)現(xiàn)通信的常用解決方案[2]，主要包括有GRE隧道[3]、手動(dòng)隧道[4]、ISATAP 隧道[5]、IPv4 over IPv6 隧道[6]等多種隧道，其中6to4隧道是一種使用特殊的IPv6地址——6to4地址的自動(dòng)隧道，可支持隧道自動(dòng)配置以及多個(gè)IPv6孤島之間相互通信，在大規(guī)模應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]，因而得到廣泛的應(yīng)用。在6to4隧道技術(shù)方案中數(shù)據(jù)包的分片重組機(jī)制是影響隧道通信性能的一個(gè)重要因素[8]，所以為了提高IPv6孤網(wǎng)跨IPv4網(wǎng)絡(luò)通信效率，需要圍繞IPv6和IPv4混合網(wǎng)絡(luò)下6to4隧道的分片重組機(jī)制開展深入研究。

1 6to4隧道技術(shù)

6to4隧道采用特殊的IPv6地址（6to4地址）使在IPv4海洋中的IPv6孤島能相互連接通信[9]，其通信過程如圖1所示。首先，報(bào)文在IPv6網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)以IPv6報(bào)文發(fā)送，當(dāng)報(bào)文發(fā)送到IPv4網(wǎng)絡(luò)入口的隧道邊緣路由器時(shí)，隧道邊緣路由器的隧道接口會(huì)接收IPv6報(bào)文，然后根據(jù)其配置的6to4隧道內(nèi)容找到報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)入IPv4網(wǎng)絡(luò)的接口，再根據(jù)入口接口的IPv4地址將IPv6報(bào)文封裝IPv4報(bào)文頭部。當(dāng)報(bào)文通過IPv4網(wǎng)絡(luò)到達(dá)IPv4網(wǎng)絡(luò)出口的隧道邊緣路由器時(shí)，隧道邊緣路由器的隧道接口將報(bào)文拆除IPv4報(bào)文頭部，繼續(xù)以IPv6報(bào)文在IPv6網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)[10]。

2 6to4隧道仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

H3C Cloud Lab是一款基于虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬軟件，它以虛擬機(jī)為支撐，實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)實(shí)的組網(wǎng)方案，常用于企業(yè)初期的組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)展示。為了理解6to4隧道通信原理并深入探究數(shù)據(jù)在6to4隧道中通信的分片重組技術(shù)，利用H3C Cloud Lab軟件平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 IPv6孤網(wǎng)跨IPv4網(wǎng)絡(luò)通信過程

圖2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)6to4隧道通信原理可知報(bào)文通過隧道時(shí)會(huì)進(jìn)行封裝，那么6to4隧道邊緣路由器的MTU值是否與普通路由器默認(rèn)MTU值有所不同？

純IPv4網(wǎng)絡(luò)和純IPv6網(wǎng)絡(luò)下報(bào)文的分片重組情況是有所不同的。在純IPv4網(wǎng)絡(luò)下，中間路由器可以將數(shù)據(jù)包分片，但不進(jìn)行重組；在純IPv6網(wǎng)絡(luò)下，中間路由器只轉(zhuǎn)發(fā)分片包，絕對(duì)不分片和重組，如果分片包大于 PMTU，則給源端發(fā)送“ICMPv6'Too Big”消息[11]。那么數(shù)據(jù)在6to4隧道中通信的分片重組數(shù)據(jù)處理機(jī)制以及差錯(cuò)檢測(cè)方法是需要研究的重點(diǎn)問題。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）6to4隧道的搭建

①實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

圖3 6to4隧道搭建

圖中PCA和PCB兩臺(tái)路由器定義為終端路由器，作為報(bào)文的發(fā)送方和接收方，IP地址配置為IPv6地址。RTA和RTB路由器為隧道邊緣路由器，兩臺(tái)路由器的GE_0/1接口配置IPv6地址，GE_0/2配置IPv4地址，并分別為兩臺(tái)路由器配置隧道接口，RTB路由器接口均配置為IPv4地址。

②設(shè)備配置

表1 RTA的6to4隧道配置命令

以RTA路由器為例，“source g0/2”這條配置表明為RTA路由器Tunnel接口配置的出口IPv4地址為本路由器接口GE_0/2的地址，所以當(dāng)IPv6報(bào)文發(fā)送到隧道邊緣路由器時(shí)，經(jīng)過隧道接口的處理最終從接口GE_0/2進(jìn)入IPv4網(wǎng)絡(luò)。

③結(jié)果分析

報(bào)文在RTA的Tunnel接口要經(jīng)過6to4隧道的封裝，即在IPv6報(bào)文頭部加上IPv4報(bào)文頭部，抓包顯示如圖4所示。

圖4 RTA的GE_0/2接口報(bào)文

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析6to4隧道的通信過程，發(fā)現(xiàn)6to4隧道通信具有自動(dòng)隧道維護(hù)方便的特點(diǎn)，6to4隧道可根據(jù)報(bào)文的IPv6地址得出IPv4地址，無(wú)需為隧道配置目的地址，同時(shí)又克服了IPv4兼容IPv6自動(dòng)隧道不能連接IPv6網(wǎng)絡(luò)的缺陷，但由于其6to4地址的工作模式，所以必須使用規(guī)定的6to4地址。

（2）6to4隧道MTU探測(cè)

①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

已知華三模擬器中路由器接口默認(rèn)情況下為1500，那么發(fā)送1452的報(bào)文則可剛好通過接口且無(wú)需分片，如果6to4隧道通信下路徑MTU值為1500，那么報(bào)文發(fā)送過程中不會(huì)丟包和分片，所以實(shí)驗(yàn)在圖3搭建好的實(shí)驗(yàn)拓?fù)渲袑⒏鱾€(gè)接口的MTU值設(shè)置如表2。

表2 MTU探測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

②結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中從PCA向PCB發(fā)送一條報(bào)文長(zhǎng)度為1452的IPv6報(bào)文，丟包情況如圖5所示。

圖5 報(bào)文丟包情況

在發(fā)送報(bào)文過程中，通過Wireshark在PCA的GE_0/0接口和PCB的GE_0/0接口抓取報(bào)文，發(fā)現(xiàn)兩條ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文如圖6和圖7所示。

圖6 PCA差錯(cuò)報(bào)文

圖7 PCB差錯(cuò)報(bào)文

根據(jù)抓取的差錯(cuò)報(bào)文的源地址和目的地址以及報(bào)文內(nèi)容，可以分析出兩個(gè)報(bào)文丟失的原因。第一個(gè)報(bào)文從PCA發(fā)送給PCB時(shí)，到RTA隧道接口時(shí)因MTU值比較小，沒有發(fā)送成功；第二個(gè)由PCB回復(fù)給PCA時(shí)，到RTB隧道接口時(shí)因MTU比較小，沒有收到回復(fù)。抓取的ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文回復(fù)的MTU值均為1480，所以推測(cè)隧道接口的MTU值為1480，查詢驗(yàn)證如圖8所示。

圖8 隧道接口MTU值驗(yàn)證

驗(yàn)證可得隧道接口MTU值為1480，分析6to4隧道報(bào)文可得其原因?yàn)椋簣?bào)文發(fā)送到隧道接口時(shí)，隧道接口要將報(bào)文封裝IPv4報(bào)頭，需要20個(gè)字節(jié)，所以隧道接口MTU比一般接口MTU少20個(gè)字節(jié)。

（3）6to4隧道中數(shù)據(jù)通信

①實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

將路由器增加至6臺(tái)，搭建如圖9的實(shí)驗(yàn)拓?fù)洹?/p>

②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

探測(cè)隧道MTU值為1480，所以發(fā)送1432長(zhǎng)度的報(bào)文不會(huì)在隧道口發(fā)生分片，因此將各個(gè)接口的MTU值設(shè)置如表3。

圖9 6to4隧道通信實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

表3 6to4隧道通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

③結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中從PCA向PCB發(fā)送一條報(bào)文長(zhǎng)度為1432的IPv6報(bào)文，用Wireshark抓取RTA的GE_0/1接口和RTD的GE_0/0接口的報(bào)文，分片情況如圖10和圖11所示。

圖10 RTA的GE_0/1接口報(bào)文

由抓取的報(bào)文分析可得，從PCA向PCB發(fā)送報(bào)文，在路由器RTA的端口GE_0/1發(fā)生IPv6的分片，當(dāng)經(jīng)過RTA的端口GE_0/2時(shí)，因?yàn)槠銶TU為1200，所以發(fā)生分片，而RTA的端口GE_0/2為IPv4地址，RTB路由器GE_0/0和GE_0/1端口也是如此，所以結(jié)果證明在6to4隧道通信機(jī)制下，報(bào)文在終端分片后，在中間路由器的IPv4地址處仍然可以分片，因?yàn)樵谒淼乐邪l(fā)送報(bào)文時(shí)，報(bào)文被封裝IPv4報(bào)頭，所以遵循IPv4分片機(jī)制[12]。

圖11 RTD的GE_0/0接口報(bào)文

在實(shí)驗(yàn)中用Wireshark再抓取RTC的GE_0/1報(bào)文，分片重組情況如圖12所示。

圖12 RTC的GE_0/1接口報(bào)文

將圖9和圖10結(jié)合分析可得，被分片的IPv4報(bào)文在路由器RTC發(fā)生重組，但I(xiàn)Pv6分片報(bào)文并未發(fā)生重組，所以在6to4隧道通信機(jī)制下邊緣路由器可以對(duì)分片的IPv4報(bào)文重組，但無(wú)法重組IPv6報(bào)文。因?yàn)樗淼缆酚善骺刂屏怂淼乐袌?bào)文的發(fā)送端和目的端，所以能夠重組隧道中被分片的IPv4報(bào)文。

（4）6to4隧道差錯(cuò)檢測(cè)

①實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

根據(jù)6to4隧道中的數(shù)據(jù)通信研究，得知隧道邊緣路由器具有特殊的分片重組功能，那么隧道邊緣路由器是否能收到ICMP差錯(cuò)報(bào)文。將6臺(tái)路由器布置如圖13的實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D。

②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表4）

③結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中從PCA向PCB發(fā)送一條報(bào)文長(zhǎng)度為1300的IPv6報(bào)文，用Wireshark抓取RTD的GE_0/0接口的報(bào)文，發(fā)現(xiàn)一條ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文如圖14所示。

圖13 6to4隧道差錯(cuò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/p>

表4 6to4隧道差錯(cuò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由抓取的報(bào)文可得，ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文的目的地址為2002:0201:0101:1::2，即PCA的GE_0/0接口地址。分析報(bào)文發(fā)送過程我們可得其原因，當(dāng)報(bào)文從隧道中發(fā)送出去時(shí)，它的源地址和目的地址被改為了初始的6to4地址，而不是隧道中的IPv4地址，隧道邊緣路由器只是在隧道兩端起終端作用，只能控制發(fā)送帶有IPv4報(bào)頭的報(bào)文，所以不能接收ICMPv6報(bào)文。

圖14 RTD的GE_0/0接口差錯(cuò)報(bào)文

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于H3C平臺(tái)搭建了在6to4隧道中IPv6孤網(wǎng)跨IPv4網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實(shí)驗(yàn)拓?fù)洌鶕?jù)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其通信原理，探測(cè)到隧道接口由于要進(jìn)行6to4隧道報(bào)文的封裝，所以其MTU值默認(rèn)為1480。

本文在隧道MTU探測(cè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)6to4隧道進(jìn)行IPv6孤島之間跨IPv4網(wǎng)絡(luò)通信的分片重組機(jī)制和差錯(cuò)檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。探究結(jié)果表明，當(dāng)6to4隧道實(shí)現(xiàn)IPv6孤島跨IPv4網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，隧道中間IPv4路由器可發(fā)生IPv4報(bào)文分片且隧道邊緣路由器可重組被分片的IPv4報(bào)文，并且隧道邊緣路由器如果不作為IPv6報(bào)文的發(fā)送端，就無(wú)法接收ICMPv6差錯(cuò)報(bào)文。所以隧道邊緣路由器在6to4隧道分片重組機(jī)制中起著決定性作用，這對(duì)于研究提高IPv6孤網(wǎng)跨IPv4網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)性具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]黃斌文,矯媛.IPv4和IPv6共存的校園網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2013（17）:53-59.

[2]裴海旭,陳鴻文.基于SDN的IPv6過渡技術(shù)研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版）,2016（29）:56-60.

[3]曹炯清.IPSec與NAT沖突問題隧道嵌套解決方案研究[J].信息安全與技術(shù),2015,6（01）:35-39.

[4]賈博.IPv6-over-IPv4手工隧道技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù),2014,12（07）:21-26.

[5]王景麗,王相林.IPv6過渡技術(shù)中ISATAP隧道研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版）,2011（11）:59-62.

[6]王飛.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下IPv6與IPv4共存與過渡研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2017,13（34）:47-49.

[7]于旭東.IPv6過渡技術(shù)分析[J].中國(guó)新通信,2014,16（06）:18-19.

[8]張明.淺析IP分片對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2014,40（09）:64-67.

[9]柏強(qiáng),許譯文,王昆強(qiáng).基于IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中IPv6節(jié)點(diǎn)漫游機(jī)理研究:IPv6過渡技術(shù)分析與評(píng)述[J].中國(guó)新通信,2015,17（18）:98-101.

[10]鄭華,李桂紅.IPv6包的分段及重組過程詳解[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2008,34（02）:48-49.

[11]肖融,孫波,肖永康,何珺,胡曉雁.途中無(wú)重組的隧道MTU機(jī)制研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46（17）:92-95,149.

[12]周超.隧道模型下MTU問題的研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2005（17）:118-120.

作者簡(jiǎn)介：毛晴（1996-），女，河南新鄉(xiāng)人，在讀本科

通信作者：胡曦明（1978-），男，四川南充人，博士，講師，研究方向?yàn)榻逃畔⒒夹g(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

馬苗（1977-），女，山東聊城人，博士，教授，，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理、智能系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等

李鵬（1981-），男，陜西扶風(fēng)人，博士，講師，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)

收稿日期：2018-04-12 修稿日期：2018-05-20

Abstract：Based on the H3C Cloud Lab platform,conducts a simulation experiment to study the communication process of IPv4 network.On this ba?sis,uses this method of setting MTU value to explore the fragmentation recombination technology in 6to4 tunnel.The experimental results show that,compared with no longer shard IPv6 network data transmission process,the mechanism of restructuring 6to4 tunnel due to the tunnel edge routers to shard restructuring and therefore when the data transmitted in the tunnel can be shard restructuring again.

Keywords：6 to4 Tunnel;Fragment;Restructuring;MTU