基于网络地址和协议转换实现IPv4网络和IPv6网络互连

作者：沈鑫剡;伍红兵;俞海英;龙瑞

IPv4 的缺陷和Internet的飞速发展导致IPv6的产生和发展，目前，IPv6网络正从试验性网络逐步走向实际应用，但未来一段时间内，IPv4网络仍然占据主导地位，IPv4网络和IPv6网络并存的局面仍将继续，这样，实现IPv4网络和IPv6网络互连成为IPv6网络走向实际应用的重要步骤。

1、NAT-PT实现互连原理

网络地址和协议转换（NAT-PT）是一种将实现IPv4分组格式和IPv6分组格式之间转换和动态NAT有机结合的地址和协议转换技术，它对IPv6 网络中终端的地址配置没有限制，也不需要对想和IPv4网络通信的终端分配IPv4地址。它和IPv4网络所采用的动态NAT一样，在网络边界的地址和协议转换器设置一组IPv4地址，并以此构成IPv4地址池，当IPv6网络中的某个终端发起和IPv4网络中的终端之间的会话时，由地址和协议转换器为发起会话的终端分配一个IPv4地址，并将该IPv4地址和该终端发起的会话绑定在一起。如果会话是TCP连接，则可用会话两端的源和目的地址、源和目的端口号来标识该会话。在会话存在期间，该IPv4地址一直分配给发起会话的终端，当属于该会话的IPv6分组经过地址和协议转换器进入IPv4网络时，用该 IPv4地址取代IPv6分组的源地址，并完成IPv6分组至IPv4分组的转换。IPv4网络中的终端用该IPv4地址和发起会话的终端通信，当属于该会话的IPv4分组进入地址和协议转换器时，用该IPv4分组的目的地址检索会话表，用会话表中给出的发起会话的终端的IPv6地址取代IPv4分组的目的地址，并完成IPv4分组至IPv6分组的转换。在NAT-PT中，96bit网络前缀可以是任意的网络地址，但必须保证IPv6网络将目的地址和该 96bit网络前缀匹配的IPv6分组路由到网络边界的地址和协议转换器。地址和协议转换器将和96bit网络前缀匹配的目的地址的低32bit作为 IPv4地址。反之，地址和协议转换器在IPv4分组的源地址前加上96bit网络前缀后作为IPv6分组的源地址。

2、单向会话通信过程

下面结合图1详细讨论一下NAT-PT的工作机制。

图1NAT-PT实现网络地址和协议转动过程

在图1中，当终端A发起和终端C的会话时，终端A发送一个以2001：：2E0:FCFF:FE00:7为源地址，以2：：10.1.1.1为目的地址的IPv6分组，该IPv6分组被IPv6网络路由到路由器R3。

路由器R3在会话表中检索该IPv6分组属于的会话，由于该IPv6分组是发起会话的IPv6分组，会话表中找不到该IPv6分组所属的会话，路由器 R3为终端A分配一个IPv4地址，这里假定是193.1.1.1，同时，在会话表中创建一项，将分配该终端A的IPv4地址和终端A发起的会话绑定在一起，如表1所示。

路由器R3将该IPv6分组转换成IPv4分组，通过IPv4路由表确定的传输路径将IPv4分组转发给下一跳路由器R2。该IPv4分组经过路由器R2转发后到达终端C，完成终端A至终端C的传输过程。

IPv6分组转换成IPv4分组时各字段的转换过程如表2所示，源和目的地址的转换如图2所示。

表1IPv4地址和会话之间的绑定

表3IPv4首部至IPv6首部转换

当终端C向终端A发送数据时，终端C构建一个以10.1.1.1.1为源地址，193.1.1.1为目的地址的IPv4分组，该IPv4分组被IPv4网络路由到路由器R3。

路由器R3用该IPv4分组的目的地址检索会话表，找到对应项，用对应项给出的IPv6地址取代目的地址。

由于为路由器R3配置的网络前缀为2：：/96，源地址被转换成2：：10.1.1.1。

IPv4分组转换成IPv6分组时各字段的转换过程如表3所示，源和目的地址的转换如图2所示。

图3用DNS应用层网关实现双向会话

终端A后续发送给终端C的IPv6分组，由于在会话表中找到对应项，可以根据对应项中给出的IPv4地址进行源地址转换。在会话存在期间，会话表中给出的地址映射一直保持。一旦会话结束，这种地址映射也随之消除，分配的IPv4地址可以再次分配给其他IPv6网络中的终端。不同类型会话的结束方式不同，有些类型的会话有会话结束过程，有些类型的会话没有明显的会话结束过程，后一种类型的会话用规定时间内一直没有属于该会话的IP分组通过作为该会话的结束条件。

3、双向会话通信过程

和IPv4动态NAT一样，NAT-PT只能用于由IPv6网络中的终端发起会话的应用，如果某个应用需要由IPv4网络中的终端发起会话，NAT-PT是无法实现的，因为，IPv4网络中的终端是无法用某个IPv4地址来绑定IPv6网络中的某个终端的。如果非要实现由IPv4网络中的终端发起的会话，需要采用静态NAT，即在路由器R3配置静态的IPv4地址和IPv6地址之间的映射。在图 3中，如果终端C希望访问IPv6网络中的DNS服务器（IPv6 DNS），就构建以10.1.1.1为源地址，以193.1.1.5为目的地址的IPv4分组，该IPv4分组到达路由器R3后，路由器R3通过配置的静态地址映射，将目的地址转换成2001：：2E0:FCFF:FE00:9。但如果对IPv6中的其他终端也采用静态地址映射，需要为所有可能和IPv4 网络通信的终端静态分配IPv4地址，这显然是不可能的。对于图3所示的网络结构，路由器R3不仅是地址和协议转换器，还是DNS应用层网关。DNS用于将完全合格的域名解析成IP地址，如果是IPv6网络，则解析成IPv6地址，如果是IPv4网络，则解析成IPv4地址。DNS服务器给出完全合格的域名和对应的IP地址之间的映射，如终端A 2001：：2E0:FCFF：FE00:7。当终端C想发起和终端A之间的会话时，终端C通过终端A的完全合格的域名：终端A解析出终端A对应的 IPv4地址。由于在路由器R3中已经静态配置了IPv6网络中的DNS服务器的IPv6地址：2001：：2E0:FCFF:FE00:9和IPv4地址：193.1.1.5之间的映射，终端C向IPv4地址为193.1.1.5的DNS服务器发送请求报文，请求报文被封装成IPv4分组后进入IPv4 网络，被IPv4网络路由到路由器R3。由路由器R3完成IPv4 DNS请求报文至IPv6 DNS请求报文的转换，并将请求报文封装成以2：：10.1.1.1为源地址，以2001：：2E0:FCFF:FE00:9为目的地址的IPv6分组，通过IPv6网络将该IPv6分组传输到IPv6网络的DNS服务器。IPv6网络的DNS服务器根据完全合格的域名：终端A解析出IPv6地址：2001：：2E0:FCFF:FE00:7，并将该地址通过DNS响应报文回送给源地址为2：：10.1.1.1的终端（终端C）。响应报文被 IPv6网络路由到路由器R3，由路由器R3在IPv4地址池中选择一个IPv4地址（这里假定是193.1.1.1）分配给终端A，同时在会话表中建立2001：：2E0:FCFF:FE00:7和193.1.1.1之间的映射。路由器R3将IPv6 DNS响应报文转换为IPv4 DNS响应报文，并将IPv4 DNS响应报文封装成以10.1.1.1为目的地址的IPv4分组，通过IPv4网络将该IPv4分组传输到终端C，终端C随后用IPv4地址：193.1.1.1和终端A进行通信。需要指出的是，在上述通信过程中，IPv4网络中的终端通过DNS的地址解析过程创建会话，并将地址映射和该会话绑定在一起，所有源地址为2001：：2E0:FCFF:FE00:7的IPv6分组或目的地址为193.1.1.1的IPv4分组都属于该会话，按照会话表中给出的地址映射完成地址转换。这种类型的会话只能用规定时间内一直没有属于该会话的IP分组通过作为该会话的结束条件。

IPv4网络中所有终端和服务器对应的IPv6地址是固定的，IPv6网络中的终端可以获取Pv4网络中所有终端和服务器对应的IPv6地址，因此，IPv6网络中的终端可以通过直接给出IPv6地址的方式和IPv4网络中的终端通信。当然，记住完全合格的域名总比记住128bit的IPv6地址容易，因此，IPv6网络中的终端可能通过完全合格的域名（如终端C）发起和IPv4网络中的终端之间的会话。这种情况下，由IPv6终端向IPv4网络的DNS服务器发送DNS请求报文，由路由器R3完成IPv6 DNS请求报文至IPv4 DNS请求报文的转换。当路由器R3接收到IPv4网络中的DNS服务器回送的DNS响应报文时，一方面通过加上网络前缀2：：，将解析出的IPv4地址转换成IPv6地址，另一方面完成IPv4 DNS响应报文至IPv6 DNS响应报文的转换。

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