红联Linux门户
Linux帮助

Linux下IPV4和IPV6的互操作性研究

发布时间:2006-10-03 01:18:03来源:红联作者:连露
  作为向下一代互联网络协议过渡的重要步骤,国际的IPv6试验网--6bone在1996年成立
了。现在,6bone已经扩展到全球50多个国家和地区,成为IPv6研究者、开发者和实践者的
主要平台。CERNET国家网络中心于1998年6月加入6bone,同年11月成为其骨干网成员。电
子科大作为教育网的西南主节点,在得到Nokia的IPv6路由器之后,积极参与IPv6技术研究
,我们先查阅研究了大多数与IPv6有关的RFC文档和相关技术资料,并且在此基础上进行了
很多网络实验。该文先简单阐述了IPV6的必要性和IPV4到IPV6升级转换的机制,然后详细
阐明了在Linux操作系统下进行的IPv6网络实验及其结论,并附有相关参考文献书目。

一、使用IPv6的必要性

  现在运行的因特网协议IPv4存在其固有的局限性,一是地址问题,IPv4的地址只有32
位,这意味着总的地址数大约是40亿,并且还有许多地址是不可用的。按照目前网络的发
展趋势,到2005和2015年之间IPv4的地址就会耗尽,必须用另一种地址方案来替代它,二
是IPv4提供的服务局限性,IPv4尽它的最大努力来传送信息包,但是它不会保证提供给上
层的服务是可靠的,没有QoS(服务质量)的概念。这些问题都是IPv4的薄弱环节,致命弱
点,另外因特网不断提出对移动性、安全性以及多媒体业务的支持等问题,IPv4都无法解
决,这样就迫使我们必须引入下一带因特网协议--IPv6。

二、IPv4和IPv6的互操作

  要将现在的IPV4网络升级到IPV6网络,不可能所有的机器在同时启用IPV6协议栈,配
置好IPV6地址,安装好IPV6应用程序,所以必须实现IPV4网络与IPV6网络之间的互操作及
平滑升级机制。IPv4到IPv6的升级转换机制的首要条件是允许IPv6和IPv4主机互操作;其
次是在相互依赖性很小的情况下使IPv6的主机和路由器能在因特网中快速发展;第三是转
换对端用户,系统管理员和网络实施者来说易于理解和执行。IPv6转换机制是一套主机和
路由器执行的协议机制,有一套定址和配置的操作指导方案,尽可能减少转换过程中造成
的破坏。IPv6转换机制的主要目标如下:
  ? 可增加的升级和扩展性:单个IPv4的主机和路由器可在不需要其它的主机和路由器
同时升级的情况下单独升级成IPv6,新的IPv6主机和路由器可以后再一台台的安装成IPv6

  ?最小的升级依赖性。将主机升级成IPv6的唯一先决条件是域名服务器必须先升级以
处理IPv6地址记录。
  ?方便的寻址。当IPv4的主机和路由器升级到IPv6后,他们必须继续用原来的地址。
他们不需要指定新的地址。管理者不需制定新的地址分配方案。
  ?很低的启动开销。将IPv4系统升级成IPv6很少或几乎不需要准备工作。
  IPv6转换机制确保IPv6主机能和任何因特网上的IPv4通信,直到IPv4被淘汰,并在那
时允许在小范围内互相通信。这个特征保护了用户已经在IPv4上的巨大投入并使得IPv6不
会将IPv4孤立。
  基于以上原因,IPv4主机和路由器上与Ipv6主机和路由器现在广泛采用了如下两种互
操作的机制:隧道技术和双IP协议栈技术。
  
A.隧道技术:

  隧道提供了一种利用IPv4路由基础上传输IPv6包的方法。隧道应用于下面几种应用中
:路由器到路由器、主机到路由器、主机到主机和路由器到主机。
  路由器到路由器和主机到路由器隧道技术都是将IPv6包传到路由器,隧道的终点是中
间路由器,必须将IPv6包解出,并且转发到它的目的地。隧道终点的地址必须由配置隧道
节点的配置信息获得,这种类型的隧道称作人工配置隧道。
  当利用隧道到达IPv6的主干网时,如果一个在IPv4网络和IPv6网络边界的IPv4/IPv6路
由器的IPv4地址已知时,那么隧道的端点可以配置为这个路由器。这个隧道的配置可以被
写进路由表中作为"缺省路由"。这就是说所有IPv6目的地址符合此路由的都可以使用这条
隧道,这种隧道就是默认配置的隧道。
  主机到主机和路由器到主机隧道技术都是将IPv6包传到主机的,可以用IPv6包的信息
获得终点地址。隧道入口创建一个IPv4封装头并传送包,隧道出口解包,去掉IPv4头,更
新IPv6头,处理IPv6包。隧道入口节点需要保存隧道信息如MTU等。如果用于目的节点的I
Pv6地址是与IPv4兼容的地址,隧道的IPv4地址可以自动从IPv6地址继承下来,因此也就不
需要人工配置。这种隧道也就称为自动隧道。
  IPv4兼容的IPv6地址格式如下:
      

B.双IP协议栈方式

  双协议栈方式包括提供IPv6和IPv4协议栈的主机和路由器。双协议栈工作方式的简单
描述如下:
  ?如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址,那么将使用IPv4协议栈;
  ?如果应用程序使用的目的地址是兼容IPv4的IPv6地址,那么IPv6就封装到IPv4中;

  ?如果目的地址是另一种类型的IPv6地址,那么就使用IPv6地址,可能封装在默认配
置的隧道中。
  双协议栈的缺省IP包发送算法为:
a. 如果IP包的目的地址是IPv4地址:
  如果目的站点在可达链路上,直接发送;
  如果目的站点不可达,要么送往在线路由器,要么不可达。
b. 如果IP包的目的地址是IPv4兼容的IPv6地址:
  如果目的站点在可达链路上,直接发送IPv6包;
  如果目的站点处于off-link,(1)如果有可达IPv4路由器,则封装在IPv4包中发往I
Pv4路由器;(2)如果有可达IPv6路由器,则不封装,直接发送;(3)如果没有可达路由
器,则不可达。
c. 如果IP包的目的地址是纯IPv6地址:
  如果目的站点在 可达链路上,直接发送IPv6包;
  如果目的站点处于off-link,(1)如果有可达IPv6路由器,则直接发送到路由器;(
2如果目的地通过手动隧道可达,并且链路上有可达IPv4路由器,则封装成IPv4包,目的I
P地址为隧道终点地址,链路地址为可达路由器的链路地址。(3)否则为不可达。
d. 在线/离线的确定
  IPv4使用子网掩码确定,IPv6使用邻居发现协议。两者共同使用的是:如果目的地址
是IPv4地址,则使用  RFC1122比较两者的掩码;如果目的地址是IPv4兼容的IPv6地址,
则使用低32位目的地址的子网掩码比较;如果是  IPv6纯地址,则使用邻居发现协议。

三、Linux下IPv6网络研究实验

  我们在研究了大量IPv6协议(主要的IPv6 RFC文档)之后,进行了一系列的IPv6研究
实验。现详细叙述如下:

1.Pv6研究实验平台的选择

  在国内有几所大学已经或正在进行IPv6实验研究,并且建立了CERNET IPv6实验床,我
们在与CERNET IPv6实验床的老师和同学取得联系并进行了交流,实验床网络中心最初的组
网是通过主机配置FreeBSD来完成的,1998年开始用的是FreeBSD2.2.8,现在是FreeBSD3.
2,3.4,4.0都有,此外有些科研人员也开始采用linux进行实验,路由器现在采用的是No
kia的IP650,还有FreeBSD+Mrtd的主机。电子科大作为教育网西南地区的主节点,也得到
了Nokia捐赠的IPv6路由器。在此基础之上,我们通过分析比较研究各种操作系统,最后选
定用linux作为IPv6主机和路由器研究实验平台。具体原因如下:
A. Linux作为开放的操作系统,其原代码完全公开,具有很强的灵活性,现在有很多自由
软件联盟为Linux免费开发如件,故Linux具有很强的生命力和活力,而其他大部分由个别
公司开发的操作系统,一方面原代码不公开,无法根据自己的要求修改内核,其公司的发
展的兴衰,很大程度上影响该操作系统的发展。
B. Linux操作系统很先进,一直跟踪关注网络的发展,用Linux组建Internet网络,建立
网站,进行网络开发研究,都是很好的选择。并且其内核从2.2.0开始,就已经开始支持I
Pv6技术了,这等于就为我们提供了IPv6协议栈原代码,  我们可以利用其共享代码做I
Pv6的研究开发。

2.Linux主机IPv6协议支持技术研究

  在选定了实验平台之后,我们就着手进行一系列的IPv6实验,主要针对在已大量安装
了IPv4的主机和路由器情况下,如何成功地兼容地升级到IPv6,如何运用在IPv6主机和路
由器上,与Ipv4主机和路由器成功互操作,以及如何建立配置IPv6主机和路由器。在进行
IPv6实验之前,我们根据网上查询资料及对Linux内核分析,研究了如何建立IPv6主机,包
括安装协议栈,网络工具及网络程序,现以Redhat 6.1 Linux为例,详细说明其具体步骤
如下:

A.支持IPv6协议的新内核的编译

  要让操作系统支持IPv6,就要安装IPv6协议栈,Redhat6.1的内核为2.2.12版本,可支
持IPv6,但是安装缺省不支持,由于协议栈在操作系统中是处于核心地位的,必须重新编
译新的内核才能安装上新的协议栈,其具体步骤如下:
  1)以root身份登陆,进入源码所在的目录:cd /usr/src/linux
  2)运行 make clean,清除一些可能过期的中间代码。
  3) 然后配置内核选项:make menuconfig 或者 make xmenuconfig运行make menucon
fig后,将下面的支持IPv6的选项选上,其他内核选项请根据系统的具体情况作出符合系统
的选择。
   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
     / procfilesystem support yes
  4)然后运行make dep; make clean; make bzImage
  5)没有错误,现在已经编译成功了支持IPv6协议的内核了。将该内核拷贝到Linux的启
动目录下。
   cp arch/i386/boot/zImage /boot/vmlinuz-IPv6
  6)编辑etc/lilo.conf使新的内核成为boot的选择。
  7) 重启系统: reboot
  在重启系统之后,在登陆之前会发现有支持IPv6的内核信息出现,这下该主机就是纯
IPv6主机啦,但是现在的主机只是安装的IPv6协议栈,并没有IPv6网络配置工具如hostna
me, netstat, arp, ifconfig, rarp, route等,还不能配置网络,不能检测调试发
送IPv6包,因此我们必须进行如下操作。

B.编译net-tools

  Linux的网络配置,基本上是通过ifconfig和route等命令实现的,需要安装编译新版
本的支持IPv6的net-tools,我们采用了net-tools-1.52。其安装过程如下:
  1)解开软件包:tar xzf your-path/net-tools-1.52.tar.gz -C /usr/src
  2)进入源码所在目录:cd /usr/src/net-tools
  3)make config时选择下面的内容,其他选项内容请根据自己系统情况选择:
   编译主选项          子选项          选择
   GNU gettext                      Yes( 如果使用的是g
libc2)
   Protocol Families      UNIX protocol family    Yes
              INET (TCP/IP) protocol family  Yes
              INET6 (IPv6) protocol family   Yes
             Device hardware types SIT (IPv6-inIPv4) support Yes

  4)然后编译:make;安装:make install。再重启。
  现在我们就可以使用ifconfig和route等命令配置查看网络了。运行ifconfig,我们可
以看到在每个网络接口,都生成了一个IPv6地址,这是它的本地链路地址,我们还需要配
置其相应的全球地址和路由信息。最后我们的IPv6主机就建立起来了。两台机器均如此操
作,通过绞线相连的最简单的纯IPv6网络就搭建好啦。
  但是我们没有IPv6的应用程序来检测我们的IPv6网络,但是怎么知道我们的主机在网
络中是否能够与其他主机通信呢,这还得需要有IPv6的应用程序检测我们的网络。

C.编译Inet6-applications

  编译新版本的支持IPv6的网络应用程序我们采用的是inet6-apps-0.36,其编译过程如
下:
  1) 解开软件包:tar xzf your-path/inet6-apps-0.36.tar.gz -C /usr/src
  2) 为编译程序建立必要的链接:
   ln -sf /usr/src/inet6-apps-0.36 /usr/src/inet6-apps
  3) 进入源码所在目录: cd /usr/src/inet6-apps
  4)这个版本的inet6工具的icmp.c有个小Bug,编译时需要一个补丁(inet6-apps-0.3
6-glibc21-rh60-patch.txt.gz)。将补丁程序加上然后编译:make clean; make ; make
install。重启系统。
现在我们就有了如finger[d], ftp[d], inetd, ping, tftp, libinet6等网络应用程
序就可以进行主机间的IPv6测试了。

3.Linux下IPv6主机和路由器配置技术研究

  在研究了Linux IPv6主机建立技术之后,我们在Linux主机上进行了如下的进行IPv6主
机和路由网络实验研究:

A.IPv6主机通信实验

  为了了解如何建立IPv6主机,如何在Linux操作系统中,建立IPv6协议栈,收发纯的I
Pv6数据包,我们最开始建立了如图1所示的一个最简单的IPv6网络实验环境:
          
  我们安装了两台以Redhat6.1 Linux为操作系统的主机,并且通过绞线相连。对于每台
主机,编译新的内核支持IPv6,由于缺省支持IPv4,故该主机为IPv6/IPv4双协议栈主机。
为了研究纯IPv6主机通信,我们只配置主机的IPv6网络信息,未配置其IPv4地址和网络。
作为西南地区,网络中心分配的IPv6地址前缀是3ffe:3203:1001::/48,故利用ifconfig配
置Host1和Host2的全球IPv6地址分别为3ffe:3203:1001::218/52和3ffe:3203:1001::218/
52,命令格式为:ifconfig interface add IPv6-address,用route添加缺省网关分别为
对方IPv6地址,然后利用IPv6的应用程序ping对方的IPv6地址,得到连续的对方主机返回
ICMPv6响应报文,安装成功了。

B.IPv6/IPv4主机隧道通信实验

  因为现在的IPv6主机在整个IPv4网络中,象一个孤岛,许多路由器不支持IPv6,故在
IPv4网络中经过了纯IPv4路由器相连的两个IPv6主机是不能直接通信的,要采用RFC1933所
说的隧道技术(tunnel)。在Linux下的IPv6协议栈是支持隧道技术的。为研究IPv6主机如
何在IPv4网络中通信的,我们建立了图2所示的实验环境。
     
  与实验1一样,配置好Host1和Host2的IPv6地址,并且按照实际IPv4网络情况,配置好
网络接口的IPv4地址。之后,我们需要分别为Host1和Host2配置隧道,两隧道的端地址分
别为Host1和Host2的IPv4地址。具体配置命令格式如下:
   ifconfig sit0 up ?
   ifconfig sit0 inet6 tunnel ::202.115.12.218 ?
   ifconfig sit1 up ?
   route -inet6 add 3ffe:3203:1001::/48 dev sit1 ?
  其中第二步中的tunnel地址是与对方主机的IPv4兼容的IPv6地址,最后一步添加的网
络为对方主机网络接口所在网络,这样,相互的隧道就连通了。隧道0(sit0)为自动隧道
(Automatic Tunneling),隧道1(sit1)为手动隧道(Configured Tunneling),在启
动了sit0之后,可以直接ping通对方主机的IPv4兼容IPv6地址,但是不能ping通对方的全
球IPv6地址,因为IPv4 Router不负责转发IPv6报文,只有在手动配置了sit1之后,跨越了
IPv4网络的IPv6主机之间才能进行通信。

C.IPv6/IPv4主机接入6bone网络

  我们在完成以上实验的基础上,具有了IPv6主机和网络配置基本理论和实践经验,就
准备接入IPv6实验网6bone,首先通过主机与电子科大网络中心的IPv6路由器相接,连入C
ERNET IPv6实验床,再通过该网络与世界IPv6实验网6bone相接。根据网络分析,我们制定
了如图3所示的网络接入方案:
   
  首先配置好Host1和Host2的IPv4网络信息,再向电子科大网络中心申请分配全球IPv6
地址,申请隧道,网络中心按照Host1和Host2的IPv4地址,手动配置分配两隧道,并设置
了静态路由信息。按照实验2的配置步骤,分别为Host1和Host2配置好IPv6地址,并且与网
络中心的Nokia IPv6路由器建立好隧道,基本操作与实验2相似。完成如上所述配置操作之
后,我们首先ping电子科大网络中心IPv6路由器的IPv6地址,实验成功,IPv6网络连通了
,然后ping CERNET IPv6实验网的主机,利用finger6,FTP6浏览6bone网络中其他网络资
源,实验成功,我们与CRENET IPv6实验床和国际IPv6实验网6bone实现了连网。

D.Pv6/IPv4路由器研究

  在成功配置了IPv6主机并且接入了国际IPv6之后,我们尝试组建自己的IPv6网络,具
体组网如图4所示:
    
  由于没有现成的IPv6路由器,就尝试利用Linux操作系统,配置成IPv6路由器,具体工
作如下:我们就在支持IPv6的Linux主机上,配置多个网卡,为每个网卡设置好IPv6地址,
在操作系统中编辑新的配置文件和Script文件,主要为network-ip6、 network-ip6.conf
、network-ip6.init、tunnels-ip6.init和radvd.init几个文件。具体编辑细节参看Pet
er Bieringer 2000-05-19所著的IPv6 & Linux - HowTo 3.14版。之中较为关键的是  
 /etc/sysconfig/network-ip6文件,需要设置IP6FORWARDING=yes,IP6GATEWAYCONFIG=
yes,IP6ROUTEFILE=/etc/sysconfig/network-ip6.conf,这样设置之后,从一个网络接口
发送来的IPv6报文就可以转发到另外的网络接口,完成路由转发功能,完成路由器基本功
能,再启动其他路由协议,完成相关工作,到此,我们的IPv6路由器就安装成功了,如果
还要安装其他的IPv6路由协议,可以参照相应的文档。
文章评论

共有 1 条评论

  1. chameleon 于 2006-10-08 18:13:11发表:

    这是一篇有讲究的文章...