NAT-PT技術(shù)在IPv4和IPv6互聯(lián)中的實現(xiàn)

1 引言
IPv6推廣應(yīng)用初期網(wǎng)絡(luò)資源相當匱乏，使用者主要是研究IPv6的科研工作者。IPv6的推廣普及需吸引大量普通網(wǎng)絡(luò)用戶，僅靠IPv6網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異性能是不夠的，還需建立大量的可用資源，在短時間內(nèi)是不可能的。而IPv4網(wǎng)絡(luò)具有豐富的資源。如能通過轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)IPv6與IPv4網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實現(xiàn)IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)的資源共享，這不僅增加了IPv6網(wǎng)絡(luò)對用戶的吸引力，并具有較高的經(jīng)濟和應(yīng)用價值。

2 NAT－PT轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)方案
2．1 NAT-PT的位置位置和功能結(jié)構(gòu)
NAT-PT在Linux協(xié)議棧中所處的位置如圖1所示，整個NAT-PT模塊由3部分構(gòu)成，NAT維護映射表和地址池，其中DNS-ALG處于應(yīng)用層，而NAT和PT處于IP層，工作在Linux內(nèi)核，但NAT和PT只是在一個Linux內(nèi)核模塊工作，整個NAT-PT網(wǎng)關(guān)是一個包含NAT-PT功能的 Linux系統(tǒng)。

圖2為NAT-PT的功能結(jié)構(gòu)圖。NAT負責(zé)IPv4和IPv6地址的映射轉(zhuǎn)換，如存儲并維護IPv4地址池；為將要建立的連接選擇合適的地址；保持同一通信期間IPv4到IPv6地址的映射、維護。PT負責(zé)在兩種版本的協(xié)議之間進行轉(zhuǎn)換，主要工作是在IP報頭的對應(yīng)字段，根據(jù)IPv4和IPv6在語義上的不同定義進行轉(zhuǎn)換，并對上層協(xié)議進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換(如TCP、UDP及ICMP)，從而構(gòu)建新的數(shù)據(jù)包。應(yīng)用級網(wǎng)關(guān)ALG負責(zé)轉(zhuǎn)換負載中包含IP地址的典型應(yīng)用，其中DNS-ALG是雙向NAT-PT必須具備的功能。
2．2 NAT．PT的通信過程
下面分析NAT-PT在網(wǎng)絡(luò)中的通信過程，圖3為通信模型及其基本配置。

(1)從IPv4到IPv6的通信當IPv4主機B初次與IPv6主機A通信時，首先向本地網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器發(fā)送一個對A名字的查詢請求，此請求記錄是“A”，本地DNS服務(wù)器無此名字記錄，此查詢通過NAT-PT轉(zhuǎn)交，則被DNS-ALG截獲，然后將“A”記錄改為“AAAA”記錄，并直接將轉(zhuǎn)換后的查詢記錄遞交給IPv6網(wǎng)絡(luò)的 DNS服務(wù)器，IPv6的DNS服務(wù)器返回：
主機A AAAA 200 1：250：2000：3：：3
DNS-ALG將該應(yīng)答截獲，并將“AAAA”記錄改為“A”記錄，同時在地址映射表中查找此IPv6地址的映射地址，如果有，則直接用映射的IPv4地址替換DNS應(yīng)答中的IPv6地址，并返回應(yīng)答給IPv4主機B；如果沒有，則向NAT模塊請求分配一個映射地址給此IPv6地址，NAT確認映射表中沒有關(guān)于此IPv6地址的映射表項后，在地址池中分配一個空閑的IPv4地址(比如202．115．9．249)映射給該IPv6地址，并在映射表中添加此綁定表項，最后把分配的IPv4地址返回給DNS-ALG，這時候DNS應(yīng)答變?yōu)椋?br /> 主機A A 202．115．9．249
DNS-ALG將此DNS應(yīng)答返回給IPv4主機B。IPv4主機B此時就可以建立與IPv6主機A的通信，這里假定IPv4主機B發(fā)起的是TCP通信，則：源地址=202．115．8．3，源TCP端口=1 025；目的地址=202．115．9．249，目的TCP端口=80。
此數(shù)據(jù)包被路由器轉(zhuǎn)發(fā)給NAT-PT，協(xié)議翻譯模塊PT轉(zhuǎn)換源包的IP報頭和TCP校驗，在源地址前添加IPv6前綴，轉(zhuǎn)換為IPv4映射的IPv6地址，并根據(jù)NAT地址映射表中202．115．9．249與2001：250：2000：3：：3的映射關(guān)系，將包翻譯為：源地址=2001：250： 2000：3：：202．1 15．8．3，源TCP端口=1 025；目的地址=2001：250：2000：3：：3，目的TCP端口=80。
這樣，IPv4主機B可以與IPv6主機進行通信。對于在此映射表項生存期內(nèi)的后續(xù)通信，將繼續(xù)利用此表項，映射表項超時后將被刪除，映射表項超時機制的引入一是為了釋放地址資源和內(nèi)存，另外還可以減少拒絕服務(wù)攻擊(DoS)的風(fēng)險。
(2)從IPv6到IPv4的通信IPv6主機可以從IPv4網(wǎng)絡(luò)中的DNS服務(wù)器獲得：IPv4主機的名字解析，但如果在IPv6DNS服務(wù)器中緩存適當?shù)摹Pv4主機的名字解析表，則可以提高通信的效率，這樣，IPv6主機就可以從本地的IPv6 DNS服務(wù)器獲得關(guān)于IPv4主機的名字解析。如果IPv6DNS服務(wù)器采用上述方案，則：在圖3中，若IPv6主機A試圖與IPv4主機B建立通信，則 A首先發(fā)送一個對IPv4主機B的名字查詢請求到本地IPv6網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器，這個請求記錄為“AAAA”或“A6'’記錄，由于主機B可能在本地 DNS有IPv4地址或IPv6地址映射，DNS-ALG將把此“AAAA”或“A6”查詢不加修改地轉(zhuǎn)交給本地DNS，若本地DNS應(yīng)答返回的是一個 “AAAA”或“A6”記錄，那么DNS－ALG將把此應(yīng)答不作修改地返回給IPv6主機A。若DNS返回一個“A”記錄，即：
主機B A 202．115．8．3
DNS-ALG則對應(yīng)答返回的IPv4地址進行修改，在IPv4地址前面加上IPv6前綴，變?yōu)椋?br /> 主機B AAAA 200 1：250：2000：3：：202．1 1 5．8．3
或 主機B A6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
如果IPv6 DNS服務(wù)器中沒有緩存IPv4主機的名字解析表，則DNS-ALG將把該“AAAA”或“A6”請求記錄修改為“A”記錄，并將轉(zhuǎn)換后的名字解析請求轉(zhuǎn)發(fā)給IPv4網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器，則IPv4網(wǎng)絡(luò)的DNS服務(wù)器返回如下應(yīng)答：
主機B A 202．115．8．3
DNS－ALG截獲此應(yīng)答，并將其修改為：
主機B AAAA 2001：250：2000：3：：202.1 15．8．3
或 主機B A6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
至此，名字解析成功。僅僅這樣IPv6主機還無法與IPv4主機建立通信，還須將IPv6主機源地址修改為IPv4地址，NAT-PT的PT模塊截獲了主機A的名字查詢請求后將在地址映射表中查詢是否有與該IPv6地址匹配的IPv4地址綁定，若沒有，NAT將在IPv4地址池中分配一個空閑的IPv4地址(比如202．115．9．249)映射給該IPv6地址，并在映射表中添加此綁定表項，此時，IPv6主機A就可以與IPv4主機B建立通信。
IPv4節(jié)點同IPv6節(jié)點通信類似，這里假定A與B進行TCP通信：源地址=2001：250：2000：3：：3，源TCP端口=1 025；目的地址=2001：250：2000：3：：202．115．8．3；目的TCP端口=80。
IPv6主機A發(fā)送的數(shù)據(jù)包被路由器轉(zhuǎn)發(fā)給NAT-PT，協(xié)議翻譯模塊PT轉(zhuǎn)換源包的IPv6報頭和TCP校驗，并根據(jù)NAT地址映射表中202． 115．9．249與2001：250：2000：3：：3的映射關(guān)系，將數(shù)據(jù)包翻譯成：源地址=202．115．9．249，源TCP端口=1 025；目的地址=202．115．8．3．目的TCP端口=80。這樣，IPv6主機A可與IPv4主機B通信。映射表項生存期內(nèi)的后續(xù)通信，將繼續(xù)利用此表項，映射表項超時后刪除。

3 結(jié)束語
由于IPv4資源豐富，而IPvr6資源很少，如果能實現(xiàn)IPv6／IPv4網(wǎng)絡(luò)的互操作，使 IPv6網(wǎng)絡(luò)中的主機能夠訪問IPv4網(wǎng)絡(luò)資源，從而減小網(wǎng)絡(luò)升級成本，加快IPv6的推廣普及，因此必須研發(fā)IPv4／IPv6轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。NAT-PT 方案可實現(xiàn)IPv4與IPv6的雙向通信功能。利用NAT-PT技術(shù)設(shè)計IPv4／IPv6轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，并對其測試，從而實現(xiàn)IPv4與IPv6的雙向通信。