NAT-PT技术在IPv4和IPv6互联中的实现
nat-pt技术在ipv4和ipv6互联中的实现
ipv6推广应用初期网络资源相当匮乏，使用者主要是研究ipv6的科研工作者。ipv6的推广普及需吸引大量普通网络用户，仅靠ipv6网络的优异性能是不够的，还需建立大量的可用资源，在短时间内是不可能的。而ipv4网络具有丰富的资源。如能通过转换网关实现ipv6与ipv4网络的无缝连接，实现ipv4与ipv6网络的资源共享，这不仅增加了ipv6网络对用户的吸引力，并具有较高的经济和应用价值。
2 nat－pt转换网关方案
2．1 nat-pt的位置位置和功能结构
nat-pt在linux协议栈中所处的位置如图1所示，整个nat-pt模块由3部分构成，nat维护映射表和地址池，其中dns-alg处于应用层，而nat和pt处于ip层，工作在linux内核，但nat和pt只是在一个linux内核模块工作，整个nat-pt网关是一个包含nat-pt功能的 linux系统。
图2为nat-pt的功能结构图。nat负责ipv4和ipv6地址的映射转换，如存储并维护ipv4地址池；为将要建立的连接选择合适的地址；保持同一通信期间ipv4到ipv6地址的映射、维护。pt负责在两种版本的协议之间进行转换，主要工作是在ip报头的对应字段，根据ipv4和ipv6在语义上的不同定义进行转换，并对上层协议进行适当的转换(如tcp、udp及icmp)，从而构建新的数据包。应用级网关alg负责转换负载中包含ip地址的典型应用，其中dns-alg是双向nat-pt必须具备的功能。
2．2 nat．pt的通信过程
下面分析nat-pt在网络中的通信过程，图3为通信模型及其基本配置。
(1)从ipv4到ipv6的通信当ipv4主机b初次与ipv6主机a通信时，首先向本地网络的dns服务器发送一个对a名字的查询请求，此请求记录是“a”，本地dns服务器无此名字记录，此查询通过nat-pt转交，则被dns-alg截获，然后将“a”记录改为“aaaa”记录，并直接将转换后的查询记录递交给ipv6网络的 dns服务器，ipv6的dns服务器返回：
主机a aaaa 200 1：250：2000：3：：3
dns-alg将该应答截获，并将“aaaa”记录改为“a”记录，同时在地址映射表中查找此ipv6地址的映射地址，如果有，则直接用映射的ipv4地址替换dns应答中的ipv6地址，并返回应答给ipv4主机b；如果没有，则向nat模块请求分配一个映射地址给此ipv6地址，nat确认映射表中没有关于此ipv6地址的映射表项后，在地址池中分配一个空闲的ipv4地址(比如202．115．9．249)映射给该ipv6地址，并在映射表中添加此绑定表项，最后把分配的ipv4地址返回给dns-alg，这时候dns应答变为：
主机a a 202．115．9．249
dns-alg将此dns应答返回给ipv4主机b。ipv4主机b此时就可以建立与ipv6主机a的通信，这里假定ipv4主机b发起的是tcp通信，则：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。
此数据包被路由器转发给nat-pt，协议翻译模块pt转换源包的ip报头和tcp校验，在源地址前添加ipv6前缀，转换为ipv4映射的ipv6地址，并根据nat地址映射表中202．115．9．249与2001：250：2000：3：：3的映射关系，将包翻译为：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。
这样，ipv4主机b可以与ipv6主机进行通信。对于在此映射表项生存期内的后续通信，将继续利用此表项，映射表项超时后将被删除，映射表项超时机制的引入一是为了释放地址资源和内存，另外还可以减少拒绝服务攻击(dos)的风险。
(2)从ipv6到ipv4的通信ipv6主机可以从ipv4网络中的dns服务器获得：ipv4主机的名字解析，但如果在ipv6dns服务器中缓存适当的。ipv4主机的名字解析表，则可以提高通信的效率，这样，ipv6主机就可以从本地的ipv6 dns服务器获得关于ipv4主机的名字解析。如果ipv6dns服务器采用上述方案，则：在图3中，若ipv6主机a试图与ipv4主机b建立通信，则 a首先发送一个对ipv4主机b的名字查询请求到本地ipv6网络的dns服务器，这个请求记录为“aaaa”或“a6'’记录，由于主机b可能在本地 dns有ipv4地址或ipv6地址映射，dns-alg将把此“aaaa”或“a6”查询不加修改地转交给本地dns，若本地dns应答返回的是一个 “aaaa”或“a6”记录，那么dns－alg将把此应答不作修改地返回给ipv6主机a。若dns返回一个“a”记录，即：
主机b a 202．115．8．3
dns-alg则对应答返回的ipv4地址进行修改，在ipv4地址前面加上ipv6前缀，变为：
主机b aaaa 200 1：250：2000：3：：202．1 1 5．8．3
或 主机b a6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
如果ipv6 dns服务器中没有缓存ipv4主机的名字解析表，则dns-alg将把该“aaaa”或“a6”请求记录修改为“a”记录，并将转换后的名字解析请求转发给ipv4网络的dns服务器，则ipv4网络的dns服务器返回如下应答：
主机b a 202．115．8．3
dns－alg截获此应答，并将其修改为：
主机b aaaa 2001：250：2000：3：：202.1 15．8．3
或 主机b a6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
至此，名字解析成功。仅仅这样ipv6主机还无法与ipv4主机建立通信，还须将ipv6主机源地址修改为ipv4地址，nat-pt的pt模块截获了主机a的名字查询请求后将在地址映射表中查询是否有与该ipv6地址匹配的ipv4地址绑定，若没有，nat将在ipv4地址池中分配一个空闲的ipv4地址(比如202．115．9．249)映射给该ipv6地址，并在映射表中添加此绑定表项，此时，ipv6主机a就可以与ipv4主机b建立通信。
ipv4节点同ipv6节点通信类似，这里假定a与b进行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主机a发送的数据包被路由器转发给nat-pt，协议翻译模块pt转换源包的ipv6报头和tcp校验，并根据nat地址映射表中202． 115．9．249与2001：250：2000：3：：3的映射关系，将数据包翻译成：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。这样，ipv6主机a可与ipv4主机b通信。映射表项生存期内的后续通信，将继续利用此表项，映射表项超时后删除。
3 结束语
由于ipv4资源丰富，而ipvr6资源很少，如果能实现ipv6／ipv4网络的互操作，使 ipv6网络中的主机能够访问ipv4网络资源，从而减小网络升级成本，加快ipv6的推广普及，因此必须研发ipv4／ipv6转换网关。nat-pt 方案可实现ipv4与ipv6的双向通信功能。利用nat-pt技术设计ipv4／ipv6转换网关，并对其测试，从而实现ipv4与ipv6的双向通信。
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图2为nat-pt的功能结构图。nat负责ipv4和ipv6地址的映射转换，如存储并维护ipv4地址池；为将要建立的连接选择合适的地址；保持同一通信期间ipv4到ipv6地址的映射、维护。pt负责在两种版本的协议之间进行转换，主要工作是在ip报头的对应字段，根据ipv4和ipv6在语义上的不同定义进行转换，并对上层协议进行适当的转换(如tcp、udp及icmp)，从而构建新的数据包。应用级网关alg负责转换负载中包含ip地址的典型应用，其中dns-alg是双向nat-pt必须具备的功能。
2．2 nat．pt的通信过程
下面分析nat-pt在网络中的通信过程，图3为通信模型及其基本配置。
(1)从ipv4到ipv6的通信当ipv4主机b初次与ipv6主机a通信时，首先向本地网络的dns服务器发送一个对a名字的查询请求，此请求记录是“a”，本地dns服务器无此名字记录，此查询通过nat-pt转交，则被dns-alg截获，然后将“a”记录改为“aaaa”记录，并直接将转换后的查询记录递交给ipv6网络的 dns服务器，ipv6的dns服务器返回：
主机a aaaa 200 1：250：2000：3：：3
dns-alg将该应答截获，并将“aaaa”记录改为“a”记录，同时在地址映射表中查找此ipv6地址的映射地址，如果有，则直接用映射的ipv4地址替换dns应答中的ipv6地址，并返回应答给ipv4主机b；如果没有，则向nat模块请求分配一个映射地址给此ipv6地址，nat确认映射表中没有关于此ipv6地址的映射表项后，在地址池中分配一个空闲的ipv4地址(比如202．115．9．249)映射给该ipv6地址，并在映射表中添加此绑定表项，最后把分配的ipv4地址返回给dns-alg，这时候dns应答变为：
主机a a 202．115．9．249
dns-alg将此dns应答返回给ipv4主机b。ipv4主机b此时就可以建立与ipv6主机a的通信，这里假定ipv4主机b发起的是tcp通信，则：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。
此数据包被路由器转发给nat-pt，协议翻译模块pt转换源包的ip报头和tcp校验，在源地址前添加ipv6前缀，转换为ipv4映射的ipv6地址，并根据nat地址映射表中202．115．9．249与2001：250：2000：3：：3的映射关系，将包翻译为：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。
这样，ipv4主机b可以与ipv6主机进行通信。对于在此映射表项生存期内的后续通信，将继续利用此表项，映射表项超时后将被删除，映射表项超时机制的引入一是为了释放地址资源和内存，另外还可以减少拒绝服务攻击(dos)的风险。
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主机b a 202．115．8．3
dns-alg则对应答返回的ipv4地址进行修改，在ipv4地址前面加上ipv6前缀，变为：
主机b aaaa 200 1：250：2000：3：：202．1 1 5．8．3
或 主机b a6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
如果ipv6 dns服务器中没有缓存ipv4主机的名字解析表，则dns-alg将把该“aaaa”或“a6”请求记录修改为“a”记录，并将转换后的名字解析请求转发给ipv4网络的dns服务器，则ipv4网络的dns服务器返回如下应答：
主机b a 202．115．8．3
dns－alg截获此应答，并将其修改为：
主机b aaaa 2001：250：2000：3：：202.1 15．8．3
或 主机b a6 2001：250：2000：3：：202．115．8．3
至此，名字解析成功。仅仅这样ipv6主机还无法与ipv4主机建立通信，还须将ipv6主机源地址修改为ipv4地址，nat-pt的pt模块截获了主机a的名字查询请求后将在地址映射表中查询是否有与该ipv6地址匹配的ipv4地址绑定，若没有，nat将在ipv4地址池中分配一个空闲的ipv4地址(比如202．115．9．249)映射给该ipv6地址，并在映射表中添加此绑定表项，此时，ipv6主机a就可以与ipv4主机b建立通信。
ipv4节点同ipv6节点通信类似，这里假定a与b进行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。
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