企業IPv4/IPv6網絡ISATAP隧道技術的仿真實現及性能分析

劉清華

(浙江育英職業技術學院， 浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著Internet規模的不斷擴大，IPv4地址空間將逐漸消耗殆盡，而IPv6協議使得IP地址從原來的32 bit擴展到128 bit，且具有更小的路由表、更高的安全性、更強的組播支持和流控制等優勢[1-2].但是現今的網絡體系仍然以IPv4為主體，因此IPv4向IPv6的過渡必定是一個長期和漸進的過程.隧道技術提供了解決不同IP版本相互通信的方案，可分為雙協議棧、協議轉換技術和隧道封裝3種類型[3-4].隧道封裝通過網絡邊界設備在IPv6與IPv4網絡間的隧道入口處將IPv6數據封裝到IPv4中，其源地址和目的地址分別是隧道入口和出口的IPv4地址，在隧道的出口處再將IPv6數據包取出并轉發至目的節點[5].

1 ISATAP隧道技術原理

ISATAP(Intra-site automatic tunnel addressing protocol，站內自動隧道尋址協議)，是一種支持NBMA(Non-broadcast multiple access，非廣播多路訪問)模式的IPv6過渡機制，用于連接IPv4網絡上的IPv6/IPv4雙棧節點.當2臺主機彼此需要通信時，ISATAP將IPv4網絡視作IPv6的虛擬鏈路層，允許站點內的主機進行自動配置，從而提供了站點內ISATAP主機和站點外IPv6主機數據包轉發的功能[3].

網絡兩端的IPv6主機需要通信時，IPv4中的PC先與ISATAP路由器創建Tunnel接口，該接口會根據IPv4產生一個64 bit的接口標識符::0:5efe:x:x:x:x(此處的x:x:x:x為雙棧主機中的IPv4地址，如圖1所示的192.168.1.1).當主機配置ISATAP后會向ISATAP路由器發送RS(Router solicitation,路由器請求)消息請求IPv6前綴，該RS消息最終在IPv4網絡中被路由到ISATAP路由器.ISATAP路由器獲取RS消息后，立即以一個RA(Router advertisement,路由器通告)進行回應，RA消息中包含ISATAP上所配置的IPv6全局單播地址的前綴.當PC主機收到RA回應后，會解析出里面的IPv6前綴，并在其后加上自己ISATAP虛擬網卡的64 bit接口標識地址，構成一個IPv6全局單播地址(fe80::0200:5efe:192.168.1.1)，同時將該路由器設為自己的IPv6默認網關[6]，則這臺PC就可以通過ISATAP路由器訪問IPv6資源.由此可以看出，ISATAP技術實際上是將IPv6封裝在IPv4數據包中，然后傳給ISATAP路由器，再由ISATAP路由器解封裝后轉發給IPv6網絡，而IPv4網絡只是作為數據傳輸的一個通道或承載平臺.

2 IPv6地址格式與類型

IPv6將IP地址由32 bit擴充到128 bit，以滿足大規模網絡節點的需求.IPv6使用全新的地址配置方式，包括網絡前綴和接口標識2部分，使得配置更加簡單，同時還采用全新的報文格式，由IPv6包頭(40Bytes固定長度)、擴展包頭和上層協議數據單元3部分組成，提高了處理報文的效率.

圖1 ISATAP隧道技術示意圖

RFC2373詳細定義了3種規范形式的IPv6地址[7]：

1)優先選用的形式是 X:X:X:X:X:X:X:X，其中每個X代表16個bit，以16進制顯示，值為0x0000-0xFFFF，例如，2001:0002:1F1F:0000:0000:0100:11A0:ADDF，每組數值的前導0是可以省略的，例如，0002縮寫為2，0000縮寫為0.

2)一個或多個連續的段內各位全為0時，為了縮短地址長度，用::(雙冒號)表示，但一個IPv6地址只允許用一次.例如，FF01:0:0:0:0:0:0:101：多點傳送地址，可壓縮為FF01::101；0:0:0:0:0:0:0:1：回送地址，可以壓縮為 ::1；0:0:0:0:0:0:0:0：未指定地址，可壓縮為 :: .

3)為了實現IPv4與IPv6互通，IPv4地址嵌入IPv6地址中，此時地址的表達方式為X:X:X:X:X:X:D.D.D.D，前96 bit采用冒分16進制，而最后32 bit地址則使用IPv4的點分10進制.例如，0:0:0:0:0:0:192.168.1.2，內嵌IPv6地址的IPv4地址，可壓縮為 ::192.168.1.2；0:0:0:0:0:FFFF:10.0.0.1，內嵌IPv4地址的IPv6地址，可壓縮為 ::FFFF.10.0.0.1.

另外IPv6地址按尋址方式和功能的不同，又可以分為3種基本類型[8]：

1)單播地址(Unicast).在單播尋址模式下，一個IPv6接口(host)在一個網絡里是唯一的.IPv6 報文包含源地址和目的地址，當一個網關或路由器收到一個Unicast IP報文，目標是一臺主機，它把報文從與該主機相連的接口發出去.

2)任意點播地址(Anycast).在這種地址模式下，多個接口(主機)被賦予相同的Anycast IP地址.當一個主機希望與配備Anycast的主機聯系，它發送一個Unicast消息，在復雜路由機制的幫助下，這個Unicast消息被送到離發送者最近(路由成本最低)的主機上.

3)組播地址(Multicast).目的地為多個主機的報文由多播地址發送.所有對該多播信息感興趣的主機要事先加入多播組.所有加入該組的接口接收這個多播報文并處理它，其他不感興趣的主機忽略該多播報文.所有類型的 IPv6地址被分配到接口，而不是分配給節點.一個IPv6單播地址屬于單個接口，即屬于單個節點.具有多個接口的節點，則可以有多個單播地址，其中任何一個都可以用作該節點的標識符，至少有一個鏈路本地地址.

3 仿真環境的搭建與網絡配置

3.1 仿真實驗拓撲結構

仿真實驗基于Dynamips平臺進行設計和配置.Dynamips是一個基于虛擬化技術且用于模擬思科(Cisco)路由器的軟件，能為用戶提供類似真實路由器的使用環境，仿真實驗拓撲圖如圖2所示.企業A(EnterpriseA)所在的IPv4網段通過ISPAPT路由器(ISPAPT_Router)與企業B(EnterpriseB)所在的IPv6網段連接.PC1發往PC2的數據包使用PC1的IPv4地址192.168.1.1為源地址，ISATAP路由器的IPv4地址10.0.0.2為目的地址，去掉IPv4的數據包頭進入IPv6網段，如圖2中①所示.從IPv6的數據包中提取IPv4的地址192.168.1.1作為目的地址，隨道源tunnel source地址10.0.0.2作為IPv4的源地址，將IPv6的數據包封裝到IPv4的數據包中進入IPv4網段，如圖2中②所示.

圖2仿真實驗拓撲圖

3.2 路由器端口設置與IP地址分配

ISPAPT-Router 路由器的Serial1/0、Serial1/1端口分別與IPv4網段IPv4-Router路由器的Serial1/0端口及IPv6網段IPv6-Router路由器的Serial1/1端口相連，3臺路由器以及2臺PC機的端口設置及IP地址分配如表1所示.

表1 路由器端口設置與IP地址分配表

3.3 配置命令及解析

仿真實驗中ISPAPAT-Router的配置如圖3所示，為避免產生歧義，所有代碼都采用完整的命令格式，對主要配置命令的解析如表2所示.

3.4 測試結果

IPv4與IPv6網段連通性的測試結果如圖4所示.

通過show ipv6 route命令查看ISATAP-Router的路由表信息如圖5所示.啟用ISATAP協議后，路由器會產生一個ISATAP虛擬網卡，該虛擬網卡的2001:3::的64 bit接口標識地址， 加上專為ISATAP保留32 bit的0200:5EFE以及32 bit的tunnel source地址10.0.0.2，一起構成128 bit的IPv6全局單播地址.

圖3 ISPAPAT-Router的主要配置命令

4 網絡性能影響分析

4.1 數據包收發率

在企業A的IPv4網段，主機PC1開始發送數據包時，需要先與ISATAP路由器建立ISATAP隧道，然后根據路由器提供的IPv6前綴構造自己的IPv6地址，因此開始階段數據包的發送率呈下降趨勢，但這個時間比較短暫，大約1 min后，主機PC1建立tunnel并完成IPv6的構造工作，于是數據包的發送率陡然上升，約2 min后達到峰值，然后呈平緩下降趨勢，直至1 h后數據包發送完畢.在企業B的IPv6網段，主機PC2的數據接收速率呈現與PC1相同的趨勢，如圖6所示，說明配置ISATAP隧道技術的網絡收斂速度快，網絡抖動較為平滑，體現了良好的魯棒性.

表2 ISPAPAT-Router主要配置命令的解析

圖4 IPv4與IPv6網段連通性的測試結果

圖5 ISATAP-Router的路由表信息

4.2 網絡吞吐量

網絡的吞吐量呈現與數據包收發率相同的趨勢.

圖6 IPv4/IPv6網段的主機數據包收發率

開始時吞吐量呈下降趨勢，大約1 min后跌至峰谷，約為80 bit/s，但在很短的時間內就達到峰值710 bit/s，大約2 min后數據包收發完畢，整個網絡的吞吐量逐步接近0 bit/s，如圖7所示.這從另一方面確認了ISATAP隧道技術對網絡魯棒性的保障作用.

圖7網絡吞吐量

5 結 語

ISATAP隧道技術部署相對簡單，為IPv4向IPv6過渡階段的應用提供了一個適宜的解決方案.ISATAP隧道是點到點的自動隧道技術，通過在IPv6報文的目的地址中嵌入IPv4地址.當2臺ISATAP主機通信時，自動抽取出IPv4地址建立隧道，即可自動獲取隧道的終點.ISATAP過渡機制允許在現有的IPv4網絡內部部署IPv6，其技術簡單而且擴展性好，不需要特殊的網絡設備，只要通信雙方的IPv4網絡保持通暢即可，而且收斂速度快，網絡抖動較為平滑.