IPv4/IPv6安全網關原理及應用分析

1 引言

IPv6取代IPv4已經成為公認的事實，然而這將是一個長期的、漸進的過程。IPv6的部署大致要經歷一個過程。初始階段，在IPv4的網絡海洋中，會出現若干局部零散的IPv6孤島，為了保持通信，這些孤島通過跨越IPv4的隧道彼此連接。隨著IPv6規模的應用，原來的孤島逐漸聚合成為了骨干的IPv6 Internet網絡，形成于IPv4骨干網并存的局面。在IPv6骨干上可以引入了大量的新業務，同時可以充分發揮IPv6的優勢。為了實現IPv6和IPv4網絡資源的互訪，還需要轉換服務器以實現IPv6和IPv4的互通。最后，IPv4骨干網逐步萎縮成局部的孤島，通過隧道連接，IPv6占據主導地位，具備全球范圍的連通性。
　　
IPv6提供很多過渡技術來實現這個漸進過程。這些過渡技術主要圍繞著解決兩類問題：IPv6孤島互通技術——實現IPv6網絡和IPv6網絡的互通；IPv6和IPv4互通技術——實現兩個不同網絡之間互相訪問資源。因此我們提出研制IPv4/IPv6互聯網關，通過協議地址翻譯的機制來解決IPv4和IPv6的互聯互通問題，實現IPv4向IPv6的平滑過渡。該設備可應用在城域網、校園網、企業網和其他專用網絡上，實現各級子網對現有IPv6/IPv4資源的安全訪問。圖1-1為IPv4/IPv6網關的典型應用場景。圖1-2為IPv4/IPv6網關組網的連接情況。

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圖1-1? IPv4/IPv6安全網關的典型應用場景

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圖1-2 IPv4/IPv6安全網關組網

2 IPv4/IPv6安全網關原理

IPv4/IPv6安全網關主要由四部分構成，分別為機械結構部分、路由器電器部分、一次電源和通風散熱系統。機械部分包括主機箱和配線架，主機箱可以外購或者按照機械尺寸定制，配線架采用19英寸機箱的標準配線架；一次電源和電源廠家協商定制；通風散熱系統由兩組風扇組成，負責網關主機框和電源的散熱；路由器電器將采用主控板、交換板、電源冗余設計等模塊實現模塊化結構設計，具有平滑的可升級能力。IPv4/IPv6安全網關的體系結構如圖1-3所示。

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圖1-3 IPv4/IPv6網關體系結構

安全網關主要包括支撐子系統，路由協議處理子系統（主要是BGP4+代理），IPv4/IPv6互連網關核心功能處理子系統、IP轉發子系統（分布式結構），操作管理子系統等等。圖1-4給出了在該體系結構下，IP分組流動的示意圖。


圖1-4? IP分組處理流程示意圖

操作與管理子系統

操作與管理子系統（OAM子系統）是整個IPv4/IPv6互連網關的控制核心。它需要實現對整個IPv4/IPv6互連網關系統的控制和管理。操作與管理子系統的主要功能包括：提供多種用戶操作界面，包括控制臺、虛擬終端和SNMP網絡管理；實現被管理模塊之間的信息交互；提供分布式支持；實現錯誤檢測和錯誤恢復功能；提供一套完善的運行時調試接口。

IP轉發子系統

轉發子系統實現IPv4/IPv6互連網關系統中路由器的基本功能—IP分組的轉發。該子系統實現IPv6、ICMPv6和Neighbor Discovery三個主要協議以及IPv4協議棧中的相應協議，并能夠同時支持單處理器平臺和分布式多處理器平臺的IP分組轉發。

路由協議處理子系統

路由協議處理子系統主要實現IPv4/IPv6互連網關上的BGP4+的代理，4to6過渡協議需要支持IPv4路由表向IPv6傳播，并從IPv6網絡中學習IPv4路由表。該部分主要實現4to6過渡協議中的路由處理機制，包括組播路由的支持。

支撐子系統

支撐子系統是整個IPv4/IPv6互連網關系統上層應用實體的服務提供者。從協議角度看，它為BGP4+代理以及網管協議SNMP提供服務；從系統角度來看，它是操作和管理系統的一種手段。支撐子系統將實現它的三個組成部分的協議規范要求，實現了端到端的數據傳輸，并且提供了一種遠程登錄訪問的手段。

IPv4/IPv6安全網關核心功能處理子系統

安全網關核心功能處理主要是實現IPv4/IPv6網絡過渡機制和過渡技術，目前包括協議翻譯轉換技術、隧道技術、4to6過渡技術以及應用層網關技術。安全網關3個主要的部分：報文翻譯，DNS應用層網關，FTP應用層網關。

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圖1-5? NAT_PT的總體結構圖

報文翻譯

報文翻譯部分是NAT_PT的最基礎部分。它負責進行IPv4和IPv6報文之間的翻譯。具體的實現主要針對TCP、UDP和ICMP三種不同類型的報文進行翻譯。由于TCP自己的特性，在地址映射的時間上，還有TCP建立連接的時候，對動態地址池的操作都和UDP、ICMP有所區別。

DNS應用層網關

DNS應用層網關部分是為了支持DNS的IPv6擴展功能的。它主要對針對目的端口/源端口=53的DNS_UDP報文進行翻譯的。DNS應用層網關的主要功能是支持外部的IPv4主機對IPv6域內服務器的訪問。這樣，當外部的DNSv4的查詢報文通過路由器的時候，將被翻譯后送到IPv6域內的IPv6 DNS服務器。同樣IPv6域內的IPv6 DNS服務器的DNSv6回復報文，也將被翻譯后返回給原IPv4主機。

FTP應用層網關

由于FTP的IPv6擴展功能和現有的IPv4FTP命令不相同，不完全兼容，所以需要對FTP的命令作翻譯。同時的由于TCP報文的負荷長度有所變動，所以還需要對一個FTP的連接的所有TCP數據報的順序號進行修正。FTP應用層網關部分主要對針對目的端口/源端口=21的FTP_TCP報文進行翻譯。

3 IPv4/IPv6安全網關解決方案

根據IPv4/IPv6安全網關的原理和市場需求，從性能，可擴展性以及高可靠性的角度出發，推薦采用研祥（EVOC）的網絡系統平臺NPC-8205作為解決方案的硬件平臺，在此可靠的平臺上實現IPv4/IPv6安全網關。

NPC-8205是一款基于Intlel新一代服務器JasperForest平臺的高端網絡應用系統產品。采取的服務器平臺，北橋集成在CPU里面，大大提高了CPU對內存和外設的訪問速度。全模塊化的網絡設計，可靈活選擇光電組合，并在千兆，萬兆之間靈活切換。主板支持兩顆CPU，支持12個DIMM內存槽，6個SATA接口。支持CF卡，板載PCI擴展槽和兩個PCI-E擴展槽。整機支持三個全模塊的網絡擴展，支持兩個2.5寸抽拉硬盤位，支持液晶屏顯示，板載2千兆電口，1個串口，2個USB，前面板可擴展兩個PCI –E設備，支持冗余電源。

采用JASPER FOREAST平臺具有以下優點：

（1）支持超線程：第三代超線程技術。

（2）支持虛擬化設備輸入/輸出 (VT-d)：在之前以虛擬化CPU為主的基礎上增加設備輸入/輸出的虛擬化，能有效提高虛擬機的性能和效率。

（3）內核加速模式(Turbo Mode)：內核運行動態加速。可以根據需要開啟、關閉以及加速單個內核的運行。這樣動態的調整可以提高系統和CPU整體的能效比率。

（4）Cache的設計：采用三級全內含式Cache設計，L1的設計和Core 微架構一樣；L2采用超低延遲的設計，每個內核256KB；L3采用共享式設計，被片上所有內核共享。

（5） 集成了內存控制器(IMC)：從芯片組上移到CPU片上，支持多通道DDR3內存，內存讀取的延遲大幅度減少，內存帶寬大幅提升，最多可達三倍。

（6）QPI：“快速通道互聯”，取代前端總線(FSB)的一種點到點連接技術，20位寬的QPI連接其帶寬可達驚人的每秒25.6GB，遠非FSB可比。QPI最初能夠發放異彩的是支持多個處理器的服務器平臺，QPI可以用于多處理器之間的互聯。

自由切換的光電口模塊設計

不打開箱蓋，直接在前面板操作，就可以在光口模塊和電口模塊間任意更換。可以靈活的搭配出光口不同數量。電口不同數量。光口模塊和電口模塊混合同時使用。

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（應用原理圖）

4.結束語

綜上可見，研祥（EVOC）的網絡系統平臺NPC-8205作為實現IPv4/IPv6安全網關解決方案的硬件平臺，解決了IPv4/IPv6安全網關對對計算性能，存儲性能，可靠性能，擴展性能的需求，是一個比較優秀的解決方案。

參考文獻：

馮登國. 計算機通信網絡安全（M）.北京：清華大學出版社，2001.2

英特爾嵌入式與通信產品資源，技術和解決方案

Christopher Y.Metz.IP Switching Protocols and Architeetures. 北京：機械工業出版社，1999.11