1 引言

IPv6取代IPv4已經(jīng)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(jīng)歷一個過程。初始階段，在IPv4的網(wǎng)絡(luò)海洋中，會出現(xiàn)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(guī)模的應(yīng)用，原來的孤島逐漸聚合成為了骨干的IPv6 Internet網(wǎng)絡(luò)，形成于IPv4骨干網(wǎng)并存的局面。在IPv6骨干上可以引入了大量的新業(yè)務(wù)，同時可以充分發(fā)揮IPv6的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)IPv6和IPv4網(wǎng)絡(luò)資源的互訪，還需要轉(zhuǎn)換服務(wù)器以實現(xiàn)IPv6和IPv4的互通。最后，IPv4骨干網(wǎng)逐步萎縮成局部的孤島，通過隧道連接，IPv6占據(jù)主導(dǎo)地位，具備全球范圍的連通性。
　　
IPv6提供很多過渡技術(shù)來實現(xiàn)這個漸進過程。這些過渡技術(shù)主要圍繞著解決兩類問題：IPv6孤島互通技術(shù)——實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)的互通；IPv6和IPv4互通技術(shù)——實現(xiàn)兩個不同網(wǎng)絡(luò)之間互相訪問資源。因此我們提出研制IPv4/IPv6互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，通過協(xié)議地址翻譯的機制來解決IPv4和IPv6的互聯(lián)互通問題，實現(xiàn)IPv4向IPv6的平滑過渡。該設(shè)備可應(yīng)用在城域網(wǎng)、校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)和其他專用網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)各級子網(wǎng)對現(xiàn)有IPv6/IPv4資源的安全訪問。圖1-1為IPv4/IPv6網(wǎng)關(guān)的典型應(yīng)用場景。圖1-2為IPv4/IPv6網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)的連接情況。

 
圖1-1  IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)的典型應(yīng)用場景

 
圖1-2 IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)

2 IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)原理

IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)主要由四部分構(gòu)成，分別為機械結(jié)構(gòu)部分、路由器電器部分、一次電源和通風(fēng)散熱系統(tǒng)。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(xié)商定制；通風(fēng)散熱系統(tǒng)由兩組風(fēng)扇組成，負責(zé)網(wǎng)關(guān)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(shè)計等模塊實現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有平滑的可升級能力。IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

                          
圖1-3 IPv4/IPv6網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)

安全網(wǎng)關(guān)主要包括支撐子系統(tǒng)，路由協(xié)議處理子系統(tǒng)（主要是BGP4+代理），IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)核心功能處理子系統(tǒng)、IP轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)（分布式結(jié)構(gòu)），操作管理子系統(tǒng)等等。圖1-4給出了在該體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)

操作與管理子系統(tǒng)（OAM子系統(tǒng)）是整個IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)的控制核心。它需要實現(xiàn)對整個IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的控制和管理。操作與管理子系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)管理；實現(xiàn)被管理模塊之間的信息交互；提供分布式支持；實現(xiàn)錯誤檢測和錯誤恢復(fù)功能；提供一套完善的運行時調(diào)試接口。

IP轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)

轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)實現(xiàn)IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中路由器的基本功能—IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)。該子系統(tǒng)實現(xiàn)IPv6、ICMPv6和Neighbor Discovery三個主要協(xié)議以及IPv4協(xié)議棧中的相應(yīng)協(xié)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(zhuǎn)發(fā)。

路由協(xié)議處理子系統(tǒng)

路由協(xié)議處理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)上的BGP4+的代理，4to6過渡協(xié)議需要支持IPv4路由表向IPv6傳播，并從IPv6網(wǎng)絡(luò)中學(xué)習(xí)IPv4路由表。該部分主要實現(xiàn)4to6過渡協(xié)議中的路由處理機制，包括組播路由的支持。

支撐子系統(tǒng)

支撐子系統(tǒng)是整個IPv4/IPv6互連網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上層應(yīng)用實體的服務(wù)提供者。從協(xié)議角度看，它為BGP4+代理以及網(wǎng)管協(xié)議SNMP提供服務(wù)；從系統(tǒng)角度來看，它是操作和管理系統(tǒng)的一種手段。支撐子系統(tǒng)將實現(xiàn)它的三個組成部分的協(xié)議規(guī)范要求，實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)傳輸，并且提供了一種遠程登錄訪問的手段。

IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)核心功能處理子系統(tǒng)

安全網(wǎng)關(guān)核心功能處理主要是實現(xiàn)IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)過渡機制和過渡技術(shù)，目前包括協(xié)議翻譯轉(zhuǎn)換技術(shù)、隧道技術(shù)、4to6過渡技術(shù)以及應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)技術(shù)。安全網(wǎng)關(guān)3個主要的部分：報文翻譯，DNS應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，F(xiàn)TP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。

 
圖1-5  NAT_PT的總體結(jié)構(gòu)圖

報文翻譯

報文翻譯部分是NAT_PT的最基礎(chǔ)部分。它負責(zé)進行IPv4和IPv6報文之間的翻譯。具體的實現(xiàn)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(tài)地址池的操作都和UDP、ICMP有所區(qū)別。

DNS應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)

DNS應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)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(yīng)用層網(wǎng)關(guān)的主要功能是支持外部的IPv4主機對IPv6域內(nèi)服務(wù)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(nèi)的IPv6 DNS服務(wù)器。同樣IPv6域內(nèi)的IPv6 DNS服務(wù)器的DNSv6回復(fù)報文，也將被翻譯后返回給原IPv4主機。

FTP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)

由于FTP的IPv6擴展功能和現(xiàn)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(shù)據(jù)報的順序號進行修正。FTP應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)解決方案

根據(jù)IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)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(fā)，推薦采用研祥（EVOC）的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(xiàn)IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)。

NPC-8205是一款基于Intlel新一代服務(wù)器JasperForest平臺的高端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品。采取的服務(wù)器平臺，北橋集成在CPU里面，大大提高了CPU對內(nèi)存和外設(shè)的訪問速度。全模塊化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備，支持冗余電源。

采用JASPER FOREAST平臺具有以下優(yōu)點：

（1）支持超線程：第三代超線程技術(shù)。

（2）支持虛擬化設(shè)備輸入/輸出 (VT-d)：在之前以虛擬化CPU為主的基礎(chǔ)上增加設(shè)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(nèi)核加速模式(Turbo Mode)：內(nèi)核運行動態(tài)加速。可以根據(jù)需要開啟、關(guān)閉以及加速單個內(nèi)核的運行。這樣動態(tài)的調(diào)整可以提高系統(tǒng)和CPU整體的能效比率。

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

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

（6）QPI：“快速通道互聯(lián)”，取代前端總線(FSB)的一種點到點連接技術(shù)，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(fā)放異彩的是支持多個處理器的服務(wù)器平臺，QPI可以用于多處理器之間的互聯(lián)。

自由切換的光電口模塊設(shè)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(shù)量。電口不同數(shù)量。光口模塊和電口模塊混合同時使用。

 
（應(yīng)用原理圖）

4.結(jié)束語

綜上可見，研祥（EVOC）的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺NPC-8205作為實現(xiàn)IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)解決方案的硬件平臺，解決了IPv4/IPv6安全網(wǎng)關(guān)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(yōu)秀的解決方案。