使用非特定IPv6地址的IPv4/IPv6分级转换方法

摘要

使用IPv6地址的IPv4/IPv6分级转换方法，其特征在于，分级对IPv4分组和IPv6分组进行转换，第一级利用无状态的IPv4/IPv6地址和协议转换方法在IPv4地址和特定的IPv6地址间建立转换关系；第二级利用无状态的IPv6/IPv6地址转换方法使多个特定的IPv6地址通过端口信息共享一个IPv4地址；第三级通过端口转换使得用户端口符合第二级转换的要求，并通过IPv6/IPv6地址映射将用户通过无状态地址自动配置得到的IPv6地址转换为第二级转换所需的特定IPv6地址。通过上述三级转换，使得IPv4/IPv6转换具有很强的适应性，能够有效地推进互联网从IPv4向IPv6的过渡。

说明书

技术领域

使用非特定IPv6地址的IPv4/IPv6分级转换方法属于计算机互联网通信技术领域。

背景技术

互联网已经成为全世界最重要的信息基础设施，但目前互联网广泛使用的第四版网络协 议IPv4的地址的寻址范围只有232，即43亿地址，根据目前IPv4地址的分配速度，预计在 2011年之后，IPv4地址即将分配完毕。

目前中国网民人口的绝对数已经成为世界第一，但互联网的普及率只有22％，远低于世 界发达国家的水平(70％)。同时，平均每个中国网民仅有0.6个IPv4地址。因此，对于中国 来说，IPv4地址是无法满足需求的。这个问题对于印度等其它亚洲国家和非洲国家来说，都 是非常严重的。

为了解决IPv4地址不够用的问题，国际互联网工程组(IETF)设计了第六版网络协议 IPv6，它的地址寻址范围有2¹²⁸，能够满足需求。但由于种种原因，IPv6协议于IPv4协议是 不兼容的，不能很好的互联互通。当时设计的理念是用“双协议栈”的方法解决互联互通的 问题，但近十年IPv6推广的经验和教训证明，不能访问IPv4众多网络信息资源，不能与IPv4 众多的用户通信的IPv6网络是不可能发展起来的。

地址转换和协议转换是解决IPv4和IPv6互联互通的方法，无状态的地址转换和协议转 换方法，具有可扩展性，但无状态的转换方法需要用户使用特定的IPv6地址，不允许使用自 动配置的IPv6地址。同时，IPv4地址是紧缺资源，需要更好地利用。

本发明的基本原理是在无状态地址转换和协议转换的基础上，①增加无状态IPv6/IPv6 端口复用地址转换网关，根据需求把IVI地址利用端口复用转换为大量的具有第二类编码格 式的IVI IPv6地址；②增加IPv6/IPv6地址映射网关，用户可以使用自动配置的IPv6地址， 当需要与IPv4互联网通信时，通过IPv6/IPv6地址映射网关，将用户IPv6地址转换为无状态 转换方法需要用户使用特定的IPv6地址。上述两级网关与无状态IPv4/IPv6转换网关IVI网 关，可以分3级部署，也可以根据需要组合部署，具有很强的可扩展性和适应性。

本发明的基本特征包括：1)采用IPv4地址嵌入IPv6地址的第一类编码格式在IPv4地 址与运营商的一个IPv6地址的子集IVI6地址之间建立唯一的映射关系；2)采用二级转换方 法，采用IPv4地址和端口范围嵌入IPv6地址的第二类编码格式通过IPv6/IPv6转换网关，根 据需求定义复用比，把少量的IVI6地址转换为大量IPv6地址，供IPv6用户与IPv4互联网通 信用。3)通过IPv6/IPv6地址映射网关，根据需要在用户需要访问IPv4互联网时，将用户IPv6 地址转换为无状态转换方法需要用户使用特定的IPv6地址。用户可以使用自动配置的IPv6 地址。

发明内容

使用非特定IPv6地址的IPv4/IPv6分级转换方法，其特征在于，依次含有以下步骤： 步骤(1)初始化

步骤(1.1)在IPv4和IPv6网络之间设立一个IVI转换网关，并定义第一类编码格式： 把IPv4地址直接嵌入所述IPv6地址的编码格式，构成一个IPv6地址，在运营商基于32位 聚类前缀的所述IPv6地址格式中的第32+n位嵌入32位IPv4地址，n＜32，同时在第64+n 到128位之间空余位填充全0，其中：当所述IPv4地址为所述运营商准备给IPv6主机使用的 IPv4地址时，构成IVI6地址，当所述IPv4地址为包含所述运营商自己在内的全球IPv4地址， 又不属于所述IPv6主机的IPv4地址时，构成IVIG6地址，所述IVI6和IVIG6统称为IVI地 址，由此在所述IPv4地址和IPv6地址的子集之间形成一一对应的双向映射关系，与IVI6和 IVIG6对应的IPv4地址分别称为IVI4和IVIG4地址。

步骤(1.2)在IPv6主干网和IPv6城域网之间设立IPv6/IPv6端口复用地址转换网关， 并定义第二类编码格式：即把IPv4地址加传输层端口编码嵌入所述IPv6地址的编码格式， 在基于运营商32位聚类前缀的所述IPv6地址编码格式中的第32+n位嵌入32位IPv4地址， n＜32，构成IVI前缀，在当64+n到第96位之间如有空余位时填充全0，在第96位至111位 嵌入地址复用比M，在第112位至128位嵌入端口位移值k，0≤k≤M-1，所述M表示 一个所述IPv4地址通过IPv6/IPv6端口复用地址转换网关同时供多个IPv6计算机使用的计 算机个数，

步骤(1.3)对于不同的城域网可以根据需要定义不同的IPv4地址复用比，并根据用户 的IPv6地址的使用情况，根据IVI6地址和特定的端口范围，与用户使用的IPv6地址间建立 一一对应的映射关系，即用户在与IPv4互联网通信时，只能使用特定的端口范围 {端口p|(p mod M)＝k}；

步骤(1.4)定义下述传输层端口映射算法PCA，以使当采用第二类编码格式的IPv6地址 的分组把随机产生的传输层源端口映射步骤(1.3)所述的端口范围；

先排除1-1024端口和其他知名端口，再为所述采用第二类编码格式的IPv6主机列出所 允许的端口映射表，根据请求顺序，把随机产生的传输层源端口映射到此映射表，该端口映 射表条目供后续同一会话系列的分组使用，当不再有后续分组到达时，删除所述端口映射表 条目，释放端口资源，以备后用；

步骤(1.5)将步骤(1.1)分配的IVI6转换为第二类编码格式之后作为IPv6/IPv6地址 映射转换网关的地址池；

步骤(1.6)初始化IPv6/IPv6地址映射转换网关的映射表；映射表中的条目为第二类编 码格式的IVI6地址与用户IPv6地址的映射对；

步骤(1.7)：园区网内IPv6主机通过SLAAC进行IPv6地址的自动配置(为区分IVI6 地址，本文中园区网内IPv6主机通过SLAAC获得的IPv6地址称为“用户IPv6地址”)。

步骤(2)IPv4计算机向IPv6计算机发起通信，其中源地址为IPv4计算机的地址，目的地 址为IPv6计算机的IPv6地址的IPv4镜像，其端口为所述IPv6计算机所允许使用的端口；

步骤(3)：所述IVI转换网关接收分组，依次执行步骤(3.1)-步骤(3.4)；

步骤(3.1)：所述目标地址按步骤(1.1)按设定的第一类编码格式把IPv4地址转换为IVI6 地址，

步骤(3.2)：所述源地址按步骤(1.1)设定的第一类编码格式把IPv4地址转换为IVIG6 地址，

步骤(3.3)：按RFC2765执行除地址转换之外的其它处理程序，并重新计算传输层校验 和，从而形成所述IPv6分组；

步骤(3.4)：向所述IPv6/IPv6端口复用转换网关发送步骤(3.3)形成的第一类编码格式 的IPv6分组；

步骤(4)：IPv6/IPv6端口复用地址转换网关接到步骤(3.4)发送的所述IPv6分组后，执 行以下步骤(4.1)-步骤(4.4)，形成第二类编码格式的IPv6分组并发送，

步骤(4.1)：判断源地址是否为IVIG6地址，如是，执行步骤(4.2)，如不是，执行步骤 (4.4)；

步骤(4.2)：根据目标地址和目标端口把第一类编码格式的IPv6地址转换为第二类编码 格式的IPv6地址；

步骤(4.3)：重新计算传输层校验和，并形成IPv6分组；

步骤(4.4)：向所述IPv6/IPv6地址映射转换网关发送步骤(4.2)中所述IPv6分组；

步骤(5)：IPv6/IPv6地址映射转换网关接收到步骤(4.3)发送的所述IPv6分组，执行以下 步骤(5.1)-步骤(5.5)，形成IPv6分组并发送，

步骤(5.1)：判断源地址是否为IVIG6地址，如是，执行步骤(5.2)，如不是，执行步骤 (5.5)；

步骤(5.2)：目标端口作PCA映射；

步骤(5.3)：查找IPv6/IPv6地址映射转换网关的映射表中是否有与目标地址对应的映射 表条目，如果没有，则丢弃数据包；如果有，则根据映射表条目，将目标地址从第二类编码 格式的IVI6地址转换为用户IPv6地址；

步骤(5.4)：重新计算传输层校验和，并形成IPv6分组；

步骤(5.5)：向IPv6计算机发送步骤(5.4)所述的IPv6分组；

步骤(6)：所述IPv6计算机接收分组；

步骤(7)：所述IPv6计算机向IPv4计算机发送IPv6分组，其中源地址地址为计算机的用 户IPv6地址，源端口为所述IPv6计算机随机产生的源端口，目的地址为IPv4计算机的IPv4 地址的IPv6镜像，即IVIG6地址；

步骤(8)：所述IPv6/IPv6地址映射转换网关接收IPv6分组，执行以下步骤(8.1)-步骤(8.6)， 形成IPv6分组并发送，

步骤(8.1)：判断目标地址是否为IVIG6地址，如是，则执行步骤(8.2)，如不是，则说 明该IPv6分组不是发往IPv4网络，执行步骤(8.6)；

步骤(8.2)：查找IPv6/IPv6地址映射转换网关的映射表，是否有与源地址对应的映射表 条目，如有，则执行步骤(8.3)；如没有，则从地址池中取出一个可用的第二类编码格式的 IVI6地址，与源地址一起建立映射表条目，供后续分组使用；

步骤(8.3)：根据步骤(8.2)得到的映射表条目，将源地址从用户IPv6地址转换为第二 类编码格式的IVI6地址；

步骤(8.4)：源端口作PCA映射；

步骤(8.5)：重新计算传输层校验和并形成IPv6分组，

步骤(8.6)：向所述IPv6/IPv6端口复用转换网关发送IPv6分组；

步骤(9)：IPv6/IPv6端口复用转换网关接收到步骤(8.6)所述IPv6分组，执行步骤(9.1) -步骤(9.5)，形成IPv6分组并发送，

步骤(9.1)：判断目标地址是否为IVIG6地址，如是，则执行步骤(9.2)，如不是，则说 明该IPv6分组不是发往IPv4网络，执行步骤(9.5)；

步骤(9.2)：验证源端口，如符合对应的端口范围，执行步骤(9.3)，否则，丢弃分组；

步骤(9.3)：把源地址从第二类编码格式的IPv6地址转换为第一类编码格式的IPv6地址；

步骤(9.4)：重新计算传输层校验和；

步骤(9.5)：根据路由，发送IPv6分组；如果目标地址为IVIG6地址，则IPv6分组将被 发送往IVI转换网关；

步骤(10)：IVI转换网关接收步骤(9.5)发送的所述目标地址为IVIG6的IPv6分组，通过 以下步骤(10.1)-步骤(10.3)形成IPv4分组并发送，

步骤(10.1)：所述目标地址按步骤(1.1)设定的IPv6地址编码格式转换为IPv4地址，

步骤(10.2)：所述源地址按步骤(1.1)设定的IPv6地址编码格式转换为IPv4地址，

步骤(10.3)：按RFC2765执行除地址转换之外的其它处理程序，并重新计算传输层校验 和，从而形成所述IPv4分组；

步骤(10.4)：向IPv4计算机发送步骤(10.3)形成的IPv4分组；

步骤(10)：所述IPv4计算机接收步骤(10.4)发送的IPv4分组；

由IPv6网络中IPv6计算机发起通信的步骤也可以仿上述步骤描述，由步骤(7)开始执 行；

上述IVI转换网关，IPv6/IPv6端口复用地址转换网关，IPv6/IPv6地址映射地址转换网关， 可以分为3级分开部署，也可以根据需要将相邻两个网关在同一台设备上实现；

附图说明

图1：使用非特定IPv6地址的基于IPv4地址和端口复用的分级转换方法的网络连接方式；

图2：使用非特定IPv6地址的基于IPv4地址和端口复用的分级转换方法的工作流程图；

图3：IPv4地址嵌入IPv6地址的定义格式。

图4：使用非特定IPv6地址的基于IPv4地址和端口复用的分级转换方法通信流程举例 (M＝256)；

具体实施方式和方法案例

本发明的连接方式如图1所示，其中IVI转换网关为第一级转换，把IPv4分组转换为基 于第一类编码格式的IPv6分组；IPv6/IPv6端口复用转换网关为第二级转换网关，根据端口 复用比，无状态地把第一类编码格式的分组转换为第二类编码格式的分组；IPv6/IPv6地址映 射转换网关为第三级转换网关，将用户通过SLAAC自动配置的用户IPv6地址转换为第二类 编码格式的IPv6地址，并通过PCA端口映射，使得端口与第二类编码格式的IPv6地址相符。

本发明的工作流程如图2所示。

本发明的IVI转换网关的映射规则如图3所示，通信流程举例如下：

如运营商的IPv6地址的前缀为2001:da8::/32，所选用的IVI4地址为202.38.108.0/24，则 第一类编码格式IVI6地址范围为2001:da8:ffca:266c:0::/64，IPv6/IPv6地址映射转换网关的地 址池为上述第一类编码格式的IVI6地址范围转换为第二类编码格式后对应的地址范围，本例 中去复用比M＝256。如通信的IPv4计算机的IPv4地址为18.181.0.31，则第一类编码格式 IVIG6的地址为2001:da8:ff12:b500:1f00::/72，对于IPv4计算机不需要第二类编码格式，我们 以IPv6计算机发起通信为例，通信流程为：

(1)IPv6计算机通过无状态地址自动配置(SLAAC)得到IPv6地址 2001:da8:a123:b456:da5d:4cff:fe74:d633；该IPv6计算机的9000端口需要与IPv4计算 机18.181.0.31的8000端口发起通信，18.181.0.31对应的IVIG6地址为 2001:da8:ff12:b500:1f00::，因此IPv6分组的源地址端口和目标地址端口分别为

(2)上述IPv6分组到达IPv6/IPv6地址映射转换网关，由于目标地址为IVIG6地址，所以 需要将源地址转换为第二类编码格式的IVI6地址，从地址池中取出可用地址 2001:da8:ffca:266c:200::100:1，在映射表中建立映射条目，并进行源地址转换，相应的 计算传输层校验和。IPv6分组的源地址端口和目标地址端口分别为

(3)IPv6分组使用复用比M为56，端口位移值k为1的第二类编码格式的IVI6地址，检 查端口9000不符合端口范围要求，从端口映射表中取出可用端口4097，建立映射， 翻译源端口，计算传输层检验和；IPv6分组的源地址端口和目标地址端口分别为

(4)IPv6分组到达IPv6/IPv6端口复用转换网关中，目标地址和目标端口不变，检查源端 口4097符合要求，源地址由2001:da8:ffca:266c:200::100:1转换为第一类编码格式 2001:da8:ffca:266c:200::。IPv6分组的源地址端口和目标地址端口分别为

(5)IPv6分组到达IVI转换网关，源端口、目标端口不变，源地址2001:da8:ffca:266c:200:: 转换为202.38.108.2，目标地址转换为18.181.0.31，根据RFC2765形成IPv4分组，源 地址端口和目标地址端口分别为

(6)IPv4分组到达IPv4计算机；

(7)IPv4计算机18.181.0.31回复IPv4分组。发送IPv4分组，源地址端口和目标地址端口 分别为

(8)在IVI转换网关中，18.181.0.31转换为2001:da8:ff12:b500:1f00::，202.38.108.2转换为 2001:da8:ffca:266c:200::，形成IPv6分组，源地址端口和目标地址端口分别为

(9)IPv6分组到达IPv6/IPv6端口复用转换网关，源地址不变，根据目标端口4097，目标 地址由2001:da8:ffca:266c:200::转换为2001:da8:ffca:266c:200::100:1/，即IPv6分组的源 地址端口和目标地址端口分别为

(10)IPv6分组到达IPv6/IPv6地址映射转换网关，查找目标地址2001:da8:ffca:266c:200::的 端口映射表，根据映射表将目标端口转换为9000；IPv6分组的源地址端口和目标地址 端口分别为

(11)查找IPv6/IPv6地址映射转换网关的地址映射表，根据映射表条目 将目标地址 转换为2001:da8:a123:b456:da5d:4cff:fe74:d633，并计算传输层校验和。IPv6分组的源 地址端口和目标地址端口分别为

(12)IPv6分组到达IPv6计算机；

利用本发明定义的方法，利用端口复用技术使IPv6计算机可以共享IPv4地址与IPv4互 联网进行通信，同时可以通过无状态地址自动配置进行地址配置。