Linux下IPV4和IPV6的互操作性研究

　　作为向下一代互联网络协议过渡的重要步骤，国际的IPv6试验网--6bone在1996年成立
了。现在，6bone已经扩展到全球50多个国家和地区，成为IPv6研究者、开发者和实践者的
主要平台。CERNET国家网络中心于1998年6月加入6bone，同年11月成为其骨干网成员。电
子科大作为教育网的西南主节点，在得到Nokia的IPv6路由器之后，积极参与IPv6技术研究
，我们先查阅研究了大多数与IPv6有关的RFC文档和相关技术资料，并且在此基础上进行了
很多网络实验。该文先简单阐述了IPV6的必要性和IPV4到IPV6升级转换的机制，然后详细
阐明了在Linux操作系统下进行的IPv6网络实验及其结论，并附有相关参考文献书目。

一、使用IPv6的必要性

　　现在运行的因特网协议IPv4存在其固有的局限性，一是地址问题，IPv4的地址只有32
位，这意味着总的地址数大约是40亿，并且还有许多地址是不可用的。按照目前网络的发
展趋势，到2005和2015年之间IPv4的地址就会耗尽，必须用另一种地址方案来替代它，二
是IPv4提供的服务局限性，IPv4尽它的最大努力来传送信息包，但是它不会保证提供给上
层的服务是可靠的，没有QoS（服务质量）的概念。这些问题都是IPv4的薄弱环节，致命弱
点，另外因特网不断提出对移动性、安全性以及多媒体业务的支持等问题，IPv4都无法解
决，这样就迫使我们必须引入下一带因特网协议--IPv6。

二、IPv4和IPv6的互操作

　　要将现在的IPV4网络升级到IPV6网络，不可能所有的机器在同时启用IPV6协议栈，配
置好IPV6地址，安装好IPV6应用程序，所以必须实现IPV4网络与IPV6网络之间的互操作及
平滑升级机制。IPv4到IPv6的升级转换机制的首要条件是允许IPv6和IPv4主机互操作；其
次是在相互依赖性很小的情况下使IPv6的主机和路由器能在因特网中快速发展；第三是转
换对端用户，系统管理员和网络实施者来说易于理解和执行。IPv6转换机制是一套主机和
路由器执行的协议机制，有一套定址和配置的操作指导方案，尽可能减少转换过程中造成
的破坏。IPv6转换机制的主要目标如下：
　　? 可增加的升级和扩展性:单个IPv4的主机和路由器可在不需要其它的主机和路由器
同时升级的情况下单独升级成IPv6，新的IPv6主机和路由器可以后再一台台的安装成IPv6
。
　　?最小的升级依赖性。将主机升级成IPv6的唯一先决条件是域名服务器必须先升级以
处理IPv6地址记录。
　　?方便的寻址。当IPv4的主机和路由器升级到IPv6后，他们必须继续用原来的地址。
他们不需要指定新的地址。管理者不需制定新的地址分配方案。
　　?很低的启动开销。将IPv4系统升级成IPv6很少或几乎不需要准备工作。
　　IPv6转换机制确保IPv6主机能和任何因特网上的IPv4通信，直到IPv4被淘汰，并在那
时允许在小范围内互相通信。这个特征保护了用户已经在IPv4上的巨大投入并使得IPv6不
会将IPv4孤立。
　　基于以上原因，IPv4主机和路由器上与Ipv6主机和路由器现在广泛采用了如下两种互
操作的机制：隧道技术和双IP协议栈技术。
　　
A．隧道技术：

　　隧道提供了一种利用IPv4路由基础上传输IPv6包的方法。隧道应用于下面几种应用中
：路由器到路由器、主机到路由器、主机到主机和路由器到主机。
　　路由器到路由器和主机到路由器隧道技术都是将IPv6包传到路由器，隧道的终点是中
间路由器，必须将IPv6包解出，并且转发到它的目的地。隧道终点的地址必须由配置隧道
节点的配置信息获得，这种类型的隧道称作人工配置隧道。
　　当利用隧道到达IPv6的主干网时，如果一个在IPv4网络和IPv6网络边界的IPv4/IPv6路
由器的IPv4地址已知时，那么隧道的端点可以配置为这个路由器。这个隧道的配置可以被
写进路由表中作为"缺省路由"。这就是说所有IPv6目的地址符合此路由的都可以使用这条
隧道，这种隧道就是默认配置的隧道。
　　主机到主机和路由器到主机隧道技术都是将IPv6包传到主机的，可以用IPv6包的信息
获得终点地址。隧道入口创建一个IPv4封装头并传送包，隧道出口解包，去掉IPv4头，更
新IPv6头，处理IPv6包。隧道入口节点需要保存隧道信息如MTU等。如果用于目的节点的I
Pv6地址是与IPv4兼容的地址，隧道的IPv4地址可以自动从IPv6地址继承下来，因此也就不
需要人工配置。这种隧道也就称为自动隧道。
　　IPv4兼容的IPv6地址格式如下：
　　　　　　

B．双IP协议栈方式

　　双协议栈方式包括提供IPv6和IPv4协议栈的主机和路由器。双协议栈工作方式的简单
描述如下：
　　?如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址，那么将使用IPv4协议栈；
　　?如果应用程序使用的目的地址是兼容IPv4的IPv6地址，那么IPv6就封装到IPv4中；

　　?如果目的地址是另一种类型的IPv6地址，那么就使用IPv6地址，可能封装在默认配
置的隧道中。
　　双协议栈的缺省IP包发送算法为：
a. 如果IP包的目的地址是IPv4地址：
　　如果目的站点在可达链路上，直接发送；
　　如果目的站点不可达，要么送往在线路由器，要么不可达。
b. 如果IP包的目的地址是IPv4兼容的IPv6地址：
　　如果目的站点在可达链路上，直接发送IPv6包；
　　如果目的站点处于off-link，（1）如果有可达IPv4路由器，则封装在IPv4包中发往I
Pv4路由器；（2）如果有可达IPv6路由器，则不封装，直接发送；（3）如果没有可达路由
器，则不可达。
c. 如果IP包的目的地址是纯IPv6地址：
　　如果目的站点在 可达链路上，直接发送IPv6包；
　　如果目的站点处于off-link，（1）如果有可达IPv6路由器，则直接发送到路由器；（
2如果目的地通过手动隧道可达，并且链路上有可达IPv4路由器，则封装成IPv4包，目的I
P地址为隧道终点地址，链路地址为可达路由器的链路地址。（3）否则为不可达。
d. 在线/离线的确定
　　IPv4使用子网掩码确定，IPv6使用邻居发现协议。两者共同使用的是：如果目的地址
是IPv4地址，则使用　　RFC1122比较两者的掩码；如果目的地址是IPv4兼容的IPv6地址，
则使用低32位目的地址的子网掩码比较；如果是　　IPv6纯地址，则使用邻居发现协议。

三、Linux下IPv6网络研究实验

　　我们在研究了大量IPv6协议（主要的IPv6 RFC文档）之后，进行了一系列的IPv6研究
实验。现详细叙述如下：

1．Pv6研究实验平台的选择

　　在国内有几所大学已经或正在进行IPv6实验研究，并且建立了CERNET IPv6实验床，我
们在与CERNET IPv6实验床的老师和同学取得联系并进行了交流，实验床网络中心最初的组
网是通过主机配置FreeBSD来完成的，1998年开始用的是FreeBSD2.2.8，现在是FreeBSD3.
2，3.4，4.0都有，此外有些科研人员也开始采用linux进行实验，路由器现在采用的是No
kia的IP650，还有FreeBSD+Mrtd的主机。电子科大作为教育网西南地区的主节点，也得到
了Nokia捐赠的IPv6路由器。在此基础之上，我们通过分析比较研究各种操作系统，最后选
定用linux作为IPv6主机和路由器研究实验平台。具体原因如下：
A． Linux作为开放的操作系统，其原代码完全公开，具有很强的灵活性，现在有很多自由
软件联盟为Linux免费开发如件，故Linux具有很强的生命力和活力，而其他大部分由个别
公司开发的操作系统，一方面原代码不公开，无法根据自己的要求修改内核，其公司的发
展的兴衰，很大程度上影响该操作系统的发展。
B． Linux操作系统很先进，一直跟踪关注网络的发展，用Linux组建Internet网络，建立
网站，进行网络开发研究，都是很好的选择。并且其内核从2.2.0开始，就已经开始支持I
Pv6技术了，这等于就为我们提供了IPv6协议栈原代码，　　我们可以利用其共享代码做I
Pv6的研究开发。

2．Linux主机IPv6协议支持技术研究

　　在选定了实验平台之后，我们就着手进行一系列的IPv6实验，主要针对在已大量安装
了IPv4的主机和路由器情况下，如何成功地兼容地升级到IPv6，如何运用在IPv6主机和路
由器上，与Ipv4主机和路由器成功互操作，以及如何建立配置IPv6主机和路由器。在进行
IPv6实验之前，我们根据网上查询资料及对Linux内核分析，研究了如何建立IPv6主机，包
括安装协议栈，网络工具及网络程序，现以Redhat 6.1 Linux为例，详细说明其具体步骤
如下：

A．支持IPv6协议的新内核的编译

　　要让操作系统支持IPv6，就要安装IPv6协议栈，Redhat6.1的内核为2.2.12版本，可支
持IPv6，但是安装缺省不支持，由于协议栈在操作系统中是处于核心地位的，必须重新编
译新的内核才能安装上新的协议栈，其具体步骤如下：
　　1)以root身份登陆，进入源码所在的目录：cd /usr/src/linux
　　2)运行 make clean，清除一些可能过期的中间代码。
　　3) 然后配置内核选项：make menuconfig 或者 make xmenuconfig运行make menucon
fig后，将下面的支持IPv6的选项选上，其他内核选项请根据系统的具体情况作出符合系统
的选择。
　　　Code maturity level options
　　　　　Prompt for development and/or incomplete code/drivers Yes.
　　　Networking options
　　　　　Packet socket 　　　　　　　　　　　　　　yes
　　　　　Unix domain sockets 　　　　　　　　　　　yes
　　　　　TCP/IP networking 　　　　　　　　　　　　yes
　　　　　The IPv6 protocol 　　　　　　　　　　　　yes
　　　　　IPv6: enable EUI-64 token format 　　　　 yes
　　　　　IPv6: disable provider based address 　　 yes
　　　File systems
　　　　　/ procfilesystem support yes
　　4)然后运行make dep; make clean; make bzImage
　　5)没有错误，现在已经编译成功了支持IPv6协议的内核了。将该内核拷贝到Linux的启
动目录下。
　　　cp arch/i386/boot/zImage /boot/vmlinuz-IPv6
　　6)编辑etc/lilo.conf使新的内核成为boot的选择。
　　7) 重启系统： reboot
　　在重启系统之后，在登陆之前会发现有支持IPv6的内核信息出现，这下该主机就是纯
IPv6主机啦，但是现在的主机只是安装的IPv6协议栈，并没有IPv6网络配置工具如hostna
me， netstat， arp， ifconfig， rarp， route等，还不能配置网络，不能检测调试发
送IPv6包，因此我们必须进行如下操作。

B．编译net-tools

　　Linux的网络配置，基本上是通过ifconfig和route等命令实现的，需要安装编译新版
本的支持IPv6的net-tools，我们采用了net-tools-1.52。其安装过程如下：
　　1)解开软件包：tar xzf your-path/net-tools-1.52.tar.gz -C /usr/src
　　2)进入源码所在目录：cd /usr/src/net-tools
　　3)make config时选择下面的内容，其他选项内容请根据自己系统情况选择：
　　　编译主选项 　　　　　　　　　子选项 　　　　　　　　　选择
　　　GNU gettext 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Yes( 如果使用的是g
libc2)
　　　Protocol Families 　　　　　UNIX protocol family 　　　Yes
　　　　　　　　　　　　　　INET (TCP/IP) protocol family　　Yes
　　　　　　　　　　　　　　INET6 (IPv6) protocol family 　　Yes
　　　　　　　　　　　　　Device hardware types SIT (IPv6-inIPv4) support Yes

　　4)然后编译：make；安装：make install。再重启。
　　现在我们就可以使用ifconfig和route等命令配置查看网络了。运行ifconfig，我们可
以看到在每个网络接口，都生成了一个IPv6地址，这是它的本地链路地址，我们还需要配
置其相应的全球地址和路由信息。最后我们的IPv6主机就建立起来了。两台机器均如此操
作，通过绞线相连的最简单的纯IPv6网络就搭建好啦。
　　但是我们没有IPv6的应用程序来检测我们的IPv6网络，但是怎么知道我们的主机在网
络中是否能够与其他主机通信呢，这还得需要有IPv6的应用程序检测我们的网络。

C．编译Inet6-applications

　　编译新版本的支持IPv6的网络应用程序我们采用的是inet6-apps-0.36，其编译过程如
下：
　　1) 解开软件包：tar xzf your-path/inet6-apps-0.36.tar.gz -C /usr/src
　　2) 为编译程序建立必要的链接：
　　　ln -sf /usr/src/inet6-apps-0.36 /usr/src/inet6-apps
　　3) 进入源码所在目录： cd /usr/src/inet6-apps
　　4)这个版本的inet6工具的icmp.c有个小Bug，编译时需要一个补丁（inet6-apps-0.3
6-glibc21-rh60-patch.txt.gz）。将补丁程序加上然后编译：make clean; make ; make
install。重启系统。
现在我们就有了如finger[d]， ftp[d]， inetd， ping， tftp， libinet6等网络应用程
序就可以进行主机间的IPv6测试了。

3．Linux下IPv6主机和路由器配置技术研究

　　在研究了Linux IPv6主机建立技术之后，我们在Linux主机上进行了如下的进行IPv6主
机和路由网络实验研究：

A．IPv6主机通信实验

　　为了了解如何建立IPv6主机，如何在Linux操作系统中，建立IPv6协议栈，收发纯的I
Pv6数据包，我们最开始建立了如图1所示的一个最简单的IPv6网络实验环境：
　　　　　　　　　　
　　我们安装了两台以Redhat6.1 Linux为操作系统的主机，并且通过绞线相连。对于每台
主机，编译新的内核支持IPv6，由于缺省支持IPv4，故该主机为IPv6/IPv4双协议栈主机。
为了研究纯IPv6主机通信，我们只配置主机的IPv6网络信息，未配置其IPv4地址和网络。
作为西南地区，网络中心分配的IPv6地址前缀是3ffe:3203:1001::/48，故利用ifconfig配
置Host1和Host2的全球IPv6地址分别为3ffe:3203:1001::218/52和3ffe:3203:1001::218/
52，命令格式为：ifconfig interface add IPv6-address，用route添加缺省网关分别为
对方IPv6地址，然后利用IPv6的应用程序ping对方的IPv6地址，得到连续的对方主机返回
ICMPv6响应报文，安装成功了。

B．IPv6/IPv4主机隧道通信实验

　　因为现在的IPv6主机在整个IPv4网络中，象一个孤岛，许多路由器不支持IPv6，故在
IPv4网络中经过了纯IPv4路由器相连的两个IPv6主机是不能直接通信的，要采用RFC1933所
说的隧道技术（tunnel）。在Linux下的IPv6协议栈是支持隧道技术的。为研究IPv6主机如
何在IPv4网络中通信的，我们建立了图2所示的实验环境。
　　　　　
　　与实验1一样，配置好Host1和Host2的IPv6地址，并且按照实际IPv4网络情况，配置好
网络接口的IPv4地址。之后，我们需要分别为Host1和Host2配置隧道，两隧道的端地址分
别为Host1和Host2的IPv4地址。具体配置命令格式如下：
　　　ifconfig sit0 up ?
　　　ifconfig sit0 inet6 tunnel ::202.115.12.218 ?
　　　ifconfig sit1 up ?
　　　route -inet6 add 3ffe:3203:1001::/48 dev sit1 ?
　　其中第二步中的tunnel地址是与对方主机的IPv4兼容的IPv6地址，最后一步添加的网
络为对方主机网络接口所在网络，这样，相互的隧道就连通了。隧道0（sit0）为自动隧道
（Automatic Tunneling），隧道1（sit1）为手动隧道（Configured Tunneling），在启
动了sit0之后，可以直接ping通对方主机的IPv4兼容IPv6地址，但是不能ping通对方的全
球IPv6地址，因为IPv4 Router不负责转发IPv6报文，只有在手动配置了sit1之后，跨越了
IPv4网络的IPv6主机之间才能进行通信。

C．IPv6/IPv4主机接入6bone网络

　　我们在完成以上实验的基础上，具有了IPv6主机和网络配置基本理论和实践经验，就
准备接入IPv6实验网6bone，首先通过主机与电子科大网络中心的IPv6路由器相接，连入C
ERNET IPv6实验床，再通过该网络与世界IPv6实验网6bone相接。根据网络分析，我们制定
了如图3所示的网络接入方案：
　　　
　　首先配置好Host1和Host2的IPv4网络信息，再向电子科大网络中心申请分配全球IPv6
地址，申请隧道，网络中心按照Host1和Host2的IPv4地址，手动配置分配两隧道，并设置
了静态路由信息。按照实验2的配置步骤，分别为Host1和Host2配置好IPv6地址，并且与网
络中心的Nokia IPv6路由器建立好隧道，基本操作与实验2相似。完成如上所述配置操作之
后，我们首先ping电子科大网络中心IPv6路由器的IPv6地址，实验成功，IPv6网络连通了
，然后ping CERNET IPv6实验网的主机，利用finger6，FTP6浏览6bone网络中其他网络资
源，实验成功，我们与CRENET IPv6实验床和国际IPv6实验网6bone实现了连网。

D．Pv6/IPv4路由器研究

　　在成功配置了IPv6主机并且接入了国际IPv6之后，我们尝试组建自己的IPv6网络，具
体组网如图4所示：
　　　　
　　由于没有现成的IPv6路由器，就尝试利用Linux操作系统，配置成IPv6路由器，具体工
作如下：我们就在支持IPv6的Linux主机上，配置多个网卡，为每个网卡设置好IPv6地址，
在操作系统中编辑新的配置文件和Script文件，主要为network-ip6、 network-ip6.conf
、network-ip6.init、tunnels-ip6.init和radvd.init几个文件。具体编辑细节参看Pet
er Bieringer 2000-05-19所著的IPv6 & Linux - HowTo 3.14版。之中较为关键的是　　
　/etc/sysconfig/network-ip6文件，需要设置IP6FORWARDING=yes，IP6GATEWAYCONFIG=
yes，IP6ROUTEFILE=/etc/sysconfig/network-ip6.conf，这样设置之后，从一个网络接口
发送来的IPv6报文就可以转发到另外的网络接口，完成路由转发功能，完成路由器基本功
能，再启动其他路由协议，完成相关工作，到此，我们的IPv6路由器就安装成功了，如果
还要安装其他的IPv6路由协议，可以参照相应的文档。