1、NAT-PT實現(xiàn)互連原理
網(wǎng)絡地址和協(xié)議轉換(NAT-PT)是一種將實現(xiàn)IPv4分組格式和IPv6分組格式之間轉換和動態(tài)NAT有機結合的地址和協(xié)議轉換技術，它對IPv6網(wǎng)絡中終端的地址配置沒有限制，也不需要對想和IPv4網(wǎng)絡通信的終端分配IPv4地址。它和IPv4網(wǎng)絡所采用的動態(tài)NAT一樣，在網(wǎng)絡邊界的地址和協(xié)議轉換器設置一組IPv4地址，并以此構成IPv4地址池，當IPv6網(wǎng)絡中的某個終端發(fā)起和IPv4網(wǎng)絡中的終端之間的會話時，由地址和協(xié)議轉換器為發(fā)起會話的終端分配一個IPv4地址，并將該IPv4地址和該終端發(fā)起的會話綁定在一起。如果會話是TCP連接，則可用會話兩端的源和目的地址、源和目的端口號來標識該會話。在會話存在期間，該IPv4地址一直分配給發(fā)起會話的終端，當屬于該會話的IPv6分組經(jīng)過地址和協(xié)議轉換器進入IPv4網(wǎng)絡時，用該IPv4地址取代IPv6分組的源地址，并完成IPv6分組至IPv4分組的轉換。IPv4網(wǎng)絡中的終端用該IPv4地址和發(fā)起會話的終端通信，當屬于該會話的IPv4分組進入地址和協(xié)議轉換器時，用該IPv4分組的目的地址檢索會話表，用會話表中給出的發(fā)起會話的終端的IPv6地址取代IPv4分組的目的地址，并完成IPv4分組至IPv6分組的轉換。在NAT-PT中，96bit網(wǎng)絡前綴可以是任意的網(wǎng)絡地址，但必須保證IPv6網(wǎng)絡將目的地址和該96bit網(wǎng)絡前綴匹配的IPv6分組路由到網(wǎng)絡邊界的地址和協(xié)議轉換器。地址和協(xié)議轉換器將和96bit網(wǎng)絡前綴匹配的目的地址的低32bit作為IPv4地址。反之，地址和協(xié)議轉換器在IPv4分組的源地址前加上96bit網(wǎng)絡前綴后作為IPv6分組的源地址。
2、單向會話通信過程
下面結合圖1詳細討論一下NAT-PT的工作機制。
圖1 NAT-PT實現(xiàn)網(wǎng)絡地址和協(xié)議轉動過程
在圖1中，當終端A發(fā)起和終端C的會話時，終端A發(fā)送一個以2001::2E0:FCFF:FE00:7為源地址，以2::10.1.1.1為目的地址的IPv6分組，該IPv6分組被IPv6網(wǎng)絡路由到路由器R3。
路由器R3在會話表中檢索該IPv6分組屬于的會話，由于該IPv6分組是發(fā)起會話的IPv6分組，會話表中找不到該IPv6分組所屬的會話，路由器R3為終端A分配一個IPv4地址，這里假定是193.1.1.1，同時，在會話表中創(chuàng)建一項，將分配該終端A的IPv4地址和終端A發(fā)起的會話綁定在一起，如表1所示。
路由器R3將該IPv6分組轉換成IPv4分組，通過IPv4路由表確定的傳輸路徑將IPv4分組轉發(fā)給下一跳路由器R2。該IPv4分組經(jīng)過路由器R2轉發(fā)后到達終端C，完成終端A至終端C的傳輸過程。
IPv6分組轉換成IPv4分組時各字段的轉換過程如表2所示，源和目的地址的轉換如圖2所示。
表1 IPv4地址和會話之間的綁定
表2 IPv6首部至IPv4首部轉換
表3 IPv4首部至IPv6首部轉換
當終端C向終端A發(fā)送數(shù)據(jù)時，終端C構建一個以10.1.1.1.1為源地址，193.1.1.1為目的地址的IPv4分組，該IPv4分組被IPv4網(wǎng)絡路由到路由器R3。
路由器R3用該IPv4分組的目的地址檢索會話表，找到對應項，用對應項給出的IPv6地址取代目的地址。
由于為路由器R3配置的網(wǎng)絡前綴為2::/96，源地址被轉換成2::10.1.1.1。
IPv4分組轉換成IPv6分組時各字段的轉換過程如表3所示，源和目的地址的轉換如圖2所示。
圖2 IPv4分組至IPv6分組轉換過程
圖3 用DNS應用層網(wǎng)關實現(xiàn)雙向會話
終端A后續(xù)發(fā)送給終端C的IPv6分組，由于在會話表中找到對應項，可以根據(jù)對應項中給出的IPv4地址進行源地址轉換。在會話存在期間，會話表中給出的地址映射一直保持。一旦會話結束，這種地址映射也隨之消除，分配的IPv4地址可以再次分配給其他IPv6網(wǎng)絡中的終端。不同類型會話的結束方式不同，有些類型的會話有會話結束過程，有些類型的會話沒有明顯的會話結束過程，后一種類型的會話用規(guī)定時間內一直沒有屬于該會話的IP分組通過作為該會話的結束條件。
3、雙向會話通信過程
和IPv4動態(tài)NAT一樣，NAT-PT只能用于由IPv6網(wǎng)絡中的終端發(fā)起會話的應用，如果某個應用需要由IPv4網(wǎng)絡中的終端發(fā)起會話，NAT-PT是無法實現(xiàn)的，因為，IPv4網(wǎng)絡中的終端是無法用某個IPv4地址來綁定IPv6網(wǎng)絡中的某個終端的。如果非要實現(xiàn)由IPv4網(wǎng)絡中的終端發(fā)起的會話，需要采用靜態(tài)NAT，即在路由器R3配置靜態(tài)的IPv4地址和IPv6地址之間的映射。在圖3中，如果終端C希望訪問IPv6網(wǎng)絡中的DNS服務器(IPv6 DNS)，就構建以10.1.1.1為源地址，以193.1.1.5為目的地址的IPv4分組，該IPv4分組到達路由器R3后，路由器R3通過配置的靜態(tài)地址映射，將目的地址轉換成2001::2E0:FCFF:FE00:9。但如果對IPv6中的其他終端也采用靜態(tài)地址映射，需要為所有可能和IPv4網(wǎng)絡通信的終端靜態(tài)分配IPv4地址，這顯然是不可能的。對于圖3所示的網(wǎng)絡結構，路由器R3不僅是地址和協(xié)議轉換器，還是DNS應用層網(wǎng)關。DNS用于將完全合格的域名解析成IP地址，如果是IPv6網(wǎng)絡，則解析成IPv6地址，如果是IPv4網(wǎng)絡，則解析成IPv4地址。DNS服務器給出完全合格的域名和對應的IP地址之間的映射，如終端A 2001::2E0:FCFF：FE00:7。當終端C想發(fā)起和終端A之間的會話時，終端C通過終端A的完全合格的域名：終端A解析出終端A對應的IPv4地址。由于在路由器R3中已經(jīng)靜態(tài)配置了IPv6網(wǎng)絡中的DNS服務器的IPv6地址：2001::2E0:FCFF:FE00:9和IPv4地址：193.1.1.5之間的映射，終端C向IPv4地址為193.1.1.5的DNS服務器發(fā)送請求報文，請求報文被封裝成IPv4分組后進入IPv4網(wǎng)絡，被IPv4網(wǎng)絡路由到路由器R3。由路由器R3完成IPv4 DNS請求報文至IPv6 DNS請求報文的轉換，并將請求報文封裝成以2::10.1.1.1為源地址，以2001::2E0:FCFF:FE00:9為目的地址的IPv6分組，通過IPv6網(wǎng)絡將該IPv6分組傳輸?shù)絀Pv6網(wǎng)絡的DNS服務器。IPv6網(wǎng)絡的DNS服務器根據(jù)完全合格的域名：終端A解析出IPv6地址：2001::2E0:FCFF:FE00:7，并將該地址通過DNS響應報文回送給源地址為2::10.1.1.1的終端(終端C)。響應報文被IPv6網(wǎng)絡路由到路由器R3，由路由器R3在IPv4地址池中
選擇一個IPv4地址(這里假定是193.1.1.1)分配給終端A，同時在會話表中建立2001::2E0:FCFF:FE00:7和193.1.1.1之間的映射。路由器R3將IPv6 DNS響應報文轉換為IPv4 DNS響應報文，并將IPv4 DNS響應報文封裝成以10.1.1.1為目的地址的IPv4分組，通過IPv4網(wǎng)絡將該IPv4分組傳輸?shù)浇K端C，終端C隨后用IPv4地址：193.1.1.1和終端A進行通信。需要指出的是，在上述通信過程中，IPv4網(wǎng)絡中的終端通過DNS的地址解析過程創(chuàng)建會話，并將地址映射和該會話綁定在一起，所有源地址為2001::2E0:FCFF:FE00:7的IPv6分組或目的地址為193.1.1.1的IPv4分組都屬于該會話，按照會話表中給出的地址映射完成地址轉換。這種類型的會話只能用規(guī)定時間內一直沒有屬于該會話的IP分組通過作為該會話的結束條件。
IPv4網(wǎng)絡中所有終端和服務器對應的IPv6地址是固定的，IPv6網(wǎng)絡中的終端可以獲取Pv4網(wǎng)絡中所有終端和服務器對應的IPv6地址，因此，IPv6網(wǎng)絡中的終端可以通過直接給出IPv6地址的方式和IPv4網(wǎng)絡中的終端通信。當然，記住完全合格的域名總比記住128bit的IPv6地址容易，因此，IPv6網(wǎng)絡中的終端可能通過完全合格的域名(如終端C)發(fā)起和IPv4網(wǎng)絡中的終端之間的會話。這種情況下，由IPv6終端向IPv4網(wǎng)絡的DNS服務器發(fā)送DNS請求報文，由路由器R3完成IPv6 DNS請求報文至IPv4 DNS請求報文的轉換。當路由器R3接收到IPv4網(wǎng)絡中的DNS服務器回送的DNS響應報文時，一方面通過加上網(wǎng)絡前綴2::，將解析出的IPv4地址轉換成IPv6地址，另一方面完成IPv4 DNS響應報文至IPv6 DNS響應報文的轉換。
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